KR20180099021A - 빔 너비를 최적화하고 대상 기지국을 선정하는 통신 방법 및 상기 통신 방법을 수행하는 단말 및 기지국 - Google Patents

빔 너비를 최적화하고 대상 기지국을 선정하는 통신 방법 및 상기 통신 방법을 수행하는 단말 및 기지국 Download PDF

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Abstract

단말은 복수의 인접 기지국 중 어느 하나를 업링크 신호를 송신할 대상 기지국으로 선택할 수 있다. 단말이 대상 기지국을 선택하기 위하여, 복수의 인접 기지국으로 참조 신호를 송신하면, 복수의 인접 기지국은 수신한 참조 신호에 기초하여 단말의 위치 및 거리를 추정할 수 있다. 복수의 인접 기지국들 각각은 추정된 단말의 위치 및 거리에 기초하여, 단말과 통신할 때의 신호 품질을 결정할 수 있다. 복수의 인접 기지국들 각각은 결정된 신호 품질에 기초하여, 참조 신호에 응답할지 여부를 결정할 수 있다. 단말은 참조 신호에 응답한 인접 기지국, 즉, 후보 기지국 중에서 대상 기지국을 선택할 수 있다. 보다 구체적으로, 단말은 후보 기지국의 안테나 수 및 신호 입사각에 기초하여, 후보 기지국과 통신할 때의 신호 품질을 결정할 수 있다. 단말은 결정된 신호 품질에 기초하여, 복수의 후보 기지국 중에서 대상 기지국을 선택할 수 있다. 더 나아가서, 대상 기지국 또는 단말은 대상 기지국 및 단말이 이루는 각도 및 연결 확률을 고려하여, 빔 너비를 최적화할 수 있다.

Description

빔 너비를 최적화하고 대상 기지국을 선정하는 통신 방법 및 상기 통신 방법을 수행하는 단말 및 기지국{COMMUNICATION METHOD FOR OPTIMIZIING BEAM WIDTH AND SELECTING A TARGET BASE STATION, AND TERMINAL AND BASE STATION PERFORMING THE COMMUNICATION MEHTOD THEREOF}
본 발명은 밀리미터파를 이용하는 무선 네트워크에 관한 발명이다.
파장이 1~10 ㎜, 주파수가 30~300 GHz인 전파를 밀리미터파(Millimeter wave, mmWave) 또는 EHF(Extreme High Frequency)라 한다. 밀리미터파를 이용하는 무선 네트워크와 관련된 연구가 최근 활발히 수행되고 있다. 밀리미터파를 이용하여 무선 통신을 수행하는 것은 넓은 대역폭을 현재보다 저가에 사용할 수 있는 장점이 있지만, 고주파로 인하여 장거리 전송이 어렵고 상대적으로 회절이 잘 되지 않는 단점이 있다.
거대 다중 입출력(massive MIMO, massive multi-input multi-output) 시스템은 상술한 단점을 극복하고, 파장이 짧은 밀리미터파의 특성을 최대한 활용하기 위한 시스템이다. 거대 다중 입출력 시스템을 활용하는 기지국은 대상 단말을 향하는 빔을 생성함으로써, 장거리 전송이 어려운 단점을 극복할 수 있다. 다만, 밀리미터파의 무선 신호는 회절이 잘 되지 않으므로, 대상 단말의 위치, 방향 또는 방위각을 정확하게 계산해야 하며, 빔을 계산된 위치, 방향 또는 방위각으로 정교하게 형성해야 한다.
본 발명은 최적화된 빔 너비를 이용하여 정교하게 빔 패턴을 형성하는 통신 방법 및 통신 방법을 수행하는 단말 및 기지국을 제안한다.
본 발명은 단말 및 기지국의 안테나가 이루는 신호 입사각 및 안테나 수를 고려하여 단말과 통신할 기지국을 선택하는 통신 방법 및 통신 방법을 수행하는 단말 및 기지국을 제안한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 단말이 대상 기지국과 통신하기 위하여 수행하는 통신 방법에 있어서, 상기 단말의 주변에 위치한 인접 기지국들로, 상기 단말의 존재를 알리는 신호를 송신하는 단계, 상기 인접 기지국들 중 적어도 하나가 상기 신호에 응답한 경우, 상기 신호에 응답한 인접 기지국인 후보 기지국과 통신할 때의 신호 품질을 결정하는 단계, 상기 결정된 신호 품질에 기초하여, 상기 후보 기지국을 상기 대상 기지국으로 결정하는 단계를 포함하고, 상기 신호 품질은, 상기 단말 및 상기 후보 기지국이 이루는 각도에 기초하여 결정되는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 신호 품질을 결정하는 단계는, 상기 후보 기지국의 안테나 수 및 상기 단말의 빔 패턴에 기초하여 상기 신호 품질을 결정하는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 신호 품질을 결정하는 단계는, 상기 후보 기지국 및 상기 단말 사이의 경로 손실 및 상기 후보 기지국의 빔 패턴에 기초하여 상기 신호 품질을 결정하는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 후보 기지국을 상기 대상 기지국으로 결정하는 단계는, 복수의 후보 기지국 중에서 상기 대상 기지국을 결정하는 경우, 신호 품질이 가장 좋은 후보 기지국을 상기 대상 기지국으로 결정하는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 결정된 대상 기지국으로 업링크 신호를 전송하는 단계를 더 포함하는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 업링크 신호를 전송하는 단계는, 상기 단말 및 상기 후보 기지국이 이루는 각도 및 미리 설정된 신호 품질 임계치에 기초하여 결정된 상기 단말의 빔 너비를 이용하여 상기 업링크 신호를 전송하는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 빔 너비는, 상기 단말의 안테나가 생성하는 빔의 세기를 상기 단말의 안테나와 이루는 각도 및 가우시안 함수를 따라 모델링한 빔 패턴에 기초하여 결정되는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 송신하는 단계는, 상기 인접 기지국이 동기화 채널을 통해 전송한 동기화 신호를 이용하여 결정된 상기 인접 기지국의 방향을 따라 상기 신호를 송신하는 통신 방법이 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 인접 기지국이 단말과 통신하기 위하여 수행하는 통신 방법에 있어서, 상기 단말의 존재를 알리는 신호를 수신하는 경우, 상기 수신된 신호에 기초하여 상기 단말 및 상기 인접 기지국이 이루는 각도를 결정하는 단계, 상기 결정된 각도에 기초하여, 상기 단말과 통신할 때의 신호 품질을 결정하는 단계 및 상기 결정된 신호 품질에 기초하여, 상기 수신된 신호에 응답할지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 각도를 결정하는 단계는, 상기 각도 및 미리 설정된 신호 품질 임계치에 기초하여, 상기 인접 기지국의 빔 너비를 결정하는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 빔 너비는, 상기 인접 기지국의 안테나가 생성하는 빔의 세기를 상기 인접 기지국의 안테나와 이루는 각도 및 가우시안 함수를 따라 모델링한 빔 패턴에 기초하여 결정되는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 빔 너비는, 상기 인접 기지국이 상기 단말과 연결될 확률을 최대로 하는 빔 너비로 결정되는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 단말이 상기 인접 기지국을 업링크 신호를 전송할 대상 기지국으로 결정한 경우, 상기 결정된 빔 너비를 이용하여 단말과 통신하는 단계를 더 포함하는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 신호 품질을 결정하는 단계는, 상기 인접 기지국의 안테나 수 및 상기 단말의 빔 패턴에 기초하여 상기 신호 품질을 결정하는 통신 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 신호 품질을 결정하는 단계는, 상기 인접 기지국 및 상기 단말 사이의 경로 손실 및 상기 인접 기지국의 빔 패턴에 기초하여 상기 신호 품질을 결정하는 통신 방법이 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 대상 기지국과 통신하는 단말에 있어서, 프로세서 및 안테나를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 안테나를 이용하여, 단말의 주변에 위치한 인접 기지국들로 상기 단말의 존재를 알리는 신호를 송신하고, 상기 인접 기지국들 중 적어도 하나가 상기 신호에 응답한 경우, 상기 신호에 응답한 인접 기지국인 후보 기지국과 통신할 때의 신호 품질을 결정하고, 상기 결정된 신호 품질에 기초하여, 상기 후보 기지국을 상기 대상 기지국으로 결정하는 단말이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 안테나는, 상기 결정된 대상 기지국으로 업링크 신호를 전송하는 경우, 상기 단말 및 상기 후보 기지국이 이루는 각도 및 미리 설정된 신호 품질 임계치에 기초하여 결정된 빔 너비를 이용하여 상기 업링크 신호를 전송하는 단말이 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 단말과 통신하는 기지국에 있어서, 프로세서 및 안테나를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 단말의 존재를 알리는 신호를 수신하는 경우, 상기 수신된 신호에 기초하여 상기 단말 및 상기 인접 기지국이 이루는 각도를 결정하고, 상기 결정된 각도에 기초하여, 상기 단말과 통신할 때의 신호 품질을 결정하고, 상기 결정된 신호 품질에 기초하여, 상기 수신된 신호에 응답할지 여부를 결정하고, 상기 수신된 신호에 응답하는 경우, 상기 안테나를 이용하여 상기 수신된 신호에 응답하는 기지국이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 안테나는, 상기 각도 및 신호 품질에 기초하여 결정된 빔 너비를 이용하여 상기 단말과 통신하는 기지국이 제공된다.
본 발명은 최적화된 빔 너비를 이용하여 정교하게 빔 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명은 단말 및 기지국의 안테나가 이루는 신호 입사각 및 안테나 수를 고려하여 단말과 통신할 기지국을 선택할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 무선 통신 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말(110) 및 인접 기지국이 서로의 위치를 식별하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말 및 기지국이 사용하는 빔 패턴을 도시한 그래프(300)이다.
도 4는 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말(410) 및 대상 기지국(420)이 수행하는 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 인접 기지국 APi(510)가
Figure pat00001
의 추정 정확도에 기초하여 빔 너비 θi*를 결정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 기지국의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말이 직교 좌표계 상의 특정 위치에 있을 때 어느 인접 기지국을 대상 기지국으로 선택하는지를 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 무선 통신 시스템을 도시한 도면이다. 무선 통신 시스템은 하나 이상의 단말(110) 및 하나 이상의 기지국을 포함하고, 하나 이상의 단말(110) 및 하나 이상의 기지국은 일실시예에 따른 통신 방법을 수행할 수 있다. 도 1을 참고하면, 무선 통신 시스템의 단말(110) 및 NA개의 기지국들이 도시된다. 무선 통신 시스템의 단말(110) 및 기지국들은 밀리미터파를 이용하여 통신할 수 있다. 단말(110)은 밀리미터파를 이용하여 통신할 수 있는 디바이스(예를 들어, 스마트폰, 태블릿, 랩톱 등의 UE(User Equipment))를 의미한다. 기지국은 밀리미터파를 이용하는 상기 단말(110)을 네트워크와 연결하는 디바이스(예를 들어, AP(Access Point))를 의미한다.
단말(110) 및 기지국은 밀리미터파의 회절을 고려하여 통신할 수 있다. 즉, 단말(110) 및 기지국은 서로의 방향 또는 방위각을 향해 빔을 형성하고, 형성된 빔을 통하여 무선 신호를 송신할 수 있다. 아울러, 단말(110) 및 기지국은 연결 확률을 고려하여 빔 너비를 결정할 수 있다. 단말(110)의 위치가 사전에 알려지지 않은 경우, 단말(110)과 통신하는 기지국은 단말(110)의 위치를 추정해야 한다. 기지국은 단말(110)의 위치를 추정한 다음, 그 위치를 이용하여 단말(110)과 통신할 때 사용할 빔 너비를 결정할 수 있다. 더 나아가서, 기지국은 단말(110)과 통신할 때의 신호 품질을 예측할 수 있다.
무선 통신 시스템에 포함된 기지국 중에서, 단말(110)에 지리적으로 인접하는 기지국을 인접 기지국(120)이라 한다. 도 1을 참고하면, NA개의 인접 기지국(120)(AP1 내지 APNA)이 도시된다. 인접 기지국(120)은 동기화 채널(synchronization channel)을 사용하여, 단말(110)로 동기 신호를 주기적으로 송신할 수 있다. 단말(110)은 동기 신호를 이용하여 인접 기지국(120)의 위치, 방향, 각도 또는 방위각을 식별할 수 있다.
도 1에서 도시한 바와 같이 인접 기지국(120)이 복수인 경우, 단말(110)은 하나의 인접 기지국(120)을 이용하여 네트워크에 액세스할 수 있다. 단말(110)이 네트워크에 액세스하기 위하여 통신하는 기지국을 대상 기지국이라 한다. 즉, 네트워크에서 단말(110)로 송신되는 다운링크 신호에 대하여, 대상 기지국은 다운링크 신호를 단말(110)로 중계할 수 있다. 단말(110)에서 네트워크로 송신되는 업링크 신호에 대하여, 단말(110)은 대상 기지국으로 업링크 신호를 송신할 수 있다.
즉, 단말(110)은 인접 기지국(120) 중에서 무선 신호를 송수신하기 가장 적합한 기지국을 대상 기지국으로 선택할 수 있다. 보다 구체적으로, 단말(110) 및 인접 기지국(120)은 대상 기지국이 될 수 있는 기지국의 수를 단계적으로 줄임으로써, 단말(110)과 무선 통신을 수행할 대상 기지국을 결정할 수 있다.
도 1을 참고하면, 단말(110)은 대상 기지국을 선정하기 위하여, 미리 설정된 참조 신호(reference signal)를 인접 기지국(120)으로 송신할 수 있다. 단말(110)은 동기 신호를 이용하여 인접 기지국(120)의 위치, 방향, 각도 또는 방위각을 식별할 수 있으므로, 모든 방위각을 대상으로 상기 요청을 송신하지 않고(full sweep), 식별된 위치로 상기 참조 신호를 송신할 수 있다.
인접 기지국(120)은 참조 신호에 기초하여, 단말(110)의 위치, 방향, 각도 또는 방위각을 식별할 수 있다. 식별된 단말(110)의 위치에 기초하여, 인접 기지국(120)은 단말(110)과 통신할 때의 신호 품질을 예상할 수 있다. 인접 기지국(120)은 상기 참조 신호에 응답할지 여부를, 예상되는 신호 품질에 기초하여 결정할 수 있다. 즉, 신호 품질이 좋지 않을 것으로 예상되는 경우, 인접 기지국(120)은 참조 신호에 응답하지 않을 수 있다.
도 1을 참고하면, 단말(110)의 참조 신호에 응답한 후보 기지국(130)이 도시된다. 즉, 후보 기지국(130)은 인접 기지국(120)의 부분 집합으로써, 신호 품질이 좋을 것으로 예상되어 참조 신호에 응답한 기지국을 의미한다. 후보 기지국(130)이 하나인 경우, 단말(110)은 해당 후보 기지국(130)을 대상 기지국으로 결정할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 인접 기지국(120) 중에서 AP4 및 AP5가 참조 신호에 응답한 것으로 가정하자. 후보 기지국(130)이 복수인 경우, 단말(110)은 후보 기지국(130)중에서 신호 품질이 좋은 기지국을 대상 기지국으로 결정할 수 있다. 단말(110)은 결정된 대상 기지국으로, 대상 기지국으로 선정되었음을 알릴 수 있다. 이후, 단말(110) 및 대상 기지국은 업링크 신호 또는 다운링크 신호를 송 수신할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말(110) 및 인접 기지국이 서로의 위치를 식별하는 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참고하면, NA개의 인접 기지국 중 일부만이 도시된다(APi 및 APj). 인접 기지국의 집합을
Figure pat00002
라 한다. 단말(110)의 위치 pUE 및 인접 기지국 APi의 위치 pAPi는 수학식 1과 같이 직교 좌표계(Cartesian coordinate system)를 이용하여 표현할 수 있다.
Figure pat00003
수학식 1에 기초하여, 단말(110) 및 인접 기지국 APi간의 거리 di 및 상대 각도(또는 도래각) φi는 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00004
도 2를 참고하면, SAP에 포함되는 인접 기지국 APi 및 APj가 도시되며, APi 및 APj 각각에 대한 di, dj 및 φi 및 φj가 도시된다. 특히, 상대 각도는 단말(110)및 인접 기지국의 안테나가 이루는 각도를 의미할 수 있다. 즉, 상대 각도는 단말(110)의 안테나 및 인접 기지국의 안테나 간의 신호 입사각(incident angle)일 수 있다. 아울러 Line-of-sight 신호가 입사각 φi을 따라 인접 기지국 APi의 어레이 안테나로 수신되었을 때, 어레이 안테나의 안테나 별로 도달 속도가 다를 수 있다. 즉, 수신된 신호의 위상이 안테나 별로 달라질 수 있다. 스티어링 벡터(steering vector)는 안테나들 각각의 위상 차이를 나타내는 벡터이다. 인접 기지국 APi는 다중 입출력(MIMO)을 이용하기 위하여, 복수의 안테나를 포함하는 어레이 안테나를 포함할 수 있다. 인접 기지국 APi의 어레이 안테나의 안테나 수를 Mi라 할 때에, 스티어링 벡터 S(φi)는 수학식 3과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00005
수학식 3의 d는 안테나의 분리 정도를 나타내는 파라미터이다. 예를 들어, d=λ/2일 수 있다. 단말(110)이 인접 기지국으로 참조 신호를 전송하는 경우, 인접 기지국은 수신한 참조 신호로부터 스티어링 벡터를 결정할 수 있다. 인접 기지국은 결정된 스티어링 벡터에 기초하여, 단말(110)의 위치, 방향, 각도 또는 방위각을 추정할 수 있다.
인접 기지국 APi은 추정된 단말(110)의 위치에 기초하여, 인접 기지국 APi의 안테나 및 단말(110)이 이루는 각도를
Figure pat00006
로 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 인접 기지국은 일관성 측정(coherent estimation), 다중 시그널 분류기법 (MUltiple SIgnals Classification, MUSIC), ESPRIT (Estimation of Signal Parameter via Rotational Invariance Techniques), MP, CRB(Cramer-Rao bound) 알고리즘 등의 도래각 추정 기법 (Angle-of-Arrival 또는 Direction-of-Arrival, AoA 또는 DoA)을 활용할 수 있다. 인접 기지국은 도래각 추정 기법을 통해 상관 행렬(covariance matrix)을 결정할 수 있고, 결정된 상관 행렬을 이용하여 신호 부공간(signal subspace)을 구성할 수 있다. 인접 기지국은 구성된 신호 부공간에 기초하여
Figure pat00007
를 결정할 수 있다.
또한, 참조 신호가 단말(110)에서 인접 기지국 APi으로 도착하는데 소요되는 시간(Time-of-Arrival, TOA)
Figure pat00008
에 기초하여, 인접 기지국 APi은 단말 및 인접 기지국 APi 간의 거리 di를 추정할 수 있다. 보다 구체적으로, 무선 신호의 전파 속도(propagation speed)를 c라 하면, 인접 기지국 APi은
Figure pat00009
를 이용하여 di를 추정할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말 및 기지국이 사용하는 빔 패턴을 도시한 그래프(300)이다. 단말 및 기지국(보다 구체적으로, 단말의 안테나 및 기지국의 안테나)이 서로 마주보지 않는 경우, 단말 및 기지국은 서로 마주보지 않는 것에 따른 빔 오정렬(beam misalignment)이 신호 품질에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 빔 오정렬은 성능 저하(performance degradation)의 원인이 될 수 있다. 단말 및 기지국은 빔 오정렬을 고려하여, 참조 신호에 응답할지 여부 및 대상 기지국으로 선정할지 여부를 결정할 수 있다.
단말 및 기지국은 안테나가 생성하는 빔의 세기를 가우시안 함수를 따라 모델링한 빔 패턴을 이용할 수 있다. 보다 구체적으로, 단말 및 기지국의 집합
Figure pat00010
에 대하여,
Figure pat00011
일 때에, 빔의 방향을 μi라 하고, 빔 너비를 σi라 할 때에, 빔 패턴
Figure pat00012
또는
Figure pat00013
은 수학식 4에 따라 모델링될 수 있다.
Figure pat00014
안테나 이득은 후보 기지국별로 서로 다를 수 있다. 수학식 4의
Figure pat00015
는 후보 기지국 별로 서로 다른 안테나 이득을 반영하기 위한 것으로, APi의 안테나 이득(antenna gain)을 의미한다.
그래프(300)는 수학식 4에 따른 빔의 세기를 각도 φ에 따라 도시한 그래프이다. 도 3을 참고하면, 빔의 세기는 빔의 방향 μi에서 최대가 되고, μi에서 멀어질수록 감소할 수 있다. 빔 패턴은 가우시안 함수 외에도, 빔의 방향 μi에서 최대가 되고, μi에서 멀어질수록 감소하는 다른 형태의 함수를 이용하여 모델링될 수 있다.
단말 및 기지국은 가우시안 함수를 따라 모델링한 빔 패턴을 사용함으로써, 빔 오정렬에 따른 성능 저하를 고려할 수 있다. 보다 구체적으로, 단말 및 기지국은 수학식 4에 따른 빔 패턴을 이용함으로써, 단말 및 기지국이 이루는 각도를 이용하여 신호 품질을 예측할 수 있다. 인접 기지국은 예측된 신호 품질을 이용하여, 단말의 참조 신호에 응답할지 여부, 즉, 후보 기지국이 될 지를 결정할 수 있다. 단말은 예측된 신호 품질을 이용하여, 복수의 후보 기지국 중에서 대상 기지국을 선택할 수 있다. 더 나아가서, 단말 및 기지국은 수학식 4에 따른 빔 패턴을 이용하여 일정한 신호 품질 임계치 이상의 신호 품질을 달성할 수 있는 빔 너비를 결정할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말(410) 및 대상 기지국(420)이 수행하는 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 이하에서는 도 4를 참고하여, (1) 대상 기지국(420)이 단말의 참조 신호에 응답할지 여부를 결정하는 동작, (2) 단말(410)이 복수의 후보 기지국 중에서 대상 기지국(420)을 선택하는 동작 및 (3) 단말(410) 및 기지국(420)이 빔 너비를 결정하는 동작을 보다 상세히 설명한다.
도 4를 참고하면, 대상 기지국(420)은 동기화 채널을 통하여, 단말(410)로 동기 신호(430)를 송신할 수 있다. 단말(410)은 자신의 위치를 알 수 없는 상황에서도, 동기 신호(430)를 이용하여 동기 신호(430)를 전송한 대상 기지국(420)의 위치를 식별할 수 있다. 인접 기지국 모두가 동기 신호(430)를 전송하므로, 단말(410)은 인접 기지국 각각의 위치를 모두 식별할 수 있다.
단말(410)은 주변에 위치한 인접 기지국으로 단말의 존재를 알리는 신호, 즉, 참조 신호(440)를 송신할 수 있다. 단말(410)은 인접 기지국들 각각에 대응하는 위치로 참조 신호(440)를 송신할 수 있다. 즉, 단말(410)은 일대일(one-by-one)로 참조 신호(440)를 송신할 수 있다. 참조 신호(440)는 업링크 봉화 시간 동안 송신될 수 있다. 즉, 참조 신호(440)는 업링크 봉화 신호(beacon signal)일 수 있다. 참조 신호(440)
Figure pat00016
는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00017
수학식 5를 참고하면, TS는 심볼 주기, g(t)는 에너지 1의 나이퀴스트 펄스(Nyquist pulse with unit energy)를 의미한다.
Figure pat00018
은
Figure pat00019
에 대한 심볼 시퀀스(symbol sequence)이다. 참조 신호(440)
Figure pat00020
는
Figure pat00021
로써, GUE는 단말(410)의 방사 패턴(radiation pattern), 즉, 수학식 4에 따라 결정되는 단말(410)의 빔 패턴을 의미한다.
대상 기지국(420)을 포함하는 인접 기지국 APi가 수신한 참조 신호(440)
Figure pat00022
는 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00023
수학식 6을 참고하면,
Figure pat00024
는 인접 기지국 APi 및 단말(410)간의 채널을 모델링한 것으로, 표준 편차가 데시벨(dB) 단위로 5이고, 평균이 0인 가우시안 확률 변수
Figure pat00025
에 대하여
Figure pat00026
로 결정될 수 있다.
Figure pat00027
는 수학식 3의 스티어링 벡터일 수 있다. 수학식 6의
Figure pat00028
는
Figure pat00029
로 정의될 수 있다.
Figure pat00030
는 Mi × 1의 복소수 백색 가우시안 함수(complex white Gaussian)으로써, 평균은 0이고 양면의 파워 스펙트럼 밀도(two-sided power spectral density)는 N0일 수 다.
앞서 설명한 바와 같이, 인접 기지국 APi는 수학식 6의 참조 신호(440)를 이용하여 단말(410)의 위치를 추정할 수 있다. 바꾸어 말하면, 인접 기지국 APi는
Figure pat00031
및
Figure pat00032
를 결정할 수 있다. 인접 기지국 APi이 단말(410)의 위치를 추정할 때에, 기지국의 안테나 숫자(Mi), 입사각(φi), 기지국 및 단말(410) 사이의 거리(di)가 영향을 줄 수 있다.
인접 기지국 APi는 결정된
Figure pat00033
및
Figure pat00034
에 기초하여 대상 기지국(420)이 될지를 결정할 수 있다. 즉, 인접 기지국 APi는 참조 신호(440)에 대한 응답 신호(450)를 단말(410)로 송신할 지 여부를 결정할 수 있다.
인접 기지국 APi는
Figure pat00035
를 추정할 때에 발생되는 오차를 고려하여, 응답 신호(450)를 단말(410)로 송신할 지 여부를 결정할 수 있다. MUSIC, ESPRIT, MP 등
Figure pat00036
를 추정하는 방식의 상한선(upper bound)은 CRB(Cramer-Rao bound)에 기초하여 수학식 7과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00037
수학식 7을 참고하면,
Figure pat00038
은 인접 기지국 APi가 추정한
Figure pat00039
및 실제
Figure pat00040
간의 차이의 평균 또는 기대값을 의미한다. Ji는 피셔 정보 매트릭스(Fisher information matrix)를 의미한다.
Figure pat00041
는 파라미터의 집합
Figure pat00042
가 주어져 있을 때 수신 신호 벡터 y의 확률 밀도 함수로써, 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00043
수학식 8을 참고하면, C는 표준화(normalization) 상수를 의미한다. 하나의 단말(410)의
Figure pat00044
를 추정하는 경우, 피셔 정보 매트릭스 Ji의 대각선에 있지 않은 원소는 모두 0이므로, 수학식 7은 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00045
수학식 9를 참고하면,
Figure pat00046
를 추정할 때에 발생되는 오차는 잡음(N0)이 작을수록, 인접 기지국 APi의 안테나 수(Mi)가 많을수록, 채널이 좋을수록, 그리고, 입사각(
Figure pat00047
)이 90도에 가까울수록 작아짐을 알 수 있다. 즉, 인접 기지국 APi는 잡음, 안테나 수, 채널 특성 및 단말(410)과 이루는 각도가
Figure pat00048
를 추정할 때에 미치는 영향을 고려하여, 응답 신호(450)를 단말(410)로 송신할 지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 인접 기지국 APi는 결정된
Figure pat00049
및
Figure pat00050
에 기초하여 단말(410)과 통신할 때의 신호 품질을 결정할 수 있다. 신호 품질은 신호 대 잡음비(SNR, Signal-to-Noise Ratio)에 의해 결정될 수 있다. 즉, 인접 기지국 APi는 SNR에 기초하여 응답 신호(450)를 단말(410)로 송신할 지 여부를 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 인접 기지국 APi가 단말(410)과 통신할 때의 신호 품질을 측정할 때 사용되는 SNR은 수학식 10에 기초하여 결정될 수 있다.
Figure pat00051
수학식 10을 참고하면, GUE(φi)는 단말(410)의 빔의 세기로써, 인접 기지국 APi는 참조 신호(410)에 기초하여, 결정될 수 있다.
Figure pat00052
는 채널 손실 추정치로써,
Figure pat00053
에 기초하여 결정될 수 있다.
수학식 10을 참고하면, 인접 기지국 APi의 빔 너비 σi가 SNR에 영향을 미침을 알 수 있다. 인접 기지국 APi는 단말(410)과 통신할 때 사용할 빔 너비를 최적화할 수 있다. 빔 너비는 인접 기지국 APi 및 단말(410)간의 연결 확률(connection probability)에 기초하여 최적화될 수 있다. 인접 기지국 APi의 빔 너비를 θi라 할 때에, 인접 기지국 APi 및 단말(410)간의 연결 확률
Figure pat00054
은 수학식 10의 SNR이 미리 설정된 SNR 임계치
Figure pat00055
이상이 될 확률로써, 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00056
수학식 11에서 빔 너비 θi는 인접 기지국 APi가 지원하는 빔 너비를 고려하여,
Figure pat00057
를 만족한다. 수학식 11을 참고하면,
Figure pat00058
를 최대로 하는 θi가 연결 확률
Figure pat00059
을 최대로 하는 빔 너비임을 알 수 있다.
Figure pat00060
를 최대로 하는 θi*는 미분을 이용하여 수학식 12와 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00061
빔 너비 θi*가 좁을수록(narrower), 인접 기지국 APi는 먼 거리로 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 빔 너비 θi*가 좁을수록(narrower), 인접 기지국 APi는 보다 집중적으로 무선 신호를 전송할 수 있다. 수학식 12를 참고하면, SNR 임계치
Figure pat00062
가 높을수록, 즉, 무선 통신 시스템이 요구하는 SNR 임계치
Figure pat00063
가 높을수록, 인접 기지국 APi는 보다 집중적으로 무선 신호를 전송해야 함을 알 수 있다.
인접 기지국 APi는 빔 너비 θi*를 사용하여 단말(410)과 통신할 수 있다. 인접 기지국 APi는 수학식 12의 빔 너비 θi*에 기초하여 SNR을 결정할 수 있다. 즉, 인접 기지국 APi는 수학식 12의 빔 너비 θi*를 이용하여 결정한 SNR에 기초하여, 응답 신호(450)를 단말(410)로 송신할 지 여부를 결정할 수 있다.
수학식 11을 참고하면, 인접 기지국 APi의 빔 너비 θi*는 인접 기지국 APi가 단말(410)의 위치와 관련된 각도인
Figure pat00064
를 얼마나 정확하게 추정하였는 지에 따라 결정될 수 있다. 이하에서는 도 5를 참고하여 빔 너비 θi* 및
Figure pat00065
의 추정 정확도 간의 관계에 대하여 상세히 설명한다.
도 5는 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 인접 기지국 APi(510)가
Figure pat00066
의 추정 정확도에 기초하여 빔 너비 θi*를 결정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 인접 기지국 APi(510)은 단말(410)의 주변에 위치하는 기지국으로써, 도 4의 대상 기지국(420) 등을 포함할 수 있다.
도 5를 참고하면, 단말(410)의 위치에 대한 확률 분포가 그래프(500)로 도시된다. 인접 기지국 APi(510)은 단말(410)의 위치에 대한 확률 분포에 기초하여 빔 너비 θi*를 결정할 수 있다. 도 5를 참고하면, 확률 분포는 인접 기지국 APi(510)이 추정한 단말의
Figure pat00067
에서 최대값을 가질 수 있다. 단말(410)의 실제 각도
Figure pat00068
는
Figure pat00069
와 같거나 다를 수 있다. 도 5를 참고하면, 확률 분포의 분산이 클수록 그래프(500)의 폭이 넓어짐을 알 수 있다. 즉, 확률 분포의 분산이 클수록 빔 너비 θi*가 더 큰 값으로 결정될 수 있다.
수학식 9를 참고하면, 잡음(N0), 인접 기지국 APi의 안테나 수(Mi), 채널 및 입사각(
Figure pat00070
) 등이
Figure pat00071
를 추정할 때에 발생되는 오차에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 잡음(N0), 인접 기지국 APi의 안테나 수(Mi), 채널 및 입사각(
Figure pat00072
) 등은 확률 분포의 폭에 영향을 미칠 수 있다. 단말(410)이 빔 너비 θi* 안에 위치할 확률이 미리 설정된 확률 임계치 이상이 되도록, 인접 기지국 APi(510)은 빔 너비 θi*를 결정할 수 있다.
다시 도 4를 참고하면, 인접 기지국 APi 중에서 하나의 인접 기지국만이 응답 신호(450)를 송신한 경우, 응답 신호(450)를 송신한 인접 기지국이 대상 기지국(420)이 될 수 있다. 인접 기지국 APi 중에서 복수의 인접 기지국이 응답 신호(450)를 송신한 경우, 단말(410)은 응답 신호(450)를 송신한 복수의 인접 기지국(즉, 후보 기지국) 중에서 하나를 대상 기지국(420)으로 선택할 수 있다.
복수의 후보 기지국 중에서 하나를 대상 기지국(420)으로 선택하는 경우, 단말(410)은 후보 기지국 각각과 통신할 때의 SNR을 예측함으로써, 후보 기지국 각각의 신호 품질을 결정할 수 있다. 단말(410)이 SNR을 계산할 때에, 단말(410)은 후보 기지국의 빔 너비를 수학식 12에 따라 결정할 수 있다. 따라서, 단말(410)이 후보 기지국 APi의 SNR 평균
Figure pat00073
을 수학식 13에 따라 결정할 수 있다.
Figure pat00074
수학식 13을 참고하면, 후보 기지국 APi이
Figure pat00075
를 향해 빔을 형성하였을 때, 단말(410)은 실제 위치인
Figure pat00076
에서 측정되는 SNR을 계산할 수 있다. 후보 기지국 APi이
Figure pat00077
를 추정하는 성능을 고려할 때에, 수학식 13으로부터 수학식 14의 부등식을 획득할 수 있다. 수학식 13의 부등식은 항상 참일 수 있다.
Figure pat00078
수학식 14의
Figure pat00079
의 범위는 수학식 9에 의해 결정되므로, 후보 기지국 APi의 SNR 평균
Figure pat00080
의 하한(lower bound)인
Figure pat00081
는 수학식 15에 따라 결정될 수 있다.
Figure pat00082
수학식 15를 참고하면, 하한이 높을 수록 더 큰 SNR을 얻을 수 있으므로, 단말(410)은 수학식 15의
Figure pat00083
가 가장 높은 후보 기지국 APi를 대상 기지국(420)으로 선택할 수 있다. 바꾸어 말하면, 단말(410)은 수학식 16을 만족하는 후보 기지국 APi*를 대상 기지국(420)으로 선택할 수 있다.
Figure pat00084
또는, 수학식 13의 SNR 평균
Figure pat00085
을 이용하여, 단말(410)은 수학식 17과 같이 SNR 평균
Figure pat00086
이 가장 큰 후보 기지국 APi *를 대상 기지국(420)으로 선택할 수 있다.
Figure pat00087
도 4를 참고하면, 단말(410)은 대상 기지국(420)으로 선택된 후보 기지국 APi*로, 대상 기지국으로 선정되었음을 알리는 대상 기지국 선정 신호(460)를 전송할 수 있다. 이후 단계(470)에서, 단말(410) 및 대상 기지국(420)은 업링크 신호 또는 다운링크 신호를 송수신할 수 있다. 업링크 신호 또는 다운링크 신호를 송수신할 때에, 단말(410) 및 대상 기지국(420)은 수학식 12에 따라 빔 너비 θi*를 최적화할 수 있다.
도 4를 참고하면, 단말(410)이 대상 기지국(420)을 결정하여 다운링크 신호를 전송하는 데 소요되는 시간 T는 크게 (1) 위치가 식별되지 않은 단말(410)이 위치가 식별된 인접 기지국으로 서비스를 제공할 것을 요청하는 시간(업 링크 봉화 시간(uplink beacon phase)), (2) 인접 기지국이 봉화 신호를 수신하여 단말(410)의 위치와 관련된 파라미터(
Figure pat00088
,
Figure pat00089
)를 추정하고, 추정된 파라미터에 기초하여 단말(410)에 서비스를 제공할 것을 결정하여, 서비스를 제공할 것을 결정한 결과에 따라 단말(410)에 응답하는 시간(다운링크 응답 시간(downlink answer phase)) 및 (3) 단말(410)이 응답한 인접 기지국(즉, 후보 기지국) 중에서 가장 좋은 신호 품질을 가지는 인접 기지국을 선정하고(즉, 대상 기지국을 선정), 선정된 인접 기지국으로 선정 결과를 알린 다음, 다운링크 신호를 전송하는 시간(access and transmission phase)으로 구분할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 일실시예에 따른 통신 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체가 제공될 수 있다. 상기 프로그램은 통신 방법을 저장한 응용 프로그램, 디바이스 드라이버, 펌웨어, 미들웨어, 동적 링크 라이브러리(DLL) 및 애플릿 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 단말은 프로세서를 포함하고, 프로세서는 통신 방법이 기록된 기록 매체를 판독함으로써, 도 6의 동작을 수행할 수 있다.
도 6을 참고하면, 단계(610)에서, 단말은 주변에 위치한 인접 기지국의 방향을 결정할 수 있다. 단말은 동기화 채널을 통해 수신한 동기 신호에 기초하여, 수신한 동기 신호에 대응하는 인접 기지국의 위치를 식별할 수 있다. 즉, 단말은 (1) 단말의 안테나 및 인접 기지국의 안테나가 이루는 상대 각도(또는 신호 입사각) 및 (2) 단말 및 인접 기지국간의 거리를 식별할 수 있다.
도 6을 참고하면, 단계(620)에서, 단말은 주변에 위치한 인접 기지국으로, 단말의 존재를 알리는 신호, 즉, 참조 신호를 송신할 수 있다. 단말이 복수의 인접 기지국을 식별한 경우, 단말은 복수의 인접 기지국들 각각에게 순차적으로 참조 신호를 송신할 수 있다.
단말은 밀리미터파를 이용하여 참조 신호를 송신할 수 있다. 단말은 밀리미터파의 회절 특성을 고려하여 특정 방위각으로 방사되는 빔을 형성할 수 있으며, 특정 방위각은 동기 신호에 의해 식별된 인접 기지국의 위치에 기초하여 결정될 수 있다. 바꾸어 말하면, 단말은 동기화 신호를 이용하여 결정된 인접 기지국의 방향을 따라 참조 신호를 송신할 수 있다.
인접 기지국 APi은 참조 신호를 수신하면, 참조 신호에 기초하여 단말의 위치, 즉, 신호 입사각
Figure pat00090
및 단말의 거리와 관련된 파라미터인
Figure pat00091
를 결정할 수 있다. 인접 기지국 APi은 결정된
Figure pat00092
및
Figure pat00093
를 이용하여 빔 너비 θi*를 결정할 수 있다. 인접 기지국 APi은 결정된 빔 너비 θi*에 기초하여 단말과 통신할 때의 SNR, 즉, 신호 품질을 예측할 수 있다. 인접 기지국 APi은 예측되는 SNR에 기초하여, 미리 설정된 신호 품질 임계치 이상으로 서비스를 제공할 수 있는 경우에만, 단말로 응답할 수 있다. 즉, 신호 품질 임계치 이상으로 서비스를 제공할 수 있는 인접 기지국이 후보 기지국이 될 수 있다.
도 6을 참고하면, 단계(630)에서, 인접 기지국 APi이 참조 신호에 응답하는지에 기초하여, 단말은 후보 기지국의 존재 여부를 판단할 수 있다. 후보 기지국이 존재하지 않는 경우, 단말은 단계(620)을 다시 수행할 수 있다.
후보 기지국이 존재하는 경우, 단계(640)에서, 단말은 후보 기지국과 통신할 때의 신호 품질을 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 후보 기지국 APi에 대하여, 단말은 수학식 13의 SNR 평균
Figure pat00094
또는 수학식 15의 SNR 평균
Figure pat00095
의 하한(lower bound)인
Figure pat00096
를 결정할 수 있다.
도 6을 참고하면, 단계(650)에서, 단말은 결정된 신호 품질에 기초하여, 후보 기지국 APi을 대상 기지국으로 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 후보 기지국이 존재하는 경우, 단말은 복수의 후보 기지국 중에서 가장
Figure pat00097
또는
Figure pat00098
이 가장 높은 후보 기지국 APi을 대상 기지국으로 선택할 수 있다. 단말은 표 1의 의사코드(pseudo-code)에 따라 복수의 후보 기지국 중에서 대상 기지국을 선택할 수 있다.
Figure pat00099
표 1을 참고하면, 단말은 수학식 15 및 16에 기초하여 대상 기지국을 선택할 수 있다. 단말은 대상 기지국으로 선택된 후보 기지국 APi으로, 대상 기지국으로 선택되었음을 알릴 수 있다.
도 6을 참고하면, 단계(660)에서, 단말은 결정된 대상 기지국으로 업링크 신호를 전송할 수 있다. 단말은 복수의 안테나로 구성된 어레이 안테나를 포함할 수 있다. 단말은 어레이 안테나의 빔을 수학식 12에 기초하여 최적화할 수 있다. 즉, 단말도 빔 너비 θi*를 이용하여 대상 기지국으로 향하는 빔을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 단말은 거리와 관련된 정보(즉, 채널 손실) 뿐만 아니라, 신호 품질에 영향을 미치는 다른 요인(신호 입사각, 안테나 수, 빔 패턴 등)을 고려하여 대상 기지국을 결정할 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 기지국의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 일실시예에 따른 통신 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체가 제공될 수 있다. 상기 프로그램은 통신 방법을 저장한 응용 프로그램, 디바이스 드라이버, 펌웨어, 미들웨어, 동적 링크 라이브러리(DLL) 및 애플릿 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 기지국은 프로세서를 포함하고, 프로세서는 통신 방법이 기록된 기록 매체를 판독함으로써, 도 7의 동작을 수행할 수 있다.
도 7을 참고하면, 단계(710)에서, 기지국은 단말과 통신할 때 활용될 빔 너비를 결정할 수 있다. 기지국은 단말의 존재를 알리는 참조 신호를 수신하는 경우, 수신된 신호에 기초하여 단말 및 기지국이 이루는 각도
Figure pat00100
를 결정할 수 있다. 각도
Figure pat00101
는 기지국의 어레이 안테나로 참조 신호가 수신되는 방향과 관련된 데이터 벡터(예를 들어, 수학식 3의 스티어링 벡터)에 기초하여 결정될 수 있다. 기지국은 결정된 각도 및 수학식 12에 기초하여, 단말과 통신할 때 사용되는 빔 너비 θi*를 결정할 수 있다. 기지국은 표 2의 의사코드(pseudo-code)에 따라 빔 너비 θi*를 결정할 수 있다.
Figure pat00102
도 7을 참고하면, 단계(720)에서, 기지국은 참조 신호를 송신한 단말로 서비스(즉, 무선 네트워크 서비스)를 제공할지 여부를 결정할 수 있다. 기지국은 결정된
Figure pat00103
및 결정된 빔 너비 θi*를 이용하여 단말과 통신할 때의 신호 품질을 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 기지국은 수학식 13의 SNR 평균
Figure pat00104
또는 수학식 15의 SNR 평균
Figure pat00105
의 하한(lower bound)인
Figure pat00106
를 결정할 수 있다. 기지국은 결정된 신호 품질에 기초하여, 참조 신호에 응답할지 여부를 결정할 수 있다.
신호 품질이 미리 설정된 신호 품질 임계치 이상인 경우, 기지국은 단말로 서비스를 제공하는 것으로 결정할 수 있다. 단말로 서비스를 제공하기로 결정한 경우, 단계(730)에서, 기지국은 단말의 참조 신호에 응답할 수 있다. 즉, 기지국은 단말로 응답 신호를 전송할 수 있다. 복수의 기지국이 응답 신호를 송신하는 경우, 응답 신호가 서로 충돌하는 것을 방지하기 위하여, 기지국은 상호 충돌 방지 다중 접속(carrier sense multiple access, CSMA) 방법, 또는 ALOHA 방법을 이용하여 응답 신호를 송신할 수 있다.
하나의 기지국이 참조 신호에 응답한 경우, 단말은 응답한 기지국을 무선 통신을 수행할 대상 기지국으로 결정할 수 있다. 복수의 기지국이 참조 신호에 응답한 경우, 단말은 복수의 기지국 중 어느 하나를 대상 기지국으로 선택할 수 있다. 단말은 기지국과의 거리, 기지국의 안테나와 이루는 각도, 기지국의 안테나 수, 채널 손실등을 고려하여 대상 기지국을 선택하거나 또는 결정할 수 있다.
도 7을 참고하면, 단계(740)에서, 기지국이 단말의 대상 기지국으로 선택된 경우, 기지국은 단말로부터 선택된 결과를 수신할 수 있다. 기지국이 대상 기지국으로 결정된 경우, 단계(750)에서, 기지국은 단계(710)에서 결정된 빔 너비 θi*를 이용하여 단말로 서비스를 제공할 수 있다. 즉, 기지국은 빔 너비 θi*에 따라 단말로 방사되는 빔을 형성함으로써, 단말과 통신할 수 있다. 기지국 APi이 단말로부터 수신하는 신호는, 단말이 송신하는 신호 x(t)에 대하여 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다. 단말이 송신하는 신호 x(t)는 |x(t)|2=GUE를 만족할 수 있다.
Figure pat00107
도 8은 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말이 직교 좌표계 상의 특정 위치에 있을 때 어느 인접 기지국을 대상 기지국으로 선택하는지를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참고하면, 단말의 위치를 2차원 좌표계로 표현한 제1 직교 좌표계(810) 및 제2 직교 좌표계(820)가 도시된다. 도 8을 참고하면, 제1 직교 좌표계(810) 및 제2 직교 좌표계(820) 모두 네 개의 좌표 (-20, -20), (20, -20), (20, 20), (-20, 20)에 네 개의 인접 기지국이 위치하는 것으로 가정한다. (20, -20)에 위치한 AP4(814) 및 (-20, 20)에 위치한 AP2(812)의 안테나 수는 2이고, (-20, -20)에 위치한 AP1(811)의 안테나 수는 128이고, (20,20)에 위치한 AP3(813)의 안테나 수는 256인 것으로 가정한다.
단말이 인접 기지국간의 거리만을 고려하여 대상 기지국을 선택하는 경우, 단말은 제1 직교 좌표계(810)의 영역을 따라 대상 기지국을 선택할 수 있다. 즉, 영역(815)에 위치하는 단말은 AP1(811)을, 영역(816)에 위치하는 단말은 AP2(812)를, 영역(817)에 위치하는 단말은 AP3(813)를, 영역(818)에 위치하는 단말은 AP4(814)를 대상 기지국으로 선택할 수 있다.
수학식 15를 참고하면, 거리뿐만 아니라 안테나수 Mi 및 단말과 인접 기지국이 이루는 각도 φi도 신호 품질에 영향을 주는 것을 알 수 있다. 따라서, 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말은 Mi 및 φi 등을 고려하여 대상 기지국을 선택할 수 있다.
제2 직교 좌표계(820)는 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말이 대상 기지국을 선택한 결과를 나타낸 것이다. 제2 직교 좌표계(820)를 참고하면, 영역(821)에 위치한 단말은 AP1(811)을, 영역(822)에 위치하는 단말은 AP2(812)를, 영역(823)에 위치하는 단말은 AP3(813)를, 영역(824)에 위치하는 단말은 AP4(814)를 대상 기지국으로 선택할 수 있다. 제1 직교 좌표계(810) 및 제2 직교 좌표계(820)를 비교하면, 안테나 수가 많은 AP1(811) 및 AP3(823)이 선택되는 영역(821, 823)이 AP2(822) 및 AP4(824)가 선택되는 영역보다 클 수 있다.
종합하면, 일실시예에 따른 통신 방법을 수행하는 단말 및 기지국은 위치 정보가 사전에 알려지지 않은 단말로 무선 네트워크 서비스를 제공할 대상 기지국을 선정함에 있어서, 단말 및 기지국간의 거리뿐만 아니라 단말 및 기지국이 이루는 각도, 기지국의 안테나 수 및 기지국이 사용하는 위치 추정 기법의 정확도를 모두 고려하여 대상 기지국을 선택할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
110: 단말
120: 인접 기지국
130: 후보 기지국

Claims (19)

  1. 단말이 대상 기지국과 통신하기 위하여 수행하는 통신 방법에 있어서,
    상기 단말의 주변에 위치한 인접 기지국들로, 상기 단말의 존재를 알리는 신호를 송신하는 단계;
    상기 인접 기지국들 중 적어도 하나가 상기 신호에 응답한 경우, 상기 신호에 응답한 인접 기지국인 후보 기지국과 통신할 때의 신호 품질을 결정하는 단계;
    상기 결정된 신호 품질에 기초하여, 상기 후보 기지국을 상기 대상 기지국으로 결정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 신호 품질은, 상기 단말 및 상기 후보 기지국이 이루는 각도에 기초하여 결정되는 통신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 품질을 결정하는 단계는,
    상기 후보 기지국의 안테나 수 및 상기 단말의 빔 패턴에 기초하여 상기 신호 품질을 결정하는 통신 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 품질을 결정하는 단계는,
    상기 후보 기지국 및 상기 단말 사이의 경로 손실 및 상기 후보 기지국의 빔 패턴에 기초하여 상기 신호 품질을 결정하는 통신 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 후보 기지국을 상기 대상 기지국으로 결정하는 단계는,
    복수의 후보 기지국 중에서 상기 대상 기지국을 결정하는 경우, 신호 품질이 가장 좋은 후보 기지국을 상기 대상 기지국으로 결정하는 통신 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결정된 대상 기지국으로 업링크 신호를 전송하는 단계
    를 더 포함하는 통신 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 업링크 신호를 전송하는 단계는,
    상기 단말 및 상기 후보 기지국이 이루는 각도 및 미리 설정된 신호 품질 임계치에 기초하여 결정된 상기 단말의 빔 너비를 이용하여 상기 업링크 신호를 전송하는 통신 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 빔 너비는,
    상기 단말의 안테나가 생성하는 빔의 세기를 상기 단말의 안테나와 이루는 각도 및 가우시안 함수를 따라 모델링한 빔 패턴에 기초하여 결정되는 통신 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 송신하는 단계는,
    상기 인접 기지국이 동기화 채널을 통해 전송한 동기화 신호를 이용하여 결정된 상기 인접 기지국의 방향을 따라 상기 신호를 송신하는 통신 방법.
  9. 인접 기지국이 단말과 통신하기 위하여 수행하는 통신 방법에 있어서,
    상기 단말의 존재를 알리는 신호를 수신하는 경우, 상기 수신된 신호에 기초하여 상기 단말 및 상기 인접 기지국이 이루는 각도를 결정하는 단계;
    상기 결정된 각도에 기초하여, 상기 단말과 통신할 때의 신호 품질을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 신호 품질에 기초하여, 상기 수신된 신호에 응답할지 여부를 결정하는 단계;
    를 포함하는 통신 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 각도를 결정하는 단계는,
    상기 각도 및 미리 설정된 신호 품질 임계치에 기초하여, 상기 인접 기지국의 빔 너비를 결정하는 통신 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 빔 너비는,
    상기 인접 기지국의 안테나가 생성하는 빔의 세기를 상기 인접 기지국의 안테나와 이루는 각도 및 가우시안 함수를 따라 모델링한 빔 패턴에 기초하여 결정되는 통신 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 빔 너비는,
    상기 인접 기지국이 상기 단말과 연결될 확률을 최대로 하는 빔 너비로 결정되는 통신 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 단말이 상기 인접 기지국을 업링크 신호를 전송할 대상 기지국으로 결정한 경우, 상기 결정된 빔 너비를 이용하여 단말과 통신하는 단계
    를 더 포함하는 통신 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 신호 품질을 결정하는 단계는,
    상기 인접 기지국의 안테나 수 및 상기 단말의 빔 패턴에 기초하여 상기 신호 품질을 결정하는 통신 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 신호 품질을 결정하는 단계는,
    상기 인접 기지국 및 상기 단말 사이의 경로 손실 및 상기 인접 기지국의 빔 패턴에 기초하여 상기 신호 품질을 결정하는 통신 방법.
  16. 대상 기지국과 통신하는 단말에 있어서,
    프로세서; 및
    안테나
    를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 안테나를 이용하여, 단말의 주변에 위치한 인접 기지국들로 상기 단말의 존재를 알리는 신호를 송신하고,
    상기 인접 기지국들 중 적어도 하나가 상기 신호에 응답한 경우, 상기 신호에 응답한 인접 기지국인 후보 기지국과 통신할 때의 신호 품질을 결정하고,
    상기 결정된 신호 품질에 기초하여, 상기 후보 기지국을 상기 대상 기지국으로 결정하는 단말.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 안테나는,
    상기 결정된 대상 기지국으로 업링크 신호를 전송하는 경우, 상기 단말 및 상기 후보 기지국이 이루는 각도 및 미리 설정된 신호 품질 임계치에 기초하여 결정된 빔 너비를 이용하여 상기 업링크 신호를 전송하는 단말.
  18. 단말과 통신하는 기지국에 있어서,
    프로세서; 및
    안테나
    를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 단말의 존재를 알리는 신호를 수신하는 경우, 상기 수신된 신호에 기초하여 상기 단말 및 상기 기지국이 이루는 각도를 결정하고,
    상기 결정된 각도에 기초하여, 상기 단말과 통신할 때의 신호 품질을 결정하고,
    상기 결정된 신호 품질에 기초하여, 상기 수신된 신호에 응답할지 여부를 결정하고,
    상기 수신된 신호에 응답하는 경우, 상기 안테나를 이용하여 상기 수신된 신호에 응답하는 기지국.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 안테나는,
    상기 각도 및 신호 품질에 기초하여 결정된 빔 너비를 이용하여 상기 단말과 통신하는 기지국.
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