KR20180117749A - 수신 장치의 이동성 지원을 위한 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

수신 장치의 이동성 지원을 위한 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법 및 시스템이 제시된다. 일 측면에 따른 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법은 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 복수의 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계; 및 상기 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 추가로 서비스를 제공하게 되는 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치를 고려하여 전체적인 송신 빔을 형성하고, 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

수신 장치의 이동성 지원을 위한 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MULTI-ANTENNA TRANSMIT BEAMFORMING TO SERVE RECEIVER MOBILITY}
아래의 실시예들은 수신 장치의 이동성 지원을 위한 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법 및 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 하향링크 환경에서 이동성을 가진 다수의 수신 장치를 위한 송신 장치의 다중 안테나의 송신 빔 형성 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근 무선 통신 시스템에서 사용자가 요구하는 데이터의 양이 급격하게 증가하였으며, 앞으로도 계속해서 증가할 것으로 전망된다. 그러나 4세대 이동통신(4G mobile communication)에서 활용하는 주파수 대역은 이미 포화 상태에 다다른 상태이다. 그리고 기존의 통신 기법들만으로 계속해서 증가하고 있는 수요를 감당하기는 불가능에 가깝다고 볼 수 있다. 따라서 나날이 증가하는 무선 트래픽의 수요를 감당하기 위한 새로운 기술의 개발이 시급하다.
이 문제들을 해결하기 위해 30 ~ 300GHZ, 즉 밀리미터파(Millimeter Wave) 대역을 활용하는 연구에 대한 관심이 높아지고 있다. 밀리미터파(Millimeter Wave) 대역은 기존보다 더 넓은 범위의 주파수 대역을 사용하기 때문에 주파수 할당 문제를 해결할 수 있고 특성상 더 많은 수의 안테나를 사용할 수 있기 때문에 보다 큰 이득을 얻을 수 있기 때문이다.
차세대 밀리미터파 이동통신 시스템에서 고려하는 거대배열 다중 안테나(Massive Multiple-Input Multiple Output; Massive MIMO) 시스템은 수신 신호의 세기를 극대화시키고, 다른 송신 장치로부터 오는 간섭의 영향을 억제하기 위해 송수신 장치에 다수의 안테나를 집약적으로 사용하는 방식이다. 다수 안테나들의 집약적인 사용을 통해 높은 수신 전력 이득(power gain)을 얻을 수 있고 다른 송신 장치로부터 오는 간섭 신호를 제거할 수 있어 다중화 이득(multiplexing gain)을 얻을 수 있고 높은 전송률로 데이터를 송수신할 수 있다. 따라서 거대배열 다중 안테나(Massive MIMO) 시스템을 활용하는 경우 증가하고 있는 무선 트래픽을 크게 감소시키는 동시에 시스템의 성능을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.
종래의 다중 안테나 시스템은 송수신 안테나간 채널 추정이 어려우며, 제한된 빔 폭으로 인한 전송률 저하의 문제가 발생되었다. 다중 안테나를 가진 하나의 송신 장치가 다수의 사용자에게 동시에 서비스할 때 각 사용자들은 사용자간 간섭을 겪게 된다. 송수신 안테나간 채널 추정을 통해 채널 정보를 얻고 그 정보를 활용해 간섭을 미리 제거할 수 있는 빔을 설계하여 간섭 신호를 효율적으로 제어할 수 있다. 그러나 수신 장치가 비교적 빠른 속도로 움직이는 경우 송수신 안테나간 채널 추정이 부정확해지고 부정확한 정보를 통해 빔을 설계하여 신호 처리를 할 경우 간섭 신호가 효율적으로 제어되지 않는 문제가 발생하게 되고, 그로 인해 수신 전력 이득(power gain)이 감소하게 된다.
또한, 다중 안테나의 집약적인 사용은 수신 장치가 위치한 특정한 방향으로 신호를 집중적으로 송신할 수 있는 세밀 빔을 사용하기 때문에 높은 빔 형성 이득을 얻을 수 있고 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있는 기술이다. 그러나 세밀 빔이 극히 제한된 빔 폭을 가지기 때문에 수신 장치가 움직이는 경우에는 세밀 빔의 서비스 영역의 한계로 인해 접속 링크가 지속적으로 유지되지 못하고 결과적으로 데이터 전송률의 저하로 이어지게 된다.
한국등록특허 10-167617호는 이러한 송신 장치의 이동성 지원을 위한 수신 장치의 다중 안테나 3차원 빔 형성 시스템 및 방법에 관한 것으로, 상향링크 환경에서 이동성을 가진 하나의 송신 장치를 위한 수신 빔 형성 기술을 기재하고 있다.
이와 같은 상향링크 환경뿐 아니라 하향링크 환경에서 이동성을 가진 다수의 수신 장치를 위한 송신 빔 형성 기술이 필요하며, 기존에 비해 고정된 기지국, 고정된 다수의 사용자, 및 이동성을 가진 다수의 사용자가 혼재하는 복잡한 환경을 고려한 송신 빔 형성 기술이 요구된다.
실시예들은 수신 장치의 이동성 지원을 위한 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법 및 시스템에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 하향링크 환경에서 이동성을 가진 다수의 수신 장치를 위한 송신 장치의 다중 안테나의 송신 빔 형성 기술을 제공한다.
실시예들은 다중 안테나를 가진 하나의 송신 장치 및 여러 개의 고정된 수신 장치들과 이동성을 가진 수신 장치들이 혼재하는 다운링크 이동 통신 시스템에서 송신 장치가 일정 수준 이상의 데이터 전송률로 다수의 수신 장치에게 정보를 전송하기 위한 송신 빔 형성 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 실시예들은 이동성을 가지는 수신 장치를 지원하기 위해 송신 빔의 빔 폭과 각도를 제어하는 수신 장치의 이동성 지원을 위한 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
일 측면에 따른 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법은, 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 복수의 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계; 및 상기 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 추가로 서비스를 제공하게 되는 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치를 고려하여 전체적인 송신 빔을 형성하고, 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계는, 다운링크 이동 통신 환경에서 각각의 상기 복수의 수신 장치 및 상기 이동성을 가진 수신 장치가 일정 수준 이상의 데이터 전송률을 달성할 수 있도록 송신 빔의 빔 폭 또는 빔 각도를 고려하여 수신 장치간 간섭을 제어할 수 있다.
상기 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계는, 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 복수의 수신 장치 및 상기 이동성을 가진 수신 장치 중 적어도 어느 하나 이상의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 아웃티지 확률을 산정하는 단계는, 상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득을 계산하는 단계; 상기 서비스를 제공 받는 상기 복수의 수신 장치들을 향하는 송신 빔이 상기 이동성을 가진 수신 장치에 간섭으로 작용하는 경우, 상기 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 계산하는 단계; 및 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 간섭 빔의 이득을 고려하여, 상기 이동성을 가진 수신 장치의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 아웃티지 확률을 산정하는 단계는, 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 상기 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 고려하여, 각각의 상기 복수의 수신 장치의 아웃티지 확률을 산정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 간섭 빔의 이득은, 상기 송신 장치를 기준으로 송신 빔의 스캔 각도(scan angle)와 실제 송신 빔의 도래각(angle of arrival)이 이루는 각도를 고려하여 계산될 수 있다.
상기 아웃티지 확률을 산정하는 단계는, 임의의 빔 폭을 특정 값으로 설정하는 단계; 상기 임의의 빔 폭이 설정된 특정 값일 때의 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle) 값을 구하는 단계; 및 상기 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle) 값에 대한 상기 복수의 수신 장치 또는 상기 이동성을 가진 수신 장치에 대한 상기 아웃티지 확률을 계산하여 상기 이동성을 가진 수신 장치의 상기 송신 빔의 빔 폭을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 측면에 따른 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 시스템은, 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 복수의 수신 장치에 서비스를 제공하며, 상기 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 추가로 서비스를 제공하게 되는 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치를 고려하여 전체적인 송신 빔을 형성하고, 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공하는 빔 포밍부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 빔 포밍부는, 다운링크 이동 통신 환경에서 각각의 상기 복수의 수신 장치 및 상기 이동성을 가진 수신 장치가 일정 수준 이상의 데이터 전송률을 달성할 수 있도록 송신 빔의 빔 폭 또는 빔 각도를 고려하여 수신 장치간 간섭을 제어할 수 있다.
여기에서, 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 복수의 수신 장치 및 상기 이동성을 가진 수신 장치 중 적어도 어느 하나 이상의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정하는 아웃티지 확률 산정부를 더 포함할 수 있다.
상기 아웃티지 확률 산정부는, 상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득을 계산하는 송신 빔 이득 산정부; 기 서비스를 제공 받는 상기 복수의 수신 장치들을 향하는 송신 빔이 상기 이동성을 가진 수신 장치에 간섭으로 작용하는 경우, 상기 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 계산하는 간섭 빔 이득 산정부; 및 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 간섭 빔의 이득을 고려하여, 상기 이동성을 가진 수신 장치의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정하는 수신 장치 확률 산정부를 포함할 수 있다.
상기 수신 장치 확률 산정부는, 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 상기 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 고려하여, 각각의 상기 복수의 수신 장치의 아웃티지 확률을 산정할 수 있다.
상기 송신 빔의 이득 산정부 및 상기 간섭 빔 이득 산정부는, 상기 송신 장치를 기준으로 송신 빔의 스캔 각도(scan angle)와 실제 송신 빔의 도래각(angle of arrival)이 이루는 각도를 고려하여 계산될 수 있다.
상기 수신 장치 확률 산정부는, 임의의 빔 폭을 특정 값으로 설정하고, 상기 임의의 빔 폭이 설정된 특정 값일 때의 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle) 값을 구하며, 상기 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle) 값에 대한 상기 복수의 수신 장치 또는 상기 이동성을 가진 수신 장치에 대한 상기 아웃티지 확률을 계산하여 상기 이동성을 가진 수신 장치의 상기 송신 빔의 빔 폭을 설정할 수 있다.
실시예들에 따르면 다중 안테나를 가진 하나의 송신 장치 및 여러 개의 고정된 수신 장치들과 이동성을 가진 수신 장치들이 혼재하는 다운링크 이동 통신 시스템에서 송신 장치가 일정 수준 이상의 데이터 전송률로 다수의 수신 장치에게 정보를 전송하기 위한 송신 빔 형성 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 이동성을 가지는 수신 장치를 지원하기 위해 송신 빔의 빔 폭과 각도를 제어하는 수신 장치의 이동성 지원을 위한 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 이동 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 수신 장치 확률 산정 방법을 설명하기 위한 흐름도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 시스템을 설명하는 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 이동성을 가진 수신 장치의 평균 도래각 및 속도에 관한 함수를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
아래의 실시예들은 다중 안테나를 가진 하나의 송신 장치 및 여러 개의 고정된 수신 장치들과 이동성을 가진 수신 장치들이 혼재하는 다운링크 이동 통신 시스템에서 송신 장치가 일정 수준 이상의 데이터 전송률로 다수의 수신 장치에게 정보를 전송하기 위한 송신 빔 형성 기술을 제공할 수 있다. 특히 이동성을 가지는 수신 장치를 지원하기 위해 송신 빔의 빔 폭과 각도를 제어하는 빔 형성 기술을 제공할 수 있다.
기존에는 고정된 수신 장치(사용자 단말)들을 위한 프리코딩 기술을 제공하는 반면, 본 실시예에 따르면 고정된 송신 장치(기지국)와 고정된 수신 장치(사용자 단말)와 움직이는 수신 장치(사용자 단말)가 혼재하는 복잡한 환경에서 활용할 수 있는 프리코딩 기술을 제공할 수 있다.
이하, 설명의 편의상 본 발명의 실시예들에서는 일 예로 하향링크 이동 통신 상황을 가정하며, 신호 송신 장치는 기지국(Base Station; BS)을 포함할 수 있고 간단히 송신 장치라 하며, 신호 수신 장치는 사용자 단말(User Equipment; UE)을 포함할 수 있고 간단히 수신 장치라 할 수 있다.
본 실시예에서 제안하는 간섭 제어 장치 및 방법은 밀리미터파 이동 통신 시스템과, 거대배열 다중 안테나 이동 통신 시스템과, 롱텀 에볼루션(long term evolution: LTE, 이하 'LTE'라 칭하기로 한다) 이동 통신 시스템과, 롱텀 에볼루션-어드밴스드(long term evolution advanced; LTE-A, 이하 'LTE-A'라 칭하기로 한다) 이동 통신 시스템과, 고속 하향 링크 패킷 접속(high speed downlink packet access; HSDPA, 이하 'HSDPA'라 칭하기로 한다) 이동 통신 시스템과, 고속 상향 링크 패킷 접속(high speed uplink packet access; HSUPA, 이하 'HSUPA'라 칭하기로 한다) 이동 통신 시스템과, 3세대 프로젝트 파트너쉽 2(3rd generation project partnership 2; 3GPP2, 이하 '3GPP2'라 칭하기로 한다)의 고속 레이트 패킷 데이터(high rate packet data; HRPD, 이하 'HRPD'라 칭하기로 한다) 이동 통신 시스템과, 3GPP2의 광대역 부호 분할 다중 접속(WCDMA; Wideband Code Division Multiple Access, 이하 'WCDMA'라 칭하기로 한다) 이동 통신 시스템과, 3GPP2의 부호 분할 다중 접속(CDMA; Code Division Multiple Access, 이하 'CDMA'라 칭하기로 한다) 이동 통신 시스템과, 국제 전기 전자 기술자 협회(Institute of Electrical and Electronics Engineers; IEEE, 이하 'IEEE'라 칭하기로 한다)의 이동 통신 시스템과 같은 다양한 이동 통신 시스템들에 적용될 수도 있음은 물론이다.
아래에서는 하나의 송신 장치와 복수의 수신 장치가 존재하는 다운링크 환경을 고려한다. 송신 장치는 복수의 안테나를 가지며, 복수의 안테나를 가진 송신 장치가 복수의 고정된 수신 장치들에게 서비스를 제공할 수 있다. 그리고 복수의 안테나를 가진 송신 장치는 이동성을 가진 복수의 수신 장치들을 서비스할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 이동 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 이동 통신 시스템(100)은 하나의 기지국(Base Station; BS)에 대해 다수의 사용자 단말(User Equipment; UE)이 존재할 수 있으며, 기지국은 다중 송신 안테나의 전체 또는 일부를 활용하여 송신 빔을 형성하고 이 송신 빔을 이용하여 사용자 단말에 데이터를 송신할 수 있다. 본 실시예에서는 하나의 기지국에 대해 K 개의 사용자 단말이 존재하는 환경을 고려한다. 여기에서 기지국은 송신 장치(110)가 되고 사용자 단말은 수신 장치(120)가 될 수 있다.
다시 말하면, 본 실시예에서 무선 이동 통신 시스템(100)은 하나의 송신 장치(110) 및 K 개의 수신 장치(120)가 존재하는 다운링크 환경을 고려한 시스템을 제공할 수 있다. 송신 장치(110)는 NBS 개의 안테나를 가지며, 송신 장치(110)가 여러 개의 고정된 수신 장치들(121, 122)에 서비스를 제공한 상태이다. 그리고 송신 장치(110)가 추가적으로 여러 개의 이동성을 가진 수신 장치(123)를 서비스를 제공하려고 하는 상황이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 세밀 빔을 가진 여러 개의 고정된 수신 장치들(121, 122)이 이미 다중 안테나를 가진 송신 장치(110)로부터 서비스를 받고 있을 때, 추가로 하나의 이동성을 가진 수신 장치(123)를 고려하여 전체적인 송신 빔을 형성하는 것이다. 이 때, 고려해야 할 사항은 각각의 수신 장치(120)가 일정 수준 이상의 데이터 전송률을 달성할 수 있도록 송신 빔의 빔 폭이나 빔 각도 등을 고려하여 수신 장치간 간섭을 제어하는 것이다. 여기에서 세밀 빔(narrow beam)은 수신 장치가 위치한 특정한 방향으로 신호를 집중적으로 송신 또는 수신할 수 있다.
본 발명에서 수신 빔은 수신 장치가 위치한 특정한 방향으로 신호를 집중적으로 송신할 수 있는 세밀 빔으로 가정하고, 송신 빔은 평평한 빔 이득(flat beam gain)을 가지는 빔으로 설계 가능하다고 가정하며, 이동성을 갖는 수신 장치를 위한 송신 빔의 빔 폭과 각도를 제어하는 빔 형성 기술을 제공할 수 있다.
도 1에서는, 일례로 2개의 고정된 수신 장치들(121, 122) 및 1개의 이동성을 가진 수신 장치(123), 즉 총 3개의 수신 장치(120)가 있는 환경에 대해 설명하였으나, 수신 장치(120)가 여러 개인 일반적인 다운링크 환경에서도 동일하게 적용 가능하다.
도 2는 일 실시예에 따른 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법을 설명하는 흐름도이다. 그리고 도 3은 일 실시예에 따른 수신 장치 확률 산정 방법을 설명하기 위한 흐름도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법은 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 복수의 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계(210) 및 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 추가로 서비스를 제공하게 되는 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치를 고려하여 전체적인 송신 빔을 형성하고, 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계(220)를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 3을 참조하면, 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계(220)는 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 복수의 수신 장치 및 이동성을 가진 수신 장치 중 적어도 어느 하나 이상의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정하는 단계를 포함할 수 있다.
더 구체적으로 아웃티지 확률을 산정하는 단계는, 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득을 계산하는 단계(221), 서비스를 제공 받는 복수의 수신 장치들을 향하는 송신 빔이 이동성을 가진 수신 장치에 간섭으로 작용하는 경우, 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 계산하는 단계(222), 및 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 간섭 빔의 이득을 고려하여, 이동성을 가진 수신 장치의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정하는 단계(223)를 포함할 수 있다.
더욱이, 아웃티지 확률을 산정하는 단계는, 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 고려하여, 각각의 복수의 수신 장치의 아웃티지 확률을 산정하는 단계(224)를 더 포함할 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법의 각 단계를 하나의 예를 들어 더 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 일 실시예에 따른 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 시스템을 설명하는 블록도이다.
도 2 및 도 3에서 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법의 각 단계는 도 4의 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 시스템의 구성요소에 의해 수행될 수 있다. 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 시스템(400)은 빔 포밍부(410) 및 아웃티지 확률 산정부(420)를 포함하여 이루어질 수 있다.
단계(210)에서, 빔 포밍부(410)는 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 복수의 수신 장치에 서비스를 제공할 수 있다.
그리고 단계(220)에서, 빔 포밍부(410)는 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 추가로 서비스를 제공하게 되는 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치를 고려하여 전체적인 송신 빔을 형성하고, 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공할 수 있다.
빔 포밍부(410)는 다운링크 이동 통신 환경에서 각각의 복수의 수신 장치 및 이동성을 가진 수신 장치가 일정 수준 이상의 데이터 전송률을 달성할 수 있도록 송신 빔의 빔 폭 또는 빔 각도를 고려하여 수신 장치간 간섭을 제어할 수 있다.
그리고, 아웃티지 확률 산정부(420)는 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 복수의 수신 장치 및 이동성을 가진 수신 장치 중 적어도 어느 하나 이상의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정할 수 있다.
아웃티지 확률 산정부(420)는 아웃티지 확률을 산정하기 위해 임의의 빔 폭을 특정 값으로 설정하고, 임의의 빔 폭이 설정된 특정 값일 때의 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle) 값을 구하며, 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle) 값에 대한 복수의 수신 장치 또는 이동성을 가진 수신 장치에 대한 아웃티지 확률을 계산하여 이동성을 가진 수신 장치의 송신 빔의 빔 폭을 설정할 수 있다.
여기에서 아웃티지 확률 산정부(420)는 송신 빔 이득 산정부(421), 간섭 빔 이득 산정부(422) 및 수신 장치 확률 산정부(423)를 포함하여 이루어질 수 있다.
단계(221)에서, 송신 빔 이득 산정부(421)는 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득을 계산할 수 있다. 이 때, 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득은 송신 장치를 기준으로 송신 빔의 스캔 각도(scan angle)와 실제 송신 빔의 도래각(angle of arrival)이 이루는 각도를 고려하여 계산될 수 있다.
단계(222)에서, 간섭 빔 이득 산정부(422)는 서비스를 제공 받는 복수의 수신 장치들을 향하는 송신 빔이 이동성을 가진 수신 장치에 간섭으로 작용하는 경우, 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 계산할 수 있다. 이 때, 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 간섭 빔의 이득은 송신 장치를 기준으로 송신 빔의 스캔 각도(scan angle)와 실제 송신 빔의 도래각(angle of arrival)이 이루는 각도를 고려하여 계산될 수 있다.
단계(223)에서, 수신 장치 확률 산정부(423)는 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 간섭 빔의 이득을 고려하여, 이동성을 가진 수신 장치의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정할 수 있다.
더욱이, 단계(224)에서 수신 장치 확률 산정부(423)는 수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 고려하여, 각각의 복수의 수신 장치의 아웃티지 확률을 산정할 수 있다.
아래에서는 수학식 1 내지 수학식 11을 참고하여 일 실시예에 따른 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
앞에서 설명한 도 1과 같은 환경에서, 아웃티지 확률 산정부(420)의 송신 빔 이득 산정부(421)는 이동성을 가진 수신 장치의 측면에서 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔(desired beam of Rx 3)의 이득을 계산할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기에서 송신 빔이 평평한 빔 이득을 가진다고 가정하였기 때문에 주 로브(main lobe)의 빔 이득
Figure pat00002
과 사이드 로브(side lobe)의 빔 이득
Figure pat00003
은 위와 같이 각각 일정한 값을 가질 수 있다. 이 때,
Figure pat00004
는 송신 장치의 안테나 수를 나타내며,
Figure pat00005
는 빔 폭을 나타내고,
Figure pat00006
는 송신 장치를 기준으로 빔의 스캔 각도
Figure pat00007
(scan angle)와 실제 빔의 도래각
Figure pat00008
(angle of arrival)이 이루는 각도를 나타낼 수 있다.
그리고 아웃티지 확률 산정부(420)의 간섭 빔 이득 산정부(422)는 수신 장치 i를 향하는 송신 빔이 이동성을 가진 수신 장치에 간섭으로 작용하는 경우, 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔(interference beam of Rx 3)의 이득을 계산할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00009
송신 빔이 평평한 빔 이득을 가진다고 가정하였기 때문에 간섭 빔에서 주 로브(main lobe)의 빔 이득은
Figure pat00010
이고, 사이드 로브(side lobe)의 빔 이득은
Figure pat00011
로 나타낼 수 있다. 그리고
Figure pat00012
는 수신 장치 i를 향하는 송신 빔의 폭이고,
Figure pat00013
는 수신 장치 i를 향하는 송신 빔의 스캔 각도(scan angle)를 나타낼 수 있다. 여기에서 수신 장치 i는 예컨대 수신 장치 1 및 수신 장치 2가 될 수 있으며, 수신 장치 1은 제1 고정된 수신 장치를 의미할 수 있고, 수신 장치 2는 제2 고정된 수신 장치를 의미할 수 있다.
아웃티지 확률 산정부(420)의 수신 장치 확률 산정부(423)는 각각의 수신 장치가 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 판단하는 기준은 아웃티지 확률(outage probability)로 정할 수 있다. 일반적으로 기존 수신 장치가 K 개일 때 추가되는 이동성을 가진 수신 장치의 아웃티지 확률은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00014
[수학식 4]
Figure pat00015
위의 내용을 바탕으로 이동성을 가진 수신 장치에 대해 아웃티지 확률을 계산하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00016
이 때,
Figure pat00017
는 각각의 수신 장치가 주 로브(main lobe)에 속하는지 사이드 로브(side lobe)에 속하는지를 고려하여 계산한 확률 값으로 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00018
여기에서, a, b, c 및 d는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
도 5는 일 실시예에 따른 이동성을 가진 수신 장치의 평균 도래각 및 속도에 관한 함수를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 이동성을 가진 수신 장치의 도래각(angle of arrival)이 일정한 분포(uniform distribution)를 가진다고 가정했을 때,
Figure pat00020
는 이동성을 가진 수신 장치의 평균 도래각(angle of arrival)을 의미하고,
Figure pat00021
는 이동성을 가진 수신 장치의 확산 각도(angular spread)를 의미하는 것으로
Figure pat00022
는 이동성을 가진 수신 장치의 속도에 관한 함수를 나타낼 수 있다.
위의 과정과 마찬가지로 제1 고정된 수신 장치 및 제2 고정된 수신 장치의 아웃티지 확률을 구해보면 다음 식과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00023
[수학식 9]
Figure pat00024
[수학식 10]
Figure pat00025
이 때,
Figure pat00026
와
Figure pat00027
는 각각 수신 장치 i를 향하는 송신 빔의 평균 도래각(angle of arrival)과 확산 각도가 될 수 있다.
본 실시예의 목표가 두 개의 고정된 수신 장치로의 서비스를 일정 수준 이상으로 유지하면서 새로운 수신 장치를 추가로 서비스하는 것이므로, 측정 기준을 아웃티지 확률로 정하면 문제를 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00028
여기에서 아웃티지 확률
Figure pat00029
모두 빔의 스캔 각도(scan angle)
Figure pat00030
에 대한 1차 함수이기 때문에 표 1의 알고리즘 1에 설명된 방법으로 문제를 해결할 수 있다.
Figure pat00031
를 특정한 값으로 지정한 뒤, 빔 폭이 특정한 값
Figure pat00032
일 때 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle)
Figure pat00033
값을 찾아내고, 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle)
Figure pat00034
값에 대한 이동성을 가진 수신 장치에 대해 아웃티지 확률
Figure pat00035
을 계산하여 빔 폭
Figure pat00036
를 1차원 상에서 찾아내는 방식으로 해결할 수 있다.
[표 1]
Figure pat00037
이와 같이, 실시예들에 따르면 다중 안테나를 가진 하나의 송신 장치 및 여러 개의 고정된 수신 장치들과 이동성을 가진 수신 장치들이 혼재하는 다운링크 이동 통신 시스템에서 송신 장치가 일정 수준 이상의 데이터 전송률로 다수의 수신 장치에게 정보를 전송하기 위한 송신 빔 형성 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 이동성을 가지는 수신 장치를 지원하기 위해 송신 빔의 빔 폭과 각도를 제어하는 수신 장치의 이동성 지원을 위한 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법 및 시스템을 제공할 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, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable 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 컨트롤러를 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 장치에 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.
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.

Claims (14)

  1. 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 복수의 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계; 및
    상기 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 추가로 서비스를 제공하게 되는 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치를 고려하여 전체적인 송신 빔을 형성하고, 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계
    를 포함하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계는,
    다운링크 이동 통신 환경에서 각각의 상기 복수의 수신 장치 및 상기 이동성을 가진 수신 장치가 일정 수준 이상의 데이터 전송률을 달성할 수 있도록 송신 빔의 빔 폭 또는 빔 각도를 고려하여 수신 장치간 간섭을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공하는 단계는,
    수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 복수의 수신 장치 및 상기 이동성을 가진 수신 장치 중 적어도 어느 하나 이상의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정하는 단계
    를 포함하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 아웃티지 확률을 산정하는 단계는,
    상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득을 계산하는 단계;
    기 서비스를 제공 받는 상기 복수의 수신 장치들을 향하는 송신 빔이 상기 이동성을 가진 수신 장치에 간섭으로 작용하는 경우, 상기 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 계산하는 단계; 및
    수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 간섭 빔의 이득을 고려하여, 상기 이동성을 가진 수신 장치의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정하는 단계
    를 포함하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 아웃티지 확률을 산정하는 단계는,
    수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 상기 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 고려하여, 각각의 상기 복수의 수신 장치의 아웃티지 확률을 산정하는 단계
    를 더 포함하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 간섭 빔의 이득은,
    상기 송신 장치를 기준으로 송신 빔의 스캔 각도(scan angle)와 실제 송신 빔의 도래각(angle of arrival)이 이루는 각도를 고려하여 계산되는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 아웃티지 확률을 산정하는 단계는,
    임의의 빔 폭을 특정 값으로 설정하는 단계;
    상기 임의의 빔 폭이 설정된 특정 값일 때의 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle) 값을 구하는 단계; 및
    상기 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle) 값에 대한 상기 복수의 수신 장치 또는 상기 이동성을 가진 수신 장치에 대한 상기 아웃티지 확률을 계산하여 상기 이동성을 가진 수신 장치의 상기 송신 빔의 빔 폭을 설정하는 단계
    를 포함하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 방법.
  8. 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 복수의 수신 장치에 서비스를 제공하며, 상기 다중 안테나를 가진 송신 장치에서 추가로 서비스를 제공하게 되는 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치를 고려하여 전체적인 송신 빔을 형성하고, 적어도 하나 이상의 이동성을 가진 수신 장치에 서비스를 제공하는 빔 포밍부
    를 포함하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 빔 포밍부는,
    다운링크 이동 통신 환경에서 각각의 상기 복수의 수신 장치 및 상기 이동성을 가진 수신 장치가 일정 수준 이상의 데이터 전송률을 달성할 수 있도록 송신 빔의 빔 폭 또는 빔 각도를 고려하여 수신 장치간 간섭을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 복수의 수신 장치 및 상기 이동성을 가진 수신 장치 중 적어도 어느 하나 이상의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정하는 아웃티지 확률 산정부
    를 더 포함하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 아웃티지 확률 산정부는,
    상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득을 계산하는 송신 빔 이득 산정부;
    기 서비스를 제공 받는 상기 복수의 수신 장치들을 향하는 송신 빔이 상기 이동성을 가진 수신 장치에 간섭으로 작용하는 경우, 상기 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 계산하는 간섭 빔 이득 산정부; 및
    수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 간섭 빔의 이득을 고려하여, 상기 이동성을 가진 수신 장치의 아웃티지 확률(outage probability)을 산정하는 수신 장치 확률 산정부
    를 포함하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수신 장치 확률 산정부는,
    수신 장치에서 일정 수준 이상의 서비스를 받고 있는지 여부를 판단하기 위해 상기 이동성을 가진 수신 장치로 향하는 송신 빔의 이득 및 상기 이동성을 가진 수신 장치가 받는 간섭 빔의 이득을 고려하여, 각각의 상기 복수의 수신 장치의 아웃티지 확률을 산정하는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 송신 빔의 이득 산정부 및 상기 간섭 빔 이득 산정부는,
    상기 송신 장치를 기준으로 송신 빔의 스캔 각도(scan angle)와 실제 송신 빔의 도래각(angle of arrival)이 이루는 각도를 고려하여 계산되는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치의 다중 안테나 빔 형성 시스템.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 수신 장치 확률 산정부는,
    임의의 빔 폭을 특정 값으로 설정하고, 상기 임의의 빔 폭이 설정된 특정 값일 때의 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle) 값을 구하며, 상기 최적의 빔의 스캔 각도(scan angle) 값에 대한 상기 복수의 수신 장치 또는 상기 이동성을 가진 수신 장치에 대한 상기 아웃티지 확률을 계산하여 상기 이동성을 가진 수신 장치의 상기 송신 빔의 빔 폭을 설정하는 것
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Batu K. et al.; Robust Downlink Beamforming Based on Outage Probability Specifications; IEEE Transactions on Wireless Communications, VOL. 6, No. 10, October 2007* *
Dau-Chyrh Chang et al.; Smart Antennas for Advanced Communication Systems; Proceedings of the IEEE(Volume: 100 , Issue: 7 , July 2012) Page(s): 2233 - 2249; Date of Publication: 19 March 2012* *

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