KR20210058485A - 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템 - Google Patents

해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템 Download PDF

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KR20210058485A
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신희철
백승재
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Abstract

해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템을 개시한다. 본 발명의 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템은 육상에 설치된 복수의 기지국 및 복수의 기지국과 연결되서 기저 대역 처리(baseband processing)를 수행하는 기저 대역 처리부를 포함하고, 기저 대역 처리부는, 복수의 기지국 중 해양을 지향하는 기지국과 프론트홀 링크(fronthaul link)로 연결되고, 프론트홀 링크로 연결된 기지국에 프론트홀 빔을 전송한다.

Description

해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템{Cooperative Base Station-Based Communications Network System for Ocean Long-Range Communications}
본 발명은 통신 네크워크 시스템에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템에 관한 것이다.
해양 통신 환경에서 다중 안테나(Multiple Antenna) 기술을 활용하고 있다. 다중 안테나를 활용하면 다중 경로화로 인하여 전송률이 증가될 수 있다. 또한, 다중 안테나를 활용한 정보 전송을 다중 경로화함으로써 페이딩을 극복할 수 있다.
다만, 안테나를 활용한 이득을 얻기 위해서는 안테나간 채널의 구별성(채널 패트릭스 순위)을 유지해야 한다. 특히, 해양 가시선(Line of Sight) 환경에서는 안테나간 거리가 충분히 떨어져야 한다.
해양 채널에서 다중 안테나 기술을 활용하기 위해서 여러 기지국을 활용하는 협력형 기지국 기반 다중 안테나 기술 개발의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.
특허문헌 1 : 한국등록특허 제10-1803030호 (공고일 : 2017.12.28) 특허문헌 2 : 한국등록특허 제10-1831618호 (공고일 : 2018.04.13) 특허문헌 3 : 한국등록특허 제10-2034961호 (공고일 : 2019.10.21) 특허문헌 4 : 한국공개특허 제10-2018-0123428호 (공개일 : 2018.11.16) 특허문헌 5 : 한국등록번호 제10-1660797호 (공고일 : 2016.09.28)
상기 필요성에 의해서 안출된 본 발명은 클라우드 라디오 접속 네트워크를 이용하여 여러 기지국을 다중 안테나로 활용할 수 있고, 복수의 기지국을 중앙 처리 장치에 연결하여 관리함으로서 베이스밴드 처리를 할 수 있고, 주파수 재활용을 최소화하여 기지국간 광범위한 협력을 가능하게 하고, 해안 설치된 기지국의 설치 위치의 이점을 살려서 프론트홀 옵션을 채용하여 높은 빔 이득을 얻을 수 있으며, 다양한 해상 부이 및 드론 기지국을 활용한 다중 경로화를 달성할 수 있는 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템은, 육상에 설치된 복수의 기지국; 및 상기 복수의 기지국과 연결되서 기저 대역 처리(baseband processing)를 수행하는 기저 대역 처리부;를 포함하고, 상기 기저 대역 처리부는, 상기 복수의 기지국 중 해양의 수신기와 멀티플렉싱에 의한 빔포밍을 형성하는 기지국과 프론트홀 링크(fronthaul link)로 연결되고, 상기 프론트홀 링크로 연결된 기지국에 프론트홀 빔을 전송한다.
이 경우에, 상기 복수의 기지국으로부터 신호를 수신하고, 수신된 신호를 원격의 수신 안테나로 송신하는 적어도 하나 이상의 해상 부이;를 더 포함한다.
한편, 상기 복수의 기지국으로부터 신호를 수신하고, 수신된 신호를 원격의 수신 안테나로 송신하는 적어도 하나 이상의 드론 기지국;을 더 포함한다.
한편, 상기 해상 부이 또는 상기 드론 기지국은, 상기 복수의 기지국과 상기 원격의 수신 안테나 사이의 통신 경로에서 참여하여 다중 경로를 제공한다.
한편, 상기 복수의 기지국 중에서 육지를 지향하는 기지국을 제외하고 해양을 지향하는 지지국으로 협력 기지국 네트워크를 구성한다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 지상에 설치된 복수의 기지국을 중앙 처리 장치에 연결하여 관리함으로써 베이스밴드 처리를 할 수 있고, 주파수 재활용을 최소화하여 기지국간 광범위한 협력을 가능하게 하고,
해안 설치된 기지국의 설치 위치의 이점을 살려서 프론트홀 옵션을 채용하여 높은 빔 이득을 얻을 수 있으며,
다양한 해상 부이 및 드론 기지국을 활용한 다중 경로화를 달성할 수 있는 효과를 발휘한다.
도 1은 다중 안테나 사이에 충분한 이격 거리를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템을 예시적으로 설명하는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 육상 기지국에서 해상 신호 수신처로 신호를 전달하는 과정을 예시적으로 설명하는 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 육상 기지국을 통해서 다중 경로를 통해서 신호 수신처로 신호를 전달하는 과정을 예시적으로 설명하는 도면, 그리고,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기지국과 기저 대역 처리의 세부 구조를 예시적으로 설명하는 도면.
이하에서 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 다중 안테나 사이에 충분한 이격 거리를 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참고하면, 제1 안테나(10-1)과 제2 안테나기지국(10-2) 사이의 거리를 D라고 가정한다. 제1 안테나(10-1)과 제2 안테나(10-2)는 신호 수신처(20)로부터 L 만큼 떨어져 있다고 가정한다. 이러한 상황에서 신호 수신처(20)는 제1 안테나(10-1)과 제2 안테나(10-2)를 구별하기 위해서 소정의 거리(D)만큼 이격되어야 한다.
Figure pat00001
수학식 1에서 Δ를
Figure pat00002
으로 치환하고,
Figure pat00003
라고 가정하면, 제1 안테나(10-1)와 제2 안테나(10-2) 사이의 거리(D)는
Figure pat00004
인 조건을 충족해야만 제1 안테나(10-1)와 제2 안테나(10-2)의 식별이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템을 예시적으로 설명하는 도면이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 통신 네트워크 시스템(100)은 복수의 기지국(110-1 내지 110-N)과 기저 대역 처리부(130)를 포함한다.
복수의 기지국(110-1 내지 110N)은 원격 무선 통신을 수행할 수 있다. 각 기지국(110)은 다중 안테나를 포함하고, 멀티플렉싱을 통해서 데이터율을 향상시키기 위한 빔포밍을 수행할 수 있다. 구체적으로 살펴보면, 기지국(110)별로 로컬 채널 정보(기지국과 해상 수신기 간의 채널 정보)를 활용해서 파워를 모은 뒤 선박을 향해서 빔포밍(beamforming)을 수행한다. 해당 기지국(110)은 고정된 빔포밍 상황에서 기저 대역 처리부(130)는 다중 기지국간에 멀티플렉싱에 의한 빔포밍을 수행하도록 제어함으로써, 효율적인 채널을 형성할 수 있다. 도 2에서 제1 기지국(110-1)과 제2 기지국(110-2)에 의해서 멀티플렉싱에 의한 빔포밍을 수행함으로써 선박(200)과 효율적인 채널(|a|, |b|)이 형성된다.
기지국(110)은 기저 대역 처리부(130)가 신호를 전송할 때, 전송기 또는 수신기의 역할을 할 수 있다. 기존의 기지국은 기저 대역 처리부(130)를 한 곳에 일처형으로 정보를 처리하고 전송했으나, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 기지국(110)에서 기저 대역 처리부(130)를 분리하고, 고속의 무선 전달 장치로 연결되는 구조일 수 있다.
기저 대역 처리부(130)는 해양 방향을 지향하는 기지국(110-2)과는 프론트홀 링크로 연결될 수 있다. 프론트홀 링크에서 기저 대역 처리부(130)는 통신 시스템에서 모듈식 설계, 고집적도, 낮은 전력 소모, 쉬운 전개의 장점을 가진다. 기저 대역 처리부(130)는 기저 대역 전송(Baseband Transmission)에 이용될 수 있다. 기저 대역 처리부(130)는 전송하려는 정보 또는 신호를 변조하여 반송파에 실어서 전송하는 것이 아니라 직접 전송하는 방식을 취할 수 있다.
즉, 정보 또는 신호를 주파수를 변경하지 않고 기저 대역 신호를 사용하여 전압이나 빛의 강도를 변환하여 전송 할 수 있다. 기저 대역 처리부(130)는 신호를 처리하는 채널 및 제어기를 포함할 수 있다. 기저 대역 처리부(130)는 해양 사용자 장비(MUEs)의 최소 전송률(minimum rate)을 최대화 하는 계산을 수행하는 계산부를 포함할 수 있다.
여기서 기저 대역 처리부(130)는 복수의 다중 안테나를 가진 기지국(110)을 통해, 복수의 다중 안테나 다운링크 업링크 해양 사용자 단말(MUEs)과 통신한다. 이러한 해양 사용자 장비(MUE)는 사용자 단말로 스마트폰, 스마트 패드, 테블릿 PC 등의 휴대 단말을 포함할 수 있고, 이에 한정되지 않고 다양한 통신 수단을 포함할 수 있다. 대역 외 프론트홀(fronthauling)은 기지국(110)과 기저 대역 처리부(130) 사이의 프론트홀 링크(fronthaul links)가 서로 다른 주파수 또는 기지국(110)과 기저 대역 처리부(130) 사이의 엑세스 링크로부터의 다른 시간 자원을 사용한다고 라고 가정한다.
다운 링크(downlink)와 업 링크(uplink)에서 기지국(110)의 클러스터를 통해 공동으로 간섭 관리하는 것을 가능하게 하기 위해, 기저 대역 처리부(130)는 기지국(110)과 베이스밴드 IQ 신호의 양자화된 버전으로 통신한다고 가정한다. MUEs의 다운링크와 업링크 최소 전송률을 최대화 하는 문제는 기저 대역 처리부(130), 시간당 기지국(110)과 시간당-업링크-해양 사용자 장비의 전력제한 조건에 달려있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 육상 기지국에서 해상 신호 수신처로 신호를 전달하는 과정을 예시적으로 설명하는 도면이다. 도 3을 참고하면, 복수의 기지국(110-1 내지 110-3)은 해안선을 따라 배치되어 있다. 복수의 기지국(110-1 내지 110-3)은 기저 대역 처리부(130)와 연결되어 있다. 기저 대역 처리부(130)의 기적 대역 처리를 실행한다. 기저 대역 처리부(130)는 네트워크를 통해서 수신한 신호를 복수의 기지국(110-1 내지 110-3)으로 무선으로 전송한다.
이때 복수의 기지국(110-1 내지 110-3) 중 해양 방향으로 지향하는 기지국(110-2)과 기저 대역 처리부(130)는 프론트홀 링크로 연결되어 있다. 기저 대역 처리부(130)는 프론트홀 빔을 생성하여 해당 기지국(110-2)으로 전송하고, 해당 기지국(110-2)은 프론트홀 빔을 수신한 뒤, 해상의 신호 수신처(200)로 신호를 전송한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 육상 기지국을 통해서 다중 경로를 통해서 신호 수신처로 신호를 전달하는 과정을 예시적으로 설명하는 도면이다. 도 4를 참고하면, 복수의 셀에서 기지국(110-1 내지 110-5) 중에서 해안선을 따라 해양을 지향하는 복수의 기지국(110-1, 110-4, 110-5)은 협력 기지국 네트워크를 형성한다.
기저 대역 처리부(130)는 복수의 기지국(110-1, 110-4, 110-5)과 연결된다. 기저 대역 처리부(130)는 제4 기지국(110-4)과는 프론트홀 링크를 형성하고, 프론트홀 빔을 생성하여 제4 기지국(110-4)으로 전송한다. 제4 기지국(110-4)은 빔포밍(beamforming), 복호화(decoding) 및 압축(Compression) 중 하나 이상의 과정을 통하여 신호를 신호 수신처(200-1)와 송수신한다.
또는 기저 대역 처리부(130)는 제1 기지국(110-1)을 통해서 신호를 제1 해상 부이(150-1)를 경유하여 신호 수신처(200-1)로 전송할 수 있다. 제1 해상 부이(150-1)에는 신호 송수신부를 구비하고 있으며, 제1 해상 부이(150-1)에 의해서 다중 경로를 제공한다.
또는 기저 대역 처리부(130)는 제5 기지국(110-5)을 통해서 전송 신호를 드론 기지국(170)에 전송하고, 드론 기지국(170)은 해상의 제2 해상 부이(150-2)로 신호를 전송하며, 제2 해상 부이(150-2)는 수신된 신호를 신호 수신처(200-2)로 전송한다.
본 발명에 따르면 해상 부이 또는 드론 기지국을 릴레이(Relay)로 활용하여 다중 경로화 함으로써, 다중 안테나 이득이 증가되는 효과를 발휘한다. 공간 다중화는 다수의 정보들을 레이어(layer)라고 불리는 다수의 송신 안테나들을 통해서 동시에 전송한다.
따라서, 단일 안테나 시스템에 비해 추가적인 대역폭이나 송신 전력 없이송신 안테나 개수에 비례하여 전송률이 향상된다. 이러한 다중 안테나는 다수의 분산 송신 노드 혹은 수신노드들이 협력하여 송수신을 수행하는 협력 무선 네트워크를 구성하도록 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기지국과 기저 대역 처리의 세부 구조를 예시적으로 설명하는 도면이다. 도 5를 참고하면, 기지국(110)은 수동 안테나를 구비하고, 기저 대여 처리부(130)와는 광섬유로 연결된다. 기지국(110)의 수동 안테나는 고이득 와이파이 안테나(High Gain WiFi Antenna)로써 전파 빔 폭이 좁은 방향 안테나(야기 안테나 또는 포물선 격자 안테나 등)이다. 방향의 좁은 빔 너비를 사용하는 것 외에도, 고이득 와이파이 안테나는 일반적으로 12-14dBi 이상의 이득을 가진다. 더 높은 이득을 좁은 초점 빔과 결합함으로써, 장거리 와이파이 통신을 달성할 수 있다.
한편, 클라우드 무선 접속망 구조에서 기저 대역 처리부(130)는 기지국(110) 사이의 IQ 신호(in-phase signal and quadrature signal)를 전송하기 위한 프로토콜로 산업 표준인 CPRI(Common Public Radio Interface)를 사용할 수 있다. 이때, CPRI 용량으로는 대용량 IQ 신호를 전송하는데 한계가 있고, 초고주파 대역의 광대역 통신과 대량 MIMO(multiple-input multiple-output) 기술 발전에 따라 그 한계가 심화될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 비일시적 저장매체(non-transitory computer readable media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시 예를 구현할 수 있다.
여기서 비일시적 판독 가능 기록매체란, 레지스터, 캐시(cache), 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라, 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로, 상술한 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리 카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독가능 기록매체에 저장되어 제공될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
10 : 송신 안테나
20, 200 : 신호 수신처
100 : 통신 네크워크 시스템
110 : 기지국
130 : 기저 대역 처리부
150 : 해상 부이
170 : 드론 기지국

Claims (5)

  1. 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템에 있어서,
    육상에 설치된 복수의 기지국; 및
    상기 복수의 기지국과 연결되서 기저 대역 처리(baseband processing)를 수행하는 기저 대역 처리부;를 포함하고,
    상기 기저 대역 처리부는, 상기 복수의 기지국 중 해양의 수신기와 멀티플렉싱에 의한 빔포밍을 형성하는 기지국과 프론트홀 링크(fronthaul link)로 연결되고, 상기 프론트홀 링크로 연결된 기지국에 프론트홀 빔을 전송하는 것을 특징으로 하는 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 기지국으로부터 신호를 수신하고, 수신된 신호를 원격의 수신 안테나로 송신하는 적어도 하나 이상의 해상 부이;를 더 포함하는 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 기지국으로부터 신호를 수신하고, 수신된 신호를 원격의 수신 안테나로 송신하는 적어도 하나 이상의 드론 기지국;을 더 포함하는 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 해상 부이 또는 상기 드론 기지국은, 상기 복수의 기지국과 상기 원격의 수신 안테나 사이의 통신 경로에서 참여하여 다중 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 기지국 중에서 육지를 지향하는 기지국을 제외하고 해양을 지향하는 지지국으로 협력 기지국 네트워크를 구성하는 것을 특징으로 하는 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템.
KR1020190146000A 2019-11-14 2019-11-14 해양 장거리 통신을 위한 협력 기지국 기반 통신 네트워크 시스템 KR20210058485A (ko)

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KR101660797B1 (ko) 2015-10-08 2016-09-28 가천대학교 산학협력단 클라우드 무선 접속망 시스템에서 가상 기지국 및 이의 상향 데이터 수신 방법
KR101803030B1 (ko) 2016-03-28 2017-12-28 한밭대학교 산학협력단 전이중 방식 무선 프론트홀을 가지는 c-ran 신호 전송방법
KR101831618B1 (ko) 2016-03-28 2018-04-13 한밭대학교 산학협력단 무선 프론트홀을 포함하는 c-ran 신호 전송 방법 및 시스템
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KR102034961B1 (ko) 2018-06-21 2019-10-21 한국과학기술원 C-ran 통신 시스템의 에너지 효율 향상을 위한 동적 rrh 선택 알고리즘

Patent Citations (5)

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