WO2014021633A1 - 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 이용한 통신 방법 및 장치 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 빔포밍을 이용한 통신 방법 및 장치 Download PDF

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WO2014021633A1
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설지윤
김태영
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    • H04L1/0023—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff characterised by the signalling
    • H04L1/0026—Transmission of channel quality indication

Definitions

  • the present invention relates to the transmission and reception of signals in a communication system, and more particularly, to a method and apparatus for transmitting and receiving signals through a plurality of beams in a beamforming based wireless mobile communication system.
  • Wireless communication systems have evolved towards supporting higher data rates in order to meet ever-increasing demands for wireless data traffic.
  • Existing wireless communication systems have pursued technology development mainly to improve spectral efficiency for increasing data rate.
  • this frequency efficiency improvement technology alone can explode the demand for wireless data traffic. It became difficult to satisfy.
  • One way to solve this problem is to use a very wide frequency band, because it is very difficult to secure a wide frequency band at a frequency band below 10 GHz used in conventional mobile cellular systems. There is a need to secure such broadband frequencies.
  • the propagation path loss increases. This results in a relatively short wave propagation resulting in a reduction in coverage.
  • mitigating propagation path loss and increasing propagation distance of radio waves is a beamforming technique.
  • Beamforming may be classified into transmit beamforming performed by a transmitting end and receive beamforming performed by a receiving end.
  • Transmission beamforming generally uses multiple antennas to increase directivity by concentrating signals transmitted from each antenna in a specific direction (ie, space).
  • An arrangement of a plurality of antennas is referred to as an array antenna, and an antenna included in the array antenna will be referred to as an antenna element or an array element.
  • the antenna array may be configured in various forms such as a linear array and a planar array.
  • the use of transmit beamforming has the advantage of increasing the directivity of the signal by increasing the directivity of the signal, and also has the advantage that the interference to other users is greatly reduced because the signal is rarely transmitted in a direction other than a specific direction.
  • Receive beamforming may also be performed by the receiving side antenna using the receiving array antenna. Receive beamforming concentrates the reception of radio waves in a specific direction to increase the sensitivity of the received signal coming in the specific direction and blocks the interference signal by excluding the signal coming in the other direction.
  • the array antenna may be configured with more antennas within the same area. That is, the communication system operating in the ultra-high frequency band is advantageous to apply the beamforming technique because it can obtain a relatively higher antenna gain than using the beamforming technique in the low frequency band.
  • Beamforming technology maximizes beamforming gains to optimize performance indexes such as the Signal to Noise Ratio (SNR), but reduces multipath propagation to reduce diversity. There is a limit not to gain.
  • performance sensitivity to beamforming may occur due to mobility of a terminal, channel conditions, and beam information inconsistency due to a delay from measurement / selection to beam to actual allocation.
  • the present invention provides a method and apparatus for transmitting and receiving information in a communication system.
  • the present invention provides a method and apparatus for superimposing a plurality of beams in a wireless communication system using beamforming.
  • the present invention relates to a method and apparatus for superpositioning beams in multiple directions adjacent to each other in a beamforming based wireless mobile communication system operated using beams having specific beam characteristics as basic units.
  • the present invention provides a method and apparatus for operating a single overlapping beam by overlapping multiple beams in a hybrid beamforming structure consisting of a combination of analog and digital beamforming.
  • the present invention provides a method and apparatus for overlapping a plurality of beams on the basis of an estimation of a user's mobility and a change in channel conditions in a beamforming based wireless mobile communication system.
  • Method In a signal transmission method using beamforming in a wireless communication system, whether to enable a beam overlapping mode using an overlapping beam that overlaps a plurality of unit beams of a first node according to a predetermined trigger condition and a channel situation of a second node Determining whether or not to enable the beam overlapping mode; selecting one or more optimal beams among a plurality of unit beams; and selecting the optimal beams for the second node through the selected optimal beams. Transmitting a signal, and if it is determined that the beam overlapping mode is to be enabled, adjusting a beamforming unit of the first node to form an overlapping beam overlapping a plurality of unit beams; Transmitting a signal for the second node.
  • Apparatus In a signal transmission apparatus using beamforming in a wireless communication system, whether to enable a beam overlapping mode using an overlapping beam that overlaps a plurality of unit beams of a first node according to a predetermined trigger condition and a channel situation of a second node If it is determined whether or not to enable the beam overlapping mode, selects one or more optimal beams among a plurality of unit beams, and if it is determined to enable the beam overlapping mode, the beamforming coefficients And a beamforming controller for controlling the signals, and transmitting or receiving a signal for the terminal through the selected optimal beam under the control of the beamforming controller, and forming an overlapping beam overlapping a plurality of unit beams according to the beamforming coefficients. And a beamforming unit configured to transmit a signal for the second node through the overlapping beam.
  • a signal receiving method using beamforming in a wireless communication system comprising: a first node using an overlapping beam overlapping a plurality of unit beams of a first node according to a predetermined trigger condition and a channel condition measured by a second node Determining whether to enable the beam superimposition mode of the method; and if it is determined that the beam superimposition mode is not enabled, measure channel qualities of a plurality of unit beams of the first node, and measure the channel quality. Selecting one or more optimum beams, reporting first channel quality information (CQI) indicating channel quality measurement values for the selected optimal beams to the first node, and performing the beam overlapping mode. If it is determined to enable, estimating an integrated channel quality measurement for a predetermined number of adjacent unit beams; The quality of the second channel representing the integrated channel quality measurement information (CQI) includes the step of reporting to the first node
  • CQI channel quality information
  • a signal receiving apparatus using beamforming in a wireless communication system the first node using an overlapping beam overlapping a plurality of unit beams of a first node according to a predetermined trigger condition and a channel condition measured by a second node. Determine whether to enable the beam overlapping mode of the device; and if it is determined that the beam overlapping mode is not to be enabled, measure channel qualities of a plurality of unit beams of the first node, and based on the channel quality measurements.
  • a beamforming controller for selecting one or more optimal beams and estimating integrated channel quality measurements for a predetermined number of adjacent unit beams when it is determined that the beam overlapping mode is enabled; Reporting first channel quality information (CQI) indicating a channel quality measurement to the first node, and transmitting the first channel quality information CQI to the adjacent unit beams.
  • CQI channel quality information
  • a second channel quality information (CQI) indicating a sum channel quality measurement to a transmitter, which reports to the first node.
  • FIG. 1 illustrates a beamforming based signal transmission / reception scenario according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a base station transmitter end physical layer (PHY) for supporting beamforming according to an embodiment of the present invention.
  • PHY base station transmitter end physical layer
  • FIG 3 illustrates an example of a scenario of communication between a base station and a terminal based on beamforming according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates an example of beam patterns for overlapping beams according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows an example of a frame structure for transmitting a reference signal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an operation of a base station operating a beam overlapping mode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an operation of a terminal operating a beam overlapping mode according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9A and 9B illustrates an example of a transmit / receive beamforming structure according to an embodiment of the present invention.
  • 10 and 11 illustrate beam patterns of overlapping beams in which two beams adjacent to each other and three beams adjacent to each other overlap with each other according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 12A and 12B is a flowchart illustrating an operation of a terminal operating a beam overlapping mode according to another embodiment of the present invention.
  • Narrow beams of the basic unit may overlap in multiple adjacent directions based on the estimation of the mobility characteristics of the user and the change of channel conditions.
  • a hybrid beamforming structure consisting of a combination of analog and digital beamforming
  • a plurality of adjacent unit beams having specific beam characteristics are superimposed to transmit and receive an actual signal.
  • the unit beam may be referred to as a narrow beam in that the unit beam has a relatively narrow beam width compared to the overlapped beams.
  • the superimposed beam becomes a wide beam or broad beam, having a relatively wide beam width compared to the unit beam.
  • WiGig WiGig
  • MIMO multiple input multiple output
  • RF Radio Frequency
  • outdoor wireless mobile communication which has a mobility of several tens of km / h, a rapid turn of the terminal, or a sudden change of channel conditions due to non-Loss (NLoS) path characteristics or channel fading due to obstacles
  • NNLoS non-Loss
  • the present invention in a beamforming-based wireless mobile communication system which operates a plurality of unit beams having a relatively narrow beam width, adjacent unit beams are overlapped according to a given beam overlap condition to operate as one wide beam.
  • the present invention uses unit beams having the same beam characteristics, so that the stability of beamforming without increasing the complexity of beamforming and transmission and reception of a reference signal is increased. Can improve.
  • the communication nodes may be, for example, a base station and a terminal.
  • the base station 100 has a service area composed of one cell 10 and one or more sectors 20 corresponding to the cell 10.
  • the number of sectors 20 belonging to one cell 10 may be one or more. Multiple beams may be operated for each cell or each sector 20.
  • the base station 100 obtains beamforming gain and differently transmits one or more transmit beams / receive beams for downlink (DL) / uplink (UL) to support one or more terminals. In the same direction or in time sweeping in different directions.
  • the base station 100 simultaneously forms N receive beams directed in N directions during N slots.
  • the base station 100 sequentially forms N receive beams directed in N directions while sweeping for N slots. Specifically, the first receive beam is formed only in the first slot, the second receive beam is formed only in the second slot, the i-th receive beam is formed only in the i-th slot, and the N-th receive beam is formed only in the N-th slot.
  • the terminal 110 Due to the structural constraints of the terminal 110, the terminal 110 generally operates a wider beam width that supports a smaller beam gain than the base station 100. According to the implementation, the terminal 110 may support one or more reception beams / transmission beams for the downlink / uplink.
  • the base station 100 and the terminal 110 may select an optimal beam facing one another among the one or more beams in a direction of a correspondent station, and transmit and receive a signal through the selected beam.
  • FIG. 2 is a block diagram of a base station transmitter physical layer (PHY) for supporting beamforming according to an embodiment of the present invention.
  • PHY physical layer
  • L digital signals corresponding to L layers are input to the MIMO encoder 206 through the encoder (ENC) 202 and the modulator (MOD) 204 for each layer, and the MIMO encoder 206.
  • the t M streams are output from the pre-coding by the pre-coder 208 is converted to N f of precoded signals corresponding to N f of RF path.
  • Each of the precoded signals includes an IFFT 210, a Parallel to Serial converter (P / S) 212, a Cyclic Prefix (CP) inserter 214, and a Digital Analog Converter (Digital). to Analog Converter (DAC) 216 is output via the RF paths.
  • the signals output from the RF paths are converted into the RF band through the frequency converter 218 and then input to the analog beamforming unit 220.
  • the analog beamforming unit 220 receives a plurality of antenna elements through a plurality of phase shifters, power amplifiers (PAs), and variable gain amplifiers (VGAs). By controlling the phase (amplitude) and the signal intensity (amplitude) for the element) to form a beam having a specific beam width and transmitted in a specific direction.
  • the formed beams are transmitted through an antenna array 222 configured by grouping multiple antenna elements to increase beamforming gain.
  • FIG. 1 may be modified in various forms by changing and combining a plurality of blocks.
  • the beams formed on the basis of the hybrid beamforming structure may be based on the channel characteristics of the reference signal / data channel / control channel, or in consideration of the mobility and channel characteristics of the terminal, or the uplink ( It may be operated differently according to uplink (UL) / downlink (DL) or transmit / receive.
  • Each beam is generated by adjusting the beamforming coefficients of the analog / digital stage to have a specific beam width, beam direction and beam gain in a particular direction. In this case, when the antenna input power is set to be the same, as the beam width is widened, the maximum beam gain in the direction of the beam is reduced.
  • the analog beamforming unit 220 adjusts a phase and magnitude weight for each antenna element to span a cell or a sector of a base station, and to obtain a specific beam gain. Beams having a uniform shape in a number of directions. The beamwidth and beam direction are set such that multiple beams have the same maximum beam gain in a particular direction. In an embodiment of the present invention, each beam becomes a unit beam having specific beam characteristics (e.g., beam width, beam gain).
  • the analog beamforming unit 220 actually has a phase and magnitude weight for each antenna element such that the half power beam-width (HPBW) is steered in different directions in which the same beams encompass the cell / sector.
  • HPBW half power beam-width
  • unit beams are formed.
  • the analog beamforming unit 220 sets non-uniform beam weights for each antenna element so that beams in different directions have the same beam width HPBW.
  • the analog beamforming unit 220 does not actually have exactly the same HPBW, but has multiple wave numbers in beam space with the same maximum beam gain in a specific direction. Can be formed to be uniform.
  • the analog beamforming unit 220 may be configured in different directions having the same beam gain from columns of a digital Fourier transform (DFT) matrix having a size proportional to the number of antenna elements. Can form a set of orthogonal beams.
  • DFT digital Fourier transform
  • several unit beams may be superimposed into one overlapping beam under certain conditions.
  • the superposition of the unit beams is mapped to the RF path of the digital stage for the unit analog beams formed through the beamforming of the analog stage based on the analog-digital hybrid beamforming structure. This is done by combining analog beams at the digital stage.
  • a unit beam in a specific direction may be mapped to one RF path, and thus the number of overlapping unit beams is limited by the number of RF paths N f according to the beamforming structure, and the unit beam
  • the maximum beam width of the overlapping beam formed through the overlapping of the beams is determined by the beam width of each unit beam and the number of RF paths of the transmitting end.
  • the analog beamforming unit 220 may form unit beams having a specific beam width and a beam gain by adjusting coefficients corresponding to array antenna weights, and for a value corresponding to a wave number Each unit beam can be steered by giving an offset.
  • FIG 3 illustrates an example of a scenario of communication between a base station and a terminal based on beamforming according to an embodiment of the present invention.
  • the base station 300 sweeps 305 a plurality of beamformed signals simultaneously or continuously and transmits the same.
  • the terminal 310 may receive omnidirectional signals without supporting reception beamforming, or may support reception beamforming, but may support only one specific beamforming pattern at a time. While supporting beamforming, multiple beamforming patterns may be simultaneously supported in different directions.
  • the terminal 310 measures the channel quality of the reference signal transmitted for each base station transmission beam, and based on the measurement result, one or more of the terminal 310 of the plurality of base station transmission beams is measured.
  • the optimal beam 302 is selected above.
  • Information about the selected optimal beam 302 and its channel quality information (CQI) is reported to the base station 300.
  • the terminal 310 measures the channel quality of the plurality of base station transmission beams for each of the reception beam patterns of the terminal 310, and determines the base station transmission beam 302 and the terminal reception beam 312. Report the measurement results for all or a few of the combinations to the base station.
  • the base station 300 allocates an appropriate transmission beam to the terminal based on the report of the terminal 310.
  • the base station 300 includes one or more in consideration of diversity transmission through repetitive transmission or simultaneous transmission. More beams can be selected.
  • Unit beams for analog beamforming have specific beam characteristics formed to cover cells / sectors of a base station and are formed to face different directions.
  • the base station transmits a signal through a single transmission beam that is optimal for the terminal for a plurality of transmission beams, or the beam robustness based on estimation of the mobility of the terminal or the change of channel conditions.
  • the signal may be transmitted through a wider beam (hereinafter, referred to as a superimposed beam) in which unit beams are superpositioned to increase a).
  • a superimposed beam a wider beam in which unit beams are superpositioned to increase a).
  • Each unit beam and the overlap beam may be used for transmission of data traffic or control signal transmission.
  • the base station 300 selects the i-th beam 302 with respect to the terminal 310, and additionally uses the i-1 th and i + 1 th beams on both sides to simultaneously transmit the same signal.
  • To the terminal 310 that is, by overlapping three unit beams, an overlapping beam having a wider beam width is formed.
  • the maximum number of overlapping unit beams is limited according to the number of RF paths of the base station 300.
  • the number of beams to be overlapped necessary for forming a robust beam for channel change is determined based on the mobility of a terminal or a change in channel conditions. For example, the terminal or the base station may determine that an average or standard deviation of channel measurements such as carrier to interference and noise ratio (CINR) / receive signal strength indicator (RSSI) satisfies a specific threshold condition.
  • the number of unit beams may overlap.
  • a plurality of unit beams 402 are divided into 16 beam regions having a uniform wave number of 180 degrees based on a beam coefficient such as a DFT matrix.
  • a beam coefficient such as a DFT matrix.
  • the beam patterns 502 of the overlapping beams are illustrated by adding the unit beams of FIG. 4 to each other by adding two unit beams adjacent to each other around the 0 degree direction.
  • each beam pattern 502 for overlapping beams has been normalized to the beamforming coefficients according to the number of overlapping beams such that the gain for the entire antenna in the analog stage is the same.
  • the number of overlapping unit beams is preferably set in consideration of trade-off of directivity and beamforming gain.
  • link adaptation including setting of a modulation and coding scheme (MCS) level may be performed. In other words, link adaptation is performed to compensate for the reduction in beamforming gain that may occur due to the use of overlapping beams.
  • MCS modulation and coding scheme
  • the transmitter (the base station in the downlink and the terminal in the uplink) forms a wider beam, that is, an overlapping beam, by overlapping one or more unit beams adjacent to the selected unit beam.
  • Beam superposition mode refers to a mode of transmitting a signal by using a superposition beam, and is distinguished from a unit beam mode using a single unit beam selected (ie, a single narrow beam mode). .
  • the trigger condition defining whether the beam overlapping mode is enabled may be defined by comparing the channel quality threshold for a predetermined time and the channel quality for the overlapping beam with the channel quality for the selected optimal unit beam.
  • Channel quality means, by way of example, the mean and / or standard deviation of channel measurements, such as CINR / RSSI.
  • the UE may feed back a report metric such as an estimated Doppler speed and an average / standard deviation of CINR / RSSI to the base station periodically or event-triggered to determine the trigger of the beam overlapping mode. have.
  • the transmitter determines the number of beams to perform overlapping and selects beams to overlap. In one embodiment, the transmitter considers channel quality (average or standard deviation of CINR / RSSI) due to beam overlap. The channel quality is reported from the receiver. As a further embodiment, the transmitter may further consider the trade off between an increase in beamwidth (improved stability) and a decrease in beam gain.
  • channel quality average or standard deviation of CINR / RSSI
  • the transition between the unit beam and the overlapping beam by the trigger of the beam overlapping mode may be performed according to the trigger condition and the reporting metric of the beam overlapping mode.
  • the beam overlapping mode may be triggered by the base station or triggered by the terminal as an example.
  • the base station determines whether to perform beam overlap based on a predetermined trigger condition and a reporting metric from the terminal.
  • the terminal determines whether the beam overlaps according to a predetermined trigger condition and the measurement result of the channel quality, and requests the base station to turn on / off the beam overlap.
  • a terminal determines whether a reception beam overlaps with a terminal according to a predetermined trigger condition and a result of measuring channel quality for a combination of a base station transmission beam and a terminal reception beam, and turns on / off the reception beam overlap of a terminal. Can be performed.
  • the base station may request the terminal to turn on / off the superposition of the transmission beams according to a predetermined trigger condition and a result of measuring channel quality of a reference signal transmitted by the terminal for each transmission beam of the terminal. have.
  • the UE determines whether beam overlap is performed based on a predetermined trigger condition and channel quality feedback from the base station.
  • the base station in the uplink beamforming, can operate by turning on / off the overlapping of the reception beam of the base station for uplink based on a measurement of channel quality according to a predetermined trigger condition and a combination of the terminal transmission beam and the base station reception beam. Can be.
  • the terminal In order to execute the beam overlapping mode, the terminal must measure the channel quality for each unit beam or overlapping beam.
  • the terminal may estimate an overall channel quality for the overlapping beam from a combination of reference signals mapped to each unit beam.
  • the terminal may estimate the integrated channel quality of the overlapping beam including the adjacent unit beams by combining channel quality measurements of reference signals respectively mapped to a predetermined number of adjacent unit beams.
  • FIG. 6 shows an example of a frame structure for transmitting a reference signal according to an embodiment of the present invention.
  • a subframe 602 of a predetermined time unit transmits a reference signal 606 through a midamble 604 of a downlink period for each sector.
  • the reference signal 606 includes a plurality of pilot signals mapped to unit beams in different directions.
  • the reference signal 606 is composed of four reference signal symbols RS-1 to RS-4, each reference signal symbol includes four pilot signals separated by frequency, and each pilot signal is one Mapped to the unit beam.
  • the fourth reference signal symbol includes pilot signals mapped to beams b 13 to b 16 .
  • the UE measures the channel quality of one specific unit beam from the pilot signal mapped to each unit beam, or estimates the channel quality of the overlapping beam generated by the superposition of the unit beams from a combination of pilot signals mapped to the unit beams. can do. Based on this measurement (or estimation), the UE measures instantaneous or temporal average / variance / standard deviation for channel quality metrics such as CINR or RSSI. Update and predict.
  • the terminal estimates a channel change with respect to time / frequency based on the measurement of the midamble to estimate a mobility value such as a Doppler speed proportional to the moving speed of the terminal, and based on the estimated value It is also possible to indirectly predict the speed of movement and thus the increased sensitivity to the beams.
  • the terminal determines whether to enable or disable the beam overlapping mode according to the trigger condition set by the base station based on the measurement / estimation of the channel quality, and turns on / off the beam overlapping mode according to the determination result.
  • the base station may request the base station using a media access control (MAC) message or a UL control channel, and report channel quality information per beam associated with execution of the beam overlapping mode to the base station.
  • MAC media access control
  • the base station determines whether to execute the beam overlapping mode for the terminal according to the request and report of the terminal, and thus transmits data (or a control signal) through the overlapping of multiple beams in the beam overlapping mode or a specific one in the unit beam mode Data (or control signal) can be transmitted through the unit beam of.
  • the terminal may trigger the transition of the beam overlapping mode by using a trigger condition for the transition of the beam overlapping mode provided by the base station.
  • the terminal reports the channel quality measured / estimated from the reference signals for each beam from the base station to the base station periodically and aperiodically, and performs the beam overlapping mode switching according to the instruction of the base station according to the trigger condition. can do.
  • Table 1 below shows an example of beam overlapping mode information indicating a trigger condition of a beam overlapping mode provided by a base station.
  • the base station may broadcast and / or unicast at least one of the parameters included in the following beam overlapping mode information periodically and / or event-triggered to terminals in the cell.
  • Beam Superposition Allocation Threshold is a value in dB that represents a threshold for the maximum standard deviation of RSSI / CINR for individual unit beams to determine the transition from unit beam mode to beam overlap mode. to be.
  • the RSSI / CINR per beam may be measured for a time until the transition from the unit beam mode to the beam overlapping mode, or a predetermined predetermined time. (Threshold of the maximum of the standard deviations of the individual Unit Beam RSSI / CINR measurements over time to trigger mode transition from single beam to beam superposition)
  • Beam Superposition Release Threshold is a value in dB that represents a threshold for the maximum standard deviation of RSSI / CINR for individual unit beams to determine the transition from beam overlap mode to unit beam mode. to be.
  • the RSSI / CINR per beam may be measured for a time until the transition from the beam overlapping mode to the unit beam mode, or for a predetermined time. (Threshold of the maximum of the standard deviations of the individual Unit Beam RSSI / CINR measurements over time to trigger mode transition from beam superposition to single beam)
  • the Beam Superposition Allocation Timer is a subframe or frame value indicating the minimum time required to measure the mean and standard deviation of channel measurements for the triggering event of the beam overlapping mode. That is, the beam overlap allocation timer indicates the minimum number of subframes / frames required for channel measurement. (Minimum required number of subframes / frames to measure the average and standard deviation for the event of beam superposition triggering.)
  • Beam Superposition Release Timer is a subframe or frame value representing the minimum time required to measure the mean and standard deviation of channel measurements for event triggering in unit beam mode. That is, the beam superimposition timer indicates the minimum number of subframes / frames required for channel measurement. (Minimum required number of subframes / frames to measure the average and standard deviation for the event triggering from beam position to single beam)
  • the beam overlapping allocation timer and the beam overlapping timer may be replaced by the same single parameter.
  • Max Number of Beam Supported for Superposition means the maximum number of adjacent beams that can support the UE simultaneously through beam overlap. (Maximum number of adjacent beams that could be concurrently supported for an MS with beam As described above, the maximum number of beam overlaps may be limited according to the number of RF paths of the base station.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an operation of a base station operating a beam overlapping mode according to an embodiment of the present invention.
  • the operation of the base station for the downlink transmission beam overlap it should be noted that the operation of the terminal for the uplink transmission beam overlap can be made similarly.
  • a base station broadcasts or unicasts beam overlapping mode information to terminals in a cell.
  • the beam overlapping mode information may be included in system information and transmitted, and may be transmitted according to a predetermined transmission period of system information or aperiodically according to a predetermined triggering condition.
  • the beam overlapping mode information is at least one parameter indicating a trigger condition between the unit beam mode and the beam overlapping mode. For example, the beam overlapping allocation threshold, the beam overlapping threshold, the beam overlapping allocation timer, the beam overlapping timer, and the beam overlapping max. At least one of the number.
  • the base station continuously transmits the reference signal for each unit beam so that the terminal can measure the channel quality for each unit beam or for each overlapping beam according to a predetermined transmission period of the reference signal.
  • the base station determines whether the beam overlapping mode for the terminal is determined through scheduling.
  • the base station may determine whether to perform the beam overlapping mode for the terminal by performing scheduling according to a predetermined scheduling period.
  • the base station may determine whether to apply the beam overlapping mode to the terminal according to a predetermined determination period of the beam overlapping mode or a predetermined triggering condition. The determination of whether to apply the beam overlapping mode depends on whether there is a downlink data / control signal to be transmitted to the terminal, whether the base station and the terminal support beam overlap, the number of available beams of the base station, and the channel quality reported by the terminal in the last predetermined period. It may be made based on the determination of the trigger condition.
  • the base station when the standard deviation of RSSI / CINR measurements reported during the beam overlapping allocation timer from the terminal operating in the unit beam mode exceeds the beam overlapping allocation threshold, the base station enables the beam overlapping mode for the terminal. That decides to activate. In addition, the base station releases the beam overlapping mode, that is, disables the unit beam mode when the standard deviation of the RSSI / CINR measurements reported during the beam overlapping timer from the terminal operating in the beam overlapping mode exceeds the beam overlapping threshold. Decide to service.
  • the trigger condition of the beam overlapping mode used in the base station may be different from the trigger condition used in the terminal.
  • step 708 it is determined that the terminal is to be serviced in the unit beam mode or the terminal is already serviced in the unit beam mode. If yes, go to Step 718.
  • the base station determines whether to turn off the beam overlapping mode from the terminal determined to enable the beam overlapping mode. As an example, the base station determines whether a UL MAC message or a UL control channel message is received from the terminal requesting to turn off the beam overlapping mode. When the UE determines not to use the beam overlapping mode, the base station may disable the beam overlapping mode regardless of the determination at the base station. If off of the beam overlapping mode is requested, the process proceeds to step 710, otherwise proceeds to step 720.
  • the base station may omit the determination of step 706 and determine whether to execute the beam overlapping mode in response to a request from the terminal. That is, instead of determining the beam overlapping mode, the base station may proceed to step 710 when an off request for beam overlapping mode is received from the terminal, and proceed to step 720 when an on request for beam overlapping mode is received.
  • the base station may determine whether to execute the beam overlapping mode according to the determination of the base station regardless of a request from the terminal. That is, if it is determined in step 706 that the terminal is to be serviced in the beam overlapping mode, the base station proceeds to step 720, and if it is determined to service the terminal in the unit beam mode, the process proceeds to step 710.
  • the base station determines the beam overlap mode in step 706, the base station proceeds to step 718 and determines whether an on request for the beam overlap mode is received from the terminal. In addition, when it is determined in the unit beam mode in step 706, the base station proceeds to step 708 to determine whether the request for turning off the beam overlapping mode is received from the terminal.
  • Steps 710 to 716 correspond to the operation of the unit beam mode. At least some of processes 710 to 716, for example, processes 710 and 712 may be performed before the enable of the unit beam mode is determined or after the unit beam mode is determined. As a selectable embodiment, when it is determined that the unit beam mode, the base station may request the UE to transmit the CQI for the unit beam mode.
  • the CQI for the unit beam mode means signal qualities for each of the plurality of beams as an example.
  • the base station transmits beam indexes for N beams having higher channel quality among the unit beams of the base station from the terminal, that is, N optimal beam indices and / or channel quality information (CQI) for the N optimal beams.
  • the number N of beams to be reported may be predetermined or indicated by control information broadcast from a base station.
  • the CQI may include, for example, the CINR and / or RSSI for each optimal beam.
  • the base station selects one unit beam to be used for transmission of the data burst based on the optimal beam indexes of the terminal and its CQI. For example, the base station selects one unit beam having the best channel quality for the terminal among the available unit beams.
  • step 714 the base station performs burst scheduling to determine resource allocation for burst transmission, together with a link adaptation operation including determining an MCS level to use when transmitting a burst through the selected unit beam.
  • step 716 the base station transmits a data burst to the terminal through the selected unit beam, and proceeds to any of steps 702, 704, and 706 according to at least one of predetermined transmission periods.
  • the base station determines whether to turn on the beam overlap mode is requested from the terminal determined to disable the beam overlap mode. As an example, the base station determines whether a UL MAC message or a UL control channel message is received from the terminal requesting to turn on the beam overlapping mode. When the UE determines to use the beam overlapping mode, the base station may enable the beam overlapping mode regardless of the determination at the base station. If it is requested to turn on the beam overlapping mode, the process proceeds to operation 720. Otherwise, the process proceeds to process 710 to operate in the unit beam mode.
  • Steps 720 to 728 correspond to the operation of the beam overlapping mode. At least some of processes 720 to 728, for example, processes 720 and 722 may be performed before the enabling of the beam overlapping mode is determined or after the beam overlapping mode is determined.
  • the base station may request transmission of the CQI for the beam overlapping mode.
  • the CQI for the beam overlapping mode for example, represents signal qualities or a sum (or average) of signal qualities for a predetermined number of beams. That is, the CQI for the beam overlapping mode may represent an average signal quality for a predetermined number of overlapping beams.
  • the base station receives information on the number M of adjacent beams satisfying a predetermined threshold value from the terminal.
  • operation 720 may be omitted, and the base station may recognize the number of beams to overlap in operation 722.
  • the base station receives, from the terminal, CQIs for M adjacent beams including one unit beam having an optimal channel quality among the unit beams of the base station and adjacent beams centered thereon.
  • the UE may report beam indexes for M neighbor beams together.
  • the UE determines that beam # 7 has the best channel quality, that is, CINR / RSSI, among the unit beams of the base station, the beams # 6, 7, and 8 are centered on the beam # 7.
  • the indices for and the CQI thereof are reported to the base station.
  • the CQI may include signal quality of each of beams # 6, 7, and 8, or may include summation or average signal quality of beams # 6, 7, and 8.
  • the base station adjusts the beamforming coefficients of the analog beamforming unit and controls the digital beamforming unit so that the M adjacent beams received in step 722 overlap.
  • the superposition of the unit beams is performed by mapping the unit analog beams generated by the analog beamforming unit under the analog-digital hybrid structure to the RF chain / path of the digital unit.
  • the value corresponding to the sum of the beam coefficients for the analog unit beams to be superimposed by the analog beamforming unit as amplitude and phase weights for each antenna element, Overlapping of unit beams is possible. That is, beam overlap may be achieved by reflecting a sum of magnitude and phase weights for generating unit beams and a normalization factor for allowing all antenna elements to have the same power in the analog-digital stage.
  • analog beam weights corresponding to gains of unit analog beams to be overlapped with each RF path of the digital stage are set, and the same data from the digital beamforming unit is assigned to a plurality of RF paths.
  • Beam mapping is achieved by mapping and transmitting.
  • step 726 the base station performs burst scheduling to determine resource allocation for burst transmission, along with a link adaptation operation including determining an MCS level to use when transmitting a burst through an overlapping beam formed by overlapping M adjacent beams. do.
  • step 728 the base station transmits a data burst to the terminal through the formed overlapping beam, and proceeds to any one of steps 702, 704, and 706 according to at least one of predetermined transmission periods.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an operation of a terminal operating a beam overlapping mode according to an embodiment of the present invention.
  • the operation of the terminal for the overlapping of the downlink reception beam is shown, it should be noted that the operation of the base station for the uplink reception beam superposition may be similarly performed.
  • the terminal receives beam overlapping mode information broadcast or unicast from the base station according to a predetermined transmission period of system information.
  • the beam overlapping mode information is at least one parameter indicating a trigger condition between the unit beam mode and the beam overlapping mode. For example, the beam overlapping allocation threshold, the beam overlapping threshold, the beam overlapping allocation timer, the beam overlapping timer, and the beam overlapping max. At least one of the number.
  • the terminal receives a reference signal that the base station transmits sequentially or simultaneously for each unit beam according to a predetermined transmission period of the reference signal.
  • the UE measures or estimates channel quality for unit beams and neighboring beams based on the reference signal.
  • the terminal measures the channel quality for each unit beam, and also estimates the channel quality for the combination of the upper at least one unit beam and a predetermined number of adjacent beams adjacent thereto.
  • the channel quality for the beam combination is the channel quality for that overlapping beam.
  • the terminal determines whether the base station determines to perform the beam overlap mode for the terminal based on the scheduling information received from the base station.
  • the UE receives an indication signal for the beam overlapping mode transmitted from the base station according to a predetermined determination period of the beam overlapping mode or a predetermined triggering condition, and determines whether the beam overlapping mode is determined by the indication signal. You can judge. If the beam overlapping mode is determined, or if the beam overlapping mode is already applied, the process proceeds to step 810; otherwise, the process proceeds to step 816.
  • the terminal may omit step 808 and determine whether to execute the beam overlapping mode according to the determination of the terminal. That is, instead of receiving an indication of the beam overlapping mode from the base station, the terminal determines whether the off condition or the on condition of the beam overlapping mode is satisfied. If the off condition is satisfied, the process proceeds to step 812 and the on condition is satisfied. If so, the process may proceed to step 818.
  • the terminal may determine whether to execute the beam overlapping mode according to the instruction of the base station regardless of the determination of the terminal. That is, if the UE is instructed to operate in the beam overlap mode in operation 808, the process proceeds to operation 820, and if the eNB is instructed to operate in the unit beam mode, the process proceeds to operation 814.
  • the terminal may proceed to step 816 to determine whether the on condition of the beam overlapping mode is satisfied.
  • the UE may proceed to step 810 to determine whether the off condition of the beam overlap mode is satisfied.
  • the UE determines whether the OFF condition of the beam overlap mode is satisfied based on the trigger condition included in the beam overlap mode information received in step 802. For example, the UE is one optimal unit during the beam overlap release timer. If the standard deviation of the RSSI / CINR measurements of at least one unit beam among the beams or the unit beams satisfying a certain channel quality or more is within the beam de-duplication threshold, the beam overlap mode is released, that is, disabled and the unit beam mode is operated. Decide to do it. As another example, the terminal compares the channel quality (CINR average / standard deviation) for the optimal single unit beam with the channel quality of the overlapping beam for a predetermined number of adjacent unit beams centered on the optimal single unit beam. It may be decided to use a beam mode that shows better channel quality.
  • the channel quality CINR average / standard deviation
  • the terminal proceeds to step 812 to disable the beam overlapping mode and to operate in the unit beam mode. Otherwise, the terminal proceeds to step 820.
  • the UE transmits a predetermined message requesting to turn off the beam overlapping mode, for example, an UL MAC message or a UL control channel message to the base station.
  • a predetermined message requesting to turn off the beam overlapping mode
  • the terminal may receive a CQI request for the unit beam mode from the base station.
  • the CQI for the unit beam mode means signal qualities for each of the plurality of beams as an example.
  • the UE reports beam indexes, that is, N optimal beam indices, for N beams having a higher channel quality among all the unit beams of the base station to the base station.
  • the UE may additionally transmit channel quality information (CQI), that is, CINR and / or RSSI, indicating channel quality for the optimal beams, along with the N optimal beam indexes.
  • CQI channel quality information
  • the number N of beams to be reported may be predetermined or indicated by control information broadcast from a base station.
  • step 828 when the UE is scheduled according to the burst scheduling of the base station, the terminal receives a data burst transmitted from the base station through one unit beam selected from the N beams in step 814. Thereafter, the terminal proceeds to any one of processes 802, 804, and 808 according to at least one of predetermined transmission periods.
  • the terminal determines whether the on condition of the beam overlap mode is satisfied based on the trigger condition of the beam overlap mode information received in step 802.
  • the terminal may exit the beam overlapping mode. Decide to enable.
  • the terminal compares the channel quality (CINR average / standard deviation) for the optimal single unit beam with the channel quality of the overlapping beam for a predetermined number of adjacent unit beams centered on the optimal single unit beam. It may be decided to use a beam mode that shows better channel quality.
  • the terminal proceeds to step 818 to enable the beam overlapping mode.
  • the UE transmits a UL MAC message or a UL control channel message requesting to turn on the beam overlap mode to the base station.
  • the terminal may receive a CQI request for the beam overlapping mode from the base station.
  • the CQI for the beam overlapping mode for example, represents signal qualities or a sum (or average) of signal qualities for a predetermined number of beams.
  • the UE estimates the number M of adjacent beams to overlap.
  • the terminal identifies adjacent beams to overlap.
  • Information about the estimated number of neighboring beams may be reported to the base station.
  • the terminal may select adjacent beams whose channel quality measurement exceeds a predetermined threshold, which may be predetermined or signaled from a base station.
  • the terminal may determine the value of M within the maximum number of beam overlap signals signaled from the base station.
  • the UE measures and estimates CQIs for the M neighbor beams.
  • the UE measures the channel quality of each of the M neighboring beams including one beam having the best channel quality among all the unit beams of the base station and its neighboring beams, and combines the channel quality measurements of the entire neighboring beams with M. Estimate channel quality for all four adjacent beams.
  • the terminal reports the integrated CQI indicating the channel quality for the M neighbor beams to the base station. Additionally, the terminal may report the indexes of neighboring beams and the number M of neighboring beams to be overlapped to the base station.
  • step 828 when the UE is scheduled according to the burst scheduling of the base station, the UE receives a data burst transmitted from the base station through an overlapping beam in which M adjacent beams of step 824 overlap. Thereafter, the terminal proceeds to any one of processes 802, 804, and 808 according to at least one of predetermined transmission periods.
  • 7 and 8 illustrate an operation of scheduling a beam overlap mode in a base station and determining enable / disable of the beam overlap mode in a terminal.
  • the base station alone may determine the beam overlapping mode, or the terminal may independently determine the beam overlapping mode.
  • FIGS. 9A and 9B illustrates an example of a transmit / receive beamforming structure according to an embodiment of the present invention.
  • the transmitter 900 includes a digital beamforming unit 910 and an analog beamforming unit 922, each of which includes an IFFT 916, a P / S 918, and a DAC 920. Interconnected by N RF, Tx RF paths.
  • the digital beamforming unit 910 includes a MIMO encoder 912 and a base band (BB) precoder 914.
  • the analog beamforming unit 922 includes a frequency converter 924 and a phase shift for each RF path. / Power amplifiers 926,928 and combiner 930 and antenna array 932.
  • the analog beamforming unit 922 may be defined as having a configuration except for the frequency converter 924 and the antenna array 932.
  • the transmitter 900 controls the digital beamforming unit 910 and the analog beamforming unit 922, exchanges information necessary for hybrid beamforming and beam superposition between the acquisition and the receiver 950, and digital beamforming. It further includes a beamforming controller 934 for determining information necessary for controlling the unit 910 and the analog beamforming unit 922, for example, a beamforming coefficient matrix.
  • the beamforming controller 934 determines the enable / disable of the beam overlapping mode through a predetermined trigger condition and signaling with a counterpart communication station, that is, the receiver 950, adjusts the beamforming coefficients of the analog beamforming unit accordingly, and adjusts the digital beam accordingly. Controls the RF path mapping of the forming unit.
  • the beams formed by the transmitter 900 reach the receiver 950 via a MIMO channel 640 forming a Beam Space Effective Channel H eff .
  • the receiver 950 includes an analog beamformer 952 and a digital beamformer 968, which are analog to digital converters (ADCs). 962, a Serial to Parallel Converter (S / P) 964 and an FFT 966 are interconnected by N RF, Rx RF paths, respectively.
  • the analog beamforming unit 952 includes an antenna array 954, a low noise amplifier (LNA) 956 / phase converters 958, and a frequency converter 960 for each RF path.
  • the analog beamforming unit 952 may be defined as having a configuration excluding the antenna array 954 and the frequency converter 960.
  • the digital beamforming unit 968 includes a baseband combiner 970 and a MIMO decoder 972.
  • the receiver 950 controls the digital beamforming unit 968 and the analog beamforming unit 952, exchanges information necessary for hybrid beamforming and beam superposition between the generator and the transmitter 934, and digital beamforming. It further includes a beamforming controller 974 for determining information necessary for controlling the unit 968 and the analog beamforming unit 952, for example, a beamforming coefficient matrix.
  • the beamforming controller 974 determines the enable / disable of the beam overlapping mode through signaling with a predetermined trigger condition and a counterpart communication station, that is, the transmitter 900, adjusts the beamforming coefficients of the analog beamforming unit accordingly, and adjusts the digital beam. Controls the RF path mapping of the forming unit.
  • the transmitter 900 becomes a base station and the receiver 950 becomes a terminal.
  • the transmitter 900 becomes a terminal and the receiver 950 becomes a base station.
  • the transmitter 900 forms a plurality of unit beams having a specific beam width in different directions having directivity through analog beamforming, and the plurality of unit beams in response to a specific trigger condition and / or a request from the receiver 950.
  • An overlapping beam is generated by overlapping a plurality of adjacent beams.
  • the receiver 950 receives and measures the reference signals transmitted through the unit beams from the transmitter 900, and determines the enable / disable of the beam overlapping mode according to a specific trigger condition and / or a measurement result.
  • the receiver 950 may report information necessary for operation of the beam overlapping mode (enable / disable of the beam overlapping mode, channel quality information, etc.) to the transmitter 900.
  • each beam pattern for overlapping beams has been normalized to the beamforming coefficients according to the number of overlapping beams so that the gain for the entire antenna in the analog stage is the same.
  • the overlapping beams enable stable communication with a wider beamwidth compared to the unit beams of FIG. 4.
  • the terminal may overlap the reception beams through reception hybrid beamforming for the downlink signal.
  • the terminal determines whether to trigger the transmission beam overlap of the base station in consideration of the reception beam overlap of the terminal.
  • the reception beams can be superimposed on the terminal, even if the mobility or channel variation (fluctuation) of the terminal is large, the terminal can obtain the stability of the received signal by overlapping the reception beams of the terminal with respect to one transmission beam of the base station. Therefore, the transmission beam overlap of the base station may not be required.
  • the terminal when the base station operates the transmission beam overlapping mode, the terminal considers not only overlapping transmission of one or more adjacent transmission beams of the base station, but also overlapping reception of one or more reception beams of the terminal, and thus the overlapping is performed at the base station.
  • the number of beams or the index of beams to perform may be determined.
  • the reception beam overlap of the terminal is implemented by overlapping adjacent reception beams similarly to the transmission beam overlap of the base station, or by receiving diversity of one or more reception beams in different directions by the terminal. Can be implemented.
  • FIGS. 12A and 12B is a flowchart illustrating an operation of a terminal operating a beam overlapping mode according to another embodiment of the present invention. Since the operation of the downlink beam overlap has been described below, the transmission beam refers to a base station transmission beam and the reception beam refers to a terminal reception beam.
  • a terminal receives beam overlapping mode information broadcast or unicast from a base station.
  • the beam overlapping mode information is a parameter set indicating a trigger condition between the unit beam mode and the beam overlapping mode.
  • the beam overlapping allocation threshold, the beam overlapping threshold, the beam overlapping allocation timer, the beam overlapping timer, and the maximum number of beam overlapping beam overlapping modes are shown. At least one.
  • the beam overlapping mode information may include both a parameter set indicating a trigger condition of the base station transmission beam overlapping mode and a parameter set indicating a trigger condition of the terminal reception beam overlapping mode.
  • the terminal receives a reference signal transmitted sequentially or simultaneously by the base station for each unit beam.
  • the UE measures or estimates channel qualities for the transmission beams, the adjacent transmission beams, and the adjacent reception beams.
  • the terminal measures channel quality for each transmission beam and each reception beam, and also the upper at least one transmission beam and a predetermined number of transmission beams adjacent thereto, and the upper at least one transmission beam and a predetermined number of reception beams adjacent thereto. Estimate the channel quality for the combination of
  • step 1208 the terminal determines whether the base station determines to perform the base station transmit beam overlap mode for the terminal based on the scheduling information received from the base station. If it is determined that the base station transmit beam overlapping mode, the process proceeds to step 1210; otherwise, the process proceeds to step 1216.
  • the UE determines whether the OFF condition of the BS transmission beam overlap mode is satisfied based on the trigger condition of the beam overlap mode information received in step 1202. If the standard deviation of the RSSI / CINR measurements of at least one unit beam among the beams or the unit beams satisfying a certain channel quality or more is within the beam de-duplication threshold, the beam overlap mode is released, that is, disabled and the unit beam mode is operated. Decide to do it. If the off condition of the beam overlapping mode is satisfied, the process proceeds to step 1212 to disable the beam overlapping mode and to operate in the unit beam mode, otherwise proceeds to step 1222.
  • the terminal transmits a message requesting to turn off the base station transmission beam overlapping mode to the base station.
  • the UE reports beam indexes, that is, N optimal transmit beam indices, of N transmit beams having a higher channel quality among all transmit beams of the base station to the base station.
  • the UE may additionally transmit channel quality information (CQI), that is, CINR and / or RSSI, indicating channel quality for the optimal transmission beams, along with the N optimal transmission beam indexes.
  • CQI channel quality information
  • the number N of beams to be reported may be predetermined or indicated by control information broadcast from a base station.
  • step 1232 when the UE is scheduled according to the burst scheduling of the base station, the terminal receives a data burst transmitted from the base station through one of the N transmit beams in step 1214.
  • the UE determines whether the on condition of the BS transmission beam overlap mode is satisfied based on the trigger condition of the beam overlap mode information received in step 1202. As a specific example, the UE determines to enable the beam overlap mode when the standard deviation of RSSI / CINR measurements during the beam overlap assignment timer exceeds the beam overlap assignment threshold. If the on condition of the beam overlapping mode is satisfied, the process proceeds to step 1218.
  • the terminal may determine that the transmission beam overlap of the base station is not required when the mobility (eg, Doppler speed) or the channel change of the terminal is within a predetermined threshold.
  • the terminal sets a reception beam forming unit of the terminal (ie, control) to receive a downlink signal from the base station through the reception beam overlap in step 1230. And proceed to step 1214.
  • the UE determines to perform both the transmission beam overlap of the base station and the reception beam overlap of the UE, and proceeds to step 1220.
  • the UE transmits a message requesting to turn on the beam overlapping mode to the BS.
  • the UE estimates the number M of adjacent beams satisfying the predetermined threshold. In more detail, the terminal may determine the number of adjacent beams whose channel quality measurement exceeds a predetermined threshold.
  • the UE measures and estimates CQIs for M neighboring transmission beams and N neighboring reception beams.
  • the terminal measures the channel quality of each of the M neighboring transmission beams including one transmission beam having the highest channel quality among all transmission beams of the base station and its neighboring transmission beams, and the channel quality measurement of all neighboring transmission beams. Are combined to estimate the channel quality for all M adjacent transmit beams.
  • the UE measures the channel quality of each of the N neighboring reception beams including one reception beam having the highest channel quality among all the reception beams of the UE and its neighboring reception beams, and measures the channel quality measurements of the entire neighboring reception beams. Combine to estimate channel quality for all N adjacent receive beams.
  • the UE searches for and selects a pair (s) of transmission beams for transmission beam overlap and reception beams for reception beam overlap, which satisfy predetermined stability criteria.
  • the terminal selects one or more pairs having the best channel quality among pairs of neighboring transmit beams and neighboring receive beams.
  • the UE reports to the base station an integrated CQI indicating the number (M) of neighboring transmission beams to request and channel quality for M neighboring beams.
  • the terminal When the terminal is scheduled according to the burst scheduling of the base station in step 1232, the terminal receives a data burst transmitted from the base station through the overlapping transmission beam in which M adjacent transmission beams in step 1224 overlap, and the overlapping reception beam in which N adjacent reception beams overlap. Receive through.

Abstract

무선 통신 시스템에서 빔포밍을 이용한 통신 방법 및 장치를 개시한다. 기지국은, 소정 트리거 조건과 단말의 채널 상황에 따라, 기지국의 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 사용하는 빔 중첩 모드를 이네이블할지 여부를 판단하고, 상기 빔 중첩 모드를 이네이블하지 않을 것으로 판단된 경우, 복수의 단위 빔들 중 하나 혹은 그 이상의 최적 빔을 선택하며, 상기 선택된 최적 빔을 통해 상기 단말을 위한 신호를 송신 혹은 수신한다. 상기 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단된 경우, 기지국은 빔포밍부의 빔포밍 계수들을 조절하여 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 형성하고, 상기 중첩 빔을 통해 상기 단말을 위한 신호를 송신 혹은 수신한다.

Description

무선 통신 시스템에서 빔포밍을 이용한 통신 방법 및 장치
본 발명은 통신 시스템에서 신호의 송수신에 관한 것으로서, 특히, 빔포밍 기반의 무선 이동 통신 시스템에서 복수의 빔들을 통해 신호를 송수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 통신 시스템은 계속적으로 증가하는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 방향으로 발전하여 왔다. 기존의 무선 통신 시스템은 데이터 전송률 증가를 위해 주로 주파수 효율성(spectral efficiency)을 개선하는 방향으로 기술 개발을 추구하였다. 그러나 스마트폰 및 태블릿 PC에 대한 수요 증가와 이를 바탕으로 다량의 트래픽을 요구하는 응용 프로그램의 폭발적 증가로 인해 데이터 트래픽에 대한 요구가 더욱 가속화되면서, 이러한 주파수 효율성 개선 기술 만으로는 폭증하는 무선 데이터 트래픽 수요를 만족시키기 어렵게 되었다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 하나의 방법은 매우 넓은 주파수 대역을 사용하는 것인데, 기존의 이동 통신 셀룰러 시스템에서 사용하고 있는 10GHz 미만의 주파수 대역에서는 넓은 주파수 대역의 확보가 매우 어렵기 때문에 더 높은 주파수 대역에서 이러한 광대역 주파수를 확보해야 할 필요성이 있다. 하지만, 무선 통신을 위한 전송 주파수가 높아질수록 전파 경로 손실은 증가한다. 이로 인하여 전파 도달거리는 상대적으로 짧아져 서비스 영역(coverage)의 감소를 초래하게 된다. 이를 해결하기 위한, 즉 전파 경로 손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위한 중요 기술 중 하나가 빔포밍(beamforming) 기술이다.
빔포밍은 송신단에서 수행되는 송신 빔포밍 및 수신단에서 수행되는 수신 빔포밍으로 구분될 수 있다. 송신 빔포밍은 일반적으로 다수의 안테나를 이용하여 각 안테나로부터 송신되는 신호를 특정한 방향(즉 공간)으로 집중시켜 지향성(directivity)을 증대시킨다. 다수의 안테나가 집합된 형태를 배열 안테나(array antenna), 배열 안테나에 포함되어 있는 안테나를 요소 안테나(antenna element) 혹은 어레이 요소(array element)라 하기로 한다. 안테나 어레이는 선형 어레이(linear array), 평면 어레이(planar array) 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 송신 빔포밍을 사용하면 신호의 지향성 증대를 통해 전파 도달 거리를 증가시킬 수가 있고, 또한 특정 방향 이외의 다른 방향으로는 신호가 거의 전송되지 않기 때문에 다른 사용자에게 미치는 간섭이 매우 줄어들게 되는 장점이 있다.
수신 측에서도 수신 배열 안테나를 이용하여 수신 빔포밍을 수행할 수 있다. 수신 빔포밍은 전파의 수신을 특정 방향으로 집중시켜 상기 특정 방향으로 들어오는 수신 신호의 감도를 증가시키고 다른 방향으로 들어오는 신호를 배제함으로써 간섭 신호를 차단한다.
넓은 주파수 대역을 확보하기 위해 초고주파, 다시 말해 밀리미터(mm) 웨이브(wave) 시스템이 도입되고 전송 주파수가 높아질수록 전파의 파장은 짧아진다. 따라서 반 파장 간격으로 안테나를 구성하는 경우, 동일한 면적 내에 더 많은 안테나들로 배열 안테나를 구성할 수 있다. 즉, 초고주파 대역에서 동작하는 통신 시스템은 낮은 주파수 대역에서 빔포밍 기술을 사용하는 것에 비해 상대적으로 더 높은 안테나 이득을 얻을 수 있으므로 빔포밍 기술을 적용하기에 유리하다.
빔포밍 기술을 사용하면, 빔포밍 이득을 최대화하여 수신 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio: SNR)와 같은 성능 지수(performance index)를 최적화할 수 있지만, 다중 경로 전파 특성(multipath propagation)이 줄어들어 다이버시티 이득을 얻을 수 없는 한계가 있다. 또한, 단말의 이동성(mobility)이나 채널상황(channel condition) 및 빔에 대한 측정/선택 후 실제 할당 시까지의 지연에 따른 빔 정보 불일치 등으로 인하여 빔포밍에 대한 성능적인 민감도가 발생할 수가 있다.
이에 따라 종래의 연구도 주로 빔포밍을 적용함에 있어 빔포밍 이득을 최대화 하여 수신 SNR과 같은 성능지수(performance index)를 최적화하는 빔포밍 계수(beamforming weight coefficients)의 결정에 한정되어 있었다는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 통신 시스템에서 정보를 송수신하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 빔포밍을 사용하는 무선 통신 시스템에서 복수의 빔들을 중첩하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 특정 빔 특성을 가지는 빔들을 기본 단위(unit)로 하여 운용되는 빔포밍 기반 무선 이동통신 시스템에서 인접하는 다수 방향의 빔들을 중첩(superposition)하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 아날로그(analog)와 디지털(digital) 빔포밍의 조합으로 이루어진 복합(hybrid) 빔포밍 구조에서 다수 방향의 빔들을 중첩하여 하나의 중첩 빔으로 운용하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 빔포밍 기반 무선 이동통신 시스템에서 사용자의 이동성 및 채널상황의 변화특성에 대한 추정을 바탕으로 다수의 빔들을 중첩하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법은; 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 이용한 신호 송신 방법에 있어서, 소정 트리거 조건과 제2 노드의 채널 상황에 따라, 제1 노드의 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 사용하는 빔 중첩 모드를 이네이블할지 여부를 판단하는 과정과, 상기 빔 중첩 모드를 이네이블하지 않을 것으로 판단된 경우, 복수의 단위 빔들 중 하나 혹은 그 이상의 최적 빔을 선택하는 과정과, 상기 선택된 최적 빔을 통해 상기 제2 노드를 위한 신호를 송신하는 과정과, 상기 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단된 경우, 상기 제1 노드의 빔포밍부를 조절하여 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 형성하는 과정과, 상기 중첩 빔을 통해 상기 제2 노드를 위한 신호를 송신하는 과정을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치는; 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 이용한 신호 송신 장치에 있어서, 소정 트리거 조건과 제2 노드의 채널 상황에 따라, 제1 노드의 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 사용하는 빔 중첩 모드를 이네이블할지 여부를 판단하고, 상기 빔 중첩 모드를 이네이블하지 않을 것으로 판단된 경우, 복수의 단위 빔들 중 하나 혹은 그 이상의 최적 빔을 선택하며, 상기 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단된 경우, 빔포밍 계수들을 조절하는 빔포밍 제어기와, 상기 빔포밍 제어기의 제어하에 상기 선택된 최적 빔을 통해 상기 단말을 위한 신호를 송신 혹은 수신하며, 상기 빔포밍 계수들에 따라 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 형성하고 상기 중첩 빔을 통해 상기 제2 노드를 위한 신호를 송신하는 빔포밍부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 방법은; 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 이용한 신호 수신 방법에 있어서, 소정 트리거 조건과 제2 노드에 의해 측정된 채널 상황에 따라, 제1 노드의 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 사용하는 상기 제1 노드의 빔 중첩 모드를 이네이블할지 여부를 판단하는 과정과, 상기 빔 중첩 모드를 이네이블하지 않을 것으로 판단된 경우, 상기 제1 노드의 복수의 단위 빔들에 대한 채널품질들을 측정하고, 상기 채널품질 측정치들을 기반으로 하나 혹은 그 이상의 최적 빔을 선택하는 과정과, 상기 선택된 최적 빔에 대한 채널품질 측정치를 나타내는 제1 채널품질정보(CQI)를 상기 제1 노드로 보고하는 과정과, 상기 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단된 경우, 소정 개수의 인접한 단위 빔들에 대한 통합 채널품질 측정치를 추정하는 과정과, 상기 인접한 단위 빔들에 대한 상기 통합 채널품질 측정치를 나타내는 제2 채널품질정보(CQI)를 상기 제1 노드로 보고하는 과정을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 장치는; 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 이용한 신호 수신 장치에 있어서, 소정 트리거 조건과 제2 노드에 의해 측정된 채널 상황에 따라, 제1 노드의 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 사용하는 상기 제1 노드의 빔 중첩 모드를 이네이블할지 여부를 판단하고, 상기 빔 중첩 모드를 이네이블하지 않을 것으로 판단된 경우, 상기 제1 노드의 복수의 단위 빔들에 대한 채널품질들을 측정하고, 상기 채널품질 측정치들을 기반으로 하나 혹은 그 이상의 최적 빔을 선택하며, 상기 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단된 경우, 소정 개수의 인접한 단위 빔들에 대한 통합 채널품질 측정치를 추정하는 빔포밍 제어기와, 상기 선택된 최적 빔에 대한 채널품질 측정치를 나타내는 제1 채널품질정보(CQI)를 상기 제1 노드로 보고하고, 상기 인접한 단위 빔들에 대한 상기 통합 채널품질 측정치를 나타내는 제2 채널품질정보(CQI)를 상기 제1 노드로 보고하는 송신기를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 기반의 신호 송수신 시나리오를 예시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 빔포밍을 지원하기 위한 기지국 송신단 물리계층(PHY)의 블록도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 기반의 기지국과 단말간 통신의 시나리오의 일 예를 도시한 것이다.
도 4는 다수의 단위 빔들의 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중첩 빔들에 대한 빔 패턴들의 예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 기준 신호 전송을 위한 프레임 구조의 일 예를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 빔 중첩 모드를 운영하는 기지국의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 빔 중첩 모드를 운영하는 단말의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 9(도 9a 및 도 9b로 구성됨)는 본 발명의 일 실시예에 따른 송/수신 빔포밍 구조의 일 예를 도시한 것이다.
도 10과 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 서로 인접한 두 개 빔들과 서로 인접한 세 개 빔들이 중첩된 중첩 빔들의 빔 패턴들을 나타낸 것이다.
도 12(도 12a 및 도 12b로 구성됨)는 본 발명의 다른 실시예에 따라 빔 중첩 모드를 운영하는 단말의 동작을 나타낸 흐름도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
빔포밍 기반 무선 이동통신 시스템에서 특정 빔 특성(e.g., 빔폭, 빔이득)을 가지는 기본 단위의 좁은 빔들을 중첩하여 운용하기 위한 기술을 개시한다. 기본 단위의 좁은 빔들은 사용자의 이동성 및 채널상황의 변화특성에 대한 추정을 바탕으로 인접하는 다수 방향에서 중첩될 수 있다. 일 예로서 아날로그(analog)와 디지털(digital) 빔포밍의 조합으로 이루어진 복합(hybrid) 빔포밍 구조에서, 특정 빔 특성을 가지는 인접하는 다수의 단위 빔들(unit beams)을 중첩하여 실제 신호의 송수신에 사용될 빔폭을 증가시킴으로써 빔포밍에 대한 안정성(reliability)을 향상시킬 수 있다. 여기서 단위 빔은 중첩된 빔에 비하여 상대적으로 좁은(narrow) 빔폭을 가진다는 면에서, 좁은 빔(narrow beam)이라 칭할 수 있다. 중첩된 빔은 단위 빔에 비하여 상대적으로 넓은(wide) 빔폭을 가지는, 넓은 빔(wide beam or broad beam)이 된다.
WiGig(Wireless Gigabit)와 같은 종래의 기술에서는 다중 송수신 안테나를 이용한 다중 송수신 빔 운용(Multiple Input Multiple Output: MIMO)을 지원하지 않으며 기본적으로 하나의 RF(Radio Frequency) 경로(path)를 가지고 다수개의 RF/안테나 소자를 통한 아날로그 어레이를 통한 빔포밍을 운용한다. 빔포밍은 수신측에서 가장 수신 신호가 센 한 개의 빔을 선택하여 피드백 함으로써 운용된다. 이는 주로 실내에서 이동성이 없이 수 미터 이내의 근접거리에서 일반적으로 가시선(Line of Sight: LoS)의 채널경로를 가지는 환경에서 적용이 가능한 기술이다. 반면 수십 km/h의 이동성이나 단말의 빠른 회전을 가지거나 장애물로 인한 비-가시선(Non-Los: NLoS) 경로 특성 또는 채널 페이딩(fading)에 의한 급격한 채널상황의 변경이 이루어지는 실외의 무선이동통신에서는, 특정 방향으로의 빔이득을 최대화 하면서 지향성(directivity)을 가지는 좁은 빔폭의 빔포밍 운용만으로는 사용자 환경에 따른 큰 성능의 열화에 따른 민감도가 증대될 수 있다.
한편으로, 빔포밍 구조에 대한 고려나 시스템 운용 상의 문제점들의 고려 없이 단순히 하나 이상의 서로 다른 빔폭을 운용할 수 있다. 그러나 이 경우 서로 다른 방향의 서로 다른 빔폭의 빔들에 대한 각각의 채널상황을 추정하기 위해 별도의 기준 신호(reference signal)들이 필요하며, 이러한 기준 신호들의 송수신에 따라 오버헤드(overhead)가 증가한다. 더불어 각 기준 신호에 대한 별도의 채널상황 추정 프로세스(process)로 인해 복잡도가 증가하며, 서로 다른 빔폭들 별로 각각 별개의 기준 신호 및 심볼/프레임 구조가 필요하다는 또 다른 복잡도의 문제가 발생한다. 또한, 서로 다른 빔폭들을 운용하기 위해 서로 다른 아날로그/디지털 빔포밍 계수에 대한 서로 다른 설계와 각각에 대한 테이블의 저장 및 운용, 빔포밍 구조(beamforming structure)의 빔폭에 따른 가변적 운용으로 인한 복잡도의 증가가 발생한다.
따라서 후술되는 본 발명에서는 비교적 협소한 빔폭을 가지는 복수의 단위 빔들을 운용하는 빔포밍 기반 무선 이동통신 시스템에서, 주어진 빔 중첩 조건에 따라 인접한 단위 빔들을 중첩하여 하나의 넓은 빔으로 동작하도록 한다. 이러한 본 발명은 서로 다른 빔폭을 가지는 복수의 빔들을 운용하는 빔포밍 구조에 비하여, 동일한 빔 특성의 단위 빔들을 사용하므로 빔포밍 및 기준신호의 송수신에 의한 복잡도를 증가시키지 않으면서 빔포밍에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 기반의 신호 송수신 시나리오를 예시한 것이다. 여기에서는 두 개의 통신 노드들 간에 빔포밍을 이용하여 신호들을 송신 혹은 수신하기 위한 구조를 도시하였다. 상기 통신 노드들은 일 예로 기지국과 단말이 될 수 있다.
도 1을 참조하면, 기지국(100)은 한 개의 셀(cell)(10)과 셀(10)에 해당하는 하나 혹은 그 이상의 섹터(sector)(20)로 구성된 서비스영역을 가진다. 한 개 셀(10)에 속하는 섹터(20)의 수는 한 개 또는 이상으로 여러 가지 경우가 가능하다. 각 셀 혹은 각 섹터(20) 별로 다중빔이 운용될 수 있다. 기지국(100)은 빔 이득(beamforming gain)을 획득하면서 한 개 이상의 단말을 지원하기 위하여 하향링크(Downlink: DL)/상향링크(Uplink: UL)에 대해 한 개 이상의 송신빔/수신빔을 서로 다른 방향으로 동시에 또는 시간적으로 서로 다른 방향으로 스위핑(sweeping)하면서 형성(form)한다. 일 예로서 기지국(100)은 N개의 방향으로 향하는 N개의 수신빔들을 N개의 슬롯들 동안 동시에 형성한다. 다른 예로서 기지국(100)은 N개의 방향으로 향하는 N개의 수신빔들을 N개의 슬롯들 동안 스위핑하면서 순차적으로 형성한다. 구체적으로 제1 수신빔은 제1 슬롯에서만 형성되고, 제2 수신빔은 제2 슬롯에서만 형성되고, 제i 수신빔은 제i 슬롯에서만 형성되고, 제N 수신빔은 제N 슬롯에서만 형성된다.
단말(110)은, 단말(110)의 구조적인 제약으로 인해, 일반적으로 기지국(100)에 비하여 작은 빔이득을 지원하는 넓은 빔폭을 운용한다. 구현에 따라서 단말(110)은 하향링크/상향링크에 대해 한 개 이상의 수신빔/송신빔을 지원 가능하다.
기지국(100)과 단말(110)은 하나 이상의 빔들 중 서로 상대 통신국(correspondent station)의 방향으로 향하는 최적의 빔을 선택하고, 선택된 빔을 통해 신호를 송수신할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 빔포밍을 지원하기 위한 기지국 송신단 물리계층(PHY)의 블록도(block diagram)를 도시한 것이다. 여기에서는 아날로그 빔포밍 및 디지털 빔포밍을 동시에 적용하는 하이브리드 구조를 예로 도시하였다.
도 2를 참조하면, L개의 레이어들에 해당하는 L개의 디지털 신호들은 레이어별로 부호화기(ENC)(202)와 변조기(MOD)(204)를 거쳐 MIMO 부호화기(206)로 입력되며, MIMO 부호화기(206)에서 출력된 Mt개의 스트림들은 프리코더(208)에 의해 프리코딩되어 Nf개의 RF 경로들에 대응하는 Nf개의 프리코딩된 신호들로 변환된다. 프리코딩된 신호들 각각은, IFFT(210), 병렬/직렬 변환기(Parallel to Serial converter: P/S)(212)와 순환 프리픽스(Cyclic Prefix: CP) 삽입기(214) 및 디지털 아날로그 변환기(Digital to Analog Converter: DAC)(216)로 이루어진 RF 경로들을 거쳐 출력된다. RF 경로들로부터 출력된 신호들은 주파수 변환기(218)를 통해 RF 대역으로 변환된 후 아날로그 빔포밍부(220)로 입력된다.
아날로그 빔포밍부(220)는 다수 개의 위상 변환기(Phase Shifter)와 전력 증폭기(Power Amplifier: PA)/가변이득증폭기(Variable Gain Amplifier: VGA)를 통하여, 입력되는 RF 신호들을 다수개의 안테나 소자(antenna element)에 대한 위상(phase)과 신호세기(amplitude)로 제어함으로써 특정 빔폭을 가지며 특정 방향으로 전송되는 빔들을 형성한다. 상기 형성된 빔들은, 빔포밍 이득을 증가시키기 위하여 다수의 안테나 소자를 그룹핑하여 구성된 안테나 어레이(antenna array)(222)를 통해 전송된다.
또한 DAC(216) 이전의 IFFT(210)를 포함하는 RF 경로들과 MIMO 부호화기(206) 및 프리코더(208)에 의한 디지털 빔포밍을 통하여, 추가적인 빔포밍 이득의 확보, 다중 사용자 운용, 주파수 대역 선택적(frequency selective) 할당, 다중빔 형성 등의 기능을 얻을 수 있다. 도 1의 구조는 다수 블록들의 변경과 조합을 통하여 여러 가지 형태로 변형될 수 있다.
이러한 하이브리드 빔포밍 구조를 바탕으로 형성되는 빔들은, 기준 신호/데이터채널(data channel)/제어 채널(control channel)의 채널 특성에 따라서, 또는 단말의 이동성 및 채널특성을 고려하여, 또는 상향링크(uplink: UL)/하향링크(downlink: DL)나 송신(transmit)/수신(receive)에 따라서 서로 다르게 운용될 수 있다. 각 빔은 특정 방향으로 특정 빔폭과 빔 방향 및 빔 이득을 가지도록 아날로그/디지털 단의 빔포밍 계수(coefficients)를 조절함으로써 생성된다. 이 때, 안테나 입력전력이 동일하게 설정되는 경우, 빔폭을 넓게 생성함에 따라 해당 빔의 지향 방향에 대한 최대 빔 이득이 작아지는 상관관계를 가지게 된다.
하이브리드 빔포밍 구조에서 아날로그 빔포밍부(220)는 안테나 소자 별 위상 및 크기 가중치(magnitude weight)를 조정하여, 기지국의 셀(cell) 혹은 섹터(sector)를 아우르도록(span or cover) 특정 빔 이득을 가지는 빔들을 다수의 방향으로 균일하게 형성한다. 다수의 빔들은 특정 방향으로 동일한 최대 빔이득을 가지도록 빔폭 및 빔방향이 설정된다. 본 발명의 실시예에서 각 빔은 특정 빔 특성(e.g., 빔폭, 빔이득)을 가지는 단위 빔이 된다.
일 실시예로서 아날로그 빔포밍부(220)는 실제로 HPBW(Half Power Beam-Width)가 동일한 빔들이 셀/섹터를 아우르는 서로 다른 방향들로 스티어링(steering)되도록, 안테나 소자 별 위상 및 크기 가중치(magnitude weight)에 관련된 빔포밍 계수들을 조절함으로써, 단위 빔들을 형성한다. 일 예로서 아날로그 빔포밍부(220)는 안테나 소자 별로 비균일 빔 가중치(non-uniform beam weight)를 설정하여 서로 다른 방향으로의 빔들이 동일한 빔폭(HPBW)를 가지도록 한다.
다른 실시예로서 아날로그 빔포밍부(220)는 실제로는 정확히 동일한 HPBW를 가지지는 않으나 특정 방향으로의 최대 빔이득(array gain)이 동일한 다수의 빔들을 빔스페이스(beam space)에서 파상수(wave number)가 균일하도록 형성할 수 있다. 일 예로서 아날로그 빔포밍부(220)는 안테나 소자들의 개수에 비례하는 크기(size)의 디지털 퓨리에 변환(Digital Fourier Transform: DFT) 행렬의 컬럼(column)들로부터 동일한 빔 이득을 가지는 서로 다른 방향으로의 직교한 빔 세트를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 몇 개의 단위 빔들은 소정 조건 하에서 하나의 중첩 빔으로 중첩될 수 있다. 단위 빔들의 중첩은 아날로그(analog)-디지털(digital) 하이브리드(hybrid) 빔포밍 구조를 바탕으로 아날로그 단의 빔포밍을 통하여 형성된 단위 아날로그 빔들에 대하여, 디지털 단의 RF 경로에 각각 매핑(mapping)되는 아날로그 빔들을 디지털 단에서 조합함으로써 수행된다. 일 실시예로서, 하나의 RF 경로에 특정 방향으로의 단위 빔이 매핑될 수 있으며, 따라서 중첩 가능한 단위 빔들의 개수는 빔포밍 구조에 따른 RF 경로들의 개수(Nf)에 의해 제한되며, 단위 빔들의 중첩을 통하여 형성되는 중첩 빔의 최대 빔폭은 각 단위 빔의 빔폭과 송신 단의 RF 경로들의 개수에 의하여 정해지게 된다.
구체적으로, 아날로그 빔포밍부(220)는 어레이 안테나 가중치(array antenna weights)에 해당하는 계수들의 조절을 통하여 특정한 빔폭과 빔 이득을 가지는 단위 빔들을 형성할 수 있고, 파상수에 해당하는 값에 대해 오프셋(offset)을 주어 각 단위 빔을 스티어링 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 기반의 기지국과 단말간 통신의 시나리오의 일 예를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 기지국(300)은 다수의 빔포밍 된 신호를 동시에 또는 연속적으로 스위핑(sweeping)(305)하여 전송한다. 단말(310)은 구현에 따라서 수신 빔포밍을 지원하지 않으면서 전방향으로(omnidirectional) 신호를 수신하거나, 수신 빔포밍을 지원하되 특정 빔포밍 패턴(pattern)을 한 번에 한 가지만 지원하거나, 수신 빔포밍을 지원하면서 다수의 빔포밍 패턴을 서로 다른 방향으로 동시에 지원할 수 있다.
수신 빔포밍을 지원하지 않는 경우, 단말(310)은 기지국 송신 빔별로 송출되는 기준 신호에 대한 채널 품질을 측정하고, 측정 결과를 기반으로 다수의 기지국 송신빔 중 단말(310)에 대한 하나 혹은 그 이상의 최적의 빔(302)을 선택한다. 선택된 최적의 빔(302)에 대한 정보 및 그에 대한 채널 품질 정보(Channel Quality Information: CQI)는 기지국(300)으로 보고된다.
수신 빔포밍을 지원하는 경우, 단말(310)은, 단말(310)의 수신빔 패턴 별로 다수의 기지국 송신 빔들에 대한 채널 품질을 측정하고, 기지국 송신빔(302)과 단말 수신빔(312)의 조합들 중 전체 혹은 상위 몇 개에 대한 측정 결과를 기지국에 보고한다. 기지국(300)은 단말(310)의 보고를 바탕으로 단말에 적절한 송신빔을 할당한다. 단말(310)이 동시에 여러 개의 기지국 송신 빔을 수신 가능하거나 여러 개의 기지국 송신빔과 단말 수신빔 조합들을 지원 가능한 경우, 기지국(300)은 반복전송 또는 동시 전송을 통한 다이버시티 전송을 고려하여 하나 혹은 그 이상의 빔들을 선택할 수 있다.
아날로그 빔포밍을 위한 단위 빔들은 기지국의 셀/섹터를 아우르도록 형성된 특정 빔 특성을 가지며 서로 다른 방향을 향하도록 형성된다. 하향링크(Downlink)의 경우 기지국은 다수 개의 송신빔에 대하여 단말에 대해 최적인 하나의 송신빔을 통해서 신호를 송신하거나, 혹은 단말의 이동성이나 채널상황의 변경에 대한 추정을 바탕으로 빔 강인함(robustness)을 증대시키기 위하여 단위 빔들을 중첩(superposition)한 보다 넓은 빔(이하 중첩 빔이라 칭함)을 통해서 신호를 송신할 수 있다. 각 단위 빔 및 중첩 빔은 데이터 트래픽의 전송 혹은 제어 신호의 전송을 위해 사용될 수 있다.
도 3의 예를 참조하면, 기지국(300)은 단말(310)에 대하여 i번째 빔(302)을 선택하며, 추가적으로 양 옆의 i-1번째와 i+1번째의 빔들을 동시에 사용하여 동일한 신호를 단말(310)에게 전송한다. 즉 3개의 단위 빔들을 중첩함으로써 보다 넓은 빔폭을 가지는 중첩 빔이 형성된다. 중첩되는 단위 빔들의 최대 개수는 기지국(300)의 RF 경로 개수에 따라서 제한된다. 실제로 채널 변화에 강인한(robust) 빔 형성에 필요한 중첩될 빔들의 개수는, 단말의 이동성이나 채널상황의 변경을 바탕으로 정해진다. 일 예로 단말 또는 기지국은, CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)/RSSI(Receive Signal Strength Indicator)와 같은 채널 측정치에 대한 평균 또는 표준편차(standard deviation)가 특정 임계값(threshold) 조건을 만족하도록 소정 개수의 단위 빔들을 중첩할 수 있다.
도 4는 다수의 단위 빔들의 예를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 16x1 ULA(Uniform Linear Array) 안테나 구조에 대하여 DFT 행렬과 같은 빔 계수를 바탕으로 180도 섹터가 균일한 파상수를 가지는 16개의 빔 영역으로 나뉘어지도록 다수의 단위 빔들(402)이 형성되었다. 각 단위 빔은 특정 방향으로 동일한 최대 빔 이득을 가지며, 전체 180도 섹터를 각각의 빔이 동일한 빔 이득 범위 내에서 균일하게 지원한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중첩 빔들에 대한 빔 패턴들의 예를 도시한 것이다. 여기에서는 도 4의 단위 빔들을 0도 방향을 중심으로 인접한 양쪽 2개씩의 단위 빔들을 추가하여 중첩한 중첩 빔들의 빔 패턴들(502)을 도시하였다.
도 5를 참조하면, 중첩 빔들에 대한 각 빔 패턴(502)은, 아날로그 단에서 전체 안테나에 대한 이득이 동일하도록, 중첩되는 빔들의 개수에 따라서 빔포밍 계수에 대해 정규화(normalization)되었다.
이러한 정규화의 영향으로, 중첩 빔에 대한 특정 방향으로의 지향성이 작아지면서 빔폭이 증대되는 반면, 특정 방향으로의 최대 빔 이득은 감소하게 된다. 따라서 중첩되는 단위 빔들의 개수는, 지향성과 빔포밍 이득의 트레이드 오프(trade-off)를 고려하여 설정되는 것이 바람직하다. 추가적으로 중첩 빔의 빔이득 감소를 고려하여, 변조 및 부호화 방식(Modulation and Coding Scheme: MCS) 레벨의 설정을 포함하는 링크 적응화(link adaptation)가 수행될 수 있다. 다시 말해서 링크 적응화는 중첩 빔의 사용으로 인해 발생될 수 있는 빔포밍 이득의 감소를 보상하기 위하여 수행된다.
중첩 빔의 형성, 다시 말해서 빔 중첩은 단말의 이동성 및/또는 채널상황에 따라 빔포밍에 대한 안정성의 향상이 필요하다고 판단될 때 수행될 수 있다. 송신기(하향링크의 경우 기지국이며, 상향링크의 경우 단말임)는 선택된 단위 빔에 인접한 하나 혹은 그 이상의 단위 빔들을 중첩함으로써 보다 넓은 빔, 즉 중첩 빔을 형성한다. 빔 중첩 모드(Beam Superposition Mode)는 중첩 빔을 사용하여 신호를 송신하는 모드를 의미하며, 선택된 하나의 단위 빔을 사용하는 단위 빔 모드(즉 단일 좁은 빔 모드(single narrow beam mode))와 구별된다. 빔 중첩 모드의 실행 여부(enable/disable)를 정의하는 트리거 조건은, 소정 시간 동안의 채널 품질 임계값 및 중첩 빔에 대한 채널 품질과 선택된 하나의 최적 단위 빔에 대한 채널 품질의 비교에 의해 정의될 수 있다. 여기서 채널 품질은 일 예로서 CINR/RSSI와 같은 채널 측정치의 평균 및/또는 표준편차를 의미한다. 빔 중첩 모드의 트리거 판단을 위해 단말은 일 예로 도플러 속도의 추정값과 CINR/RSSI의 평균/표준편차 등과 같은 보고 메트릭(Report Metric)을 기지국으로 주기적 혹은 이벤트 트리거드(event-triggered)로 피드백할 수 있다.
빔 중첩 모드의 트리거가 결정되면, 송신기는 중첩을 수행할 빔들의 개수를 결정하고, 중첩될 빔들을 선택한다. 일 실시예로서 송신기는 빔 중첩에 의한 채널 품질(CINR/RSSI의 평균 혹은 표준편차)을 고려한다. 상기 채널 품질은 수신기로부터 보고된다. 추가적인 실시예로서 송신기는 빔폭의 증가(안정성 향상) 및 빔 이득 감소간의 트레이드 오프를 더 고려할 수 있다.
빔 중첩 모드의 트리거에 의한 단위 빔과 중첩 빔 간의 전환(transition)은 빔 중첩 모드의 트리거 조건과 보고 메트릭에 따라 수행될 수 있다. 빔 중첩 모드는 일 예로서 기지국에 의해 트리거되거나, 혹은 단말에 의해 트리거될 수 있다. 기지국에 의해 트리거되는 경우, 기지국은 소정 트리거 조건과 단말로부터의 보고 메트릭에 근거하여 빔 중첩의 실행 여부를 결정한다. 단말에 의해 트리거되는 경우, 단말은 소정 트리거 조건과 채널 품질의 측정 결과에 따라 빔 중첩 여부를 판단하고 빔 중첩의 온/오프(ON/OFF)를 기지국으로 요청한다.
다른 실시예로서, 하향링크 빔포밍에서 단말은 소정 트리거 조건과 기지국 송신빔과 단말 수신빔 조합에 대한 채널품질의 측정결과에 따라 단말의 수신빔 중첩 여부를 판단하고 단말 수신빔 중첩의 온/오프를 수행할 수 있다. 상향링크 빔포밍에서, 기지국은 소정 트리거 조건과 단말에서 단말의 단위 송신빔별로 전송하는 기준신호(reference signal)에 대한 채널 품질의 측정 결과에 따라 단말 송신빔 중첩의 온/오프를 단말에게 요청할 수 있다. 다른 실시예로서 상향링크 빔포밍에서 단말은 소정 트리거 조건과 기지국으로부터의 채널 품질 피드백에 근거하여 빔 중첩의 실행 여부를 결정한다. 또 다른 실시예로서 상향링크 빔포밍에서 기지국은 소정 트리거 조건과 단말 송신빔과 기지국 수신빔의 조합에 따른 채널품질의 측정을 바탕으로 상향링크에 대한 기지국의 수신빔 중첩을 온/오프하여 운용할 수 있다.
빔 중첩 모드의 실행을 위해, 단말은 각 단위 빔 혹은 중첩 빔에 대한 채널 품질을 측정해야 한다. 단말은 각 단위 빔에 매핑되는 기준 신호의 조합으로부터, 중첩 빔에 대한 통합(overall) 채널 품질을 추정할 수 있다. 혹은 단말은 소정 개수의 인접한 단위 빔들에 각각 매핑되는 기준 신호들의 채널품질 측정치들을 조합함으로써, 상기 인접한 단위 빔들을 포함하는 중첩 빔에 대한 통합 채널 품질을 추정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 기준 신호 전송을 위한 프레임 구조의 일 예를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 소정 시간 단위(예를 들어 1ms)의 서브프레임(602)은 각 섹터별로 하향링크 구간의 미드앰블(midamble)(604)을 통해 기준 신호(606)를 전송한다. 기준 신호(606)는 서로 다른 방향의 단위 빔들에 각각 매핑되는 복수의 파일럿 신호들을 포함한다. 도시된 예에서 기준 신호(606)는 4개의 기준 신호 심볼들 RS-1 내지 RS-4로 구성되며, 각 기준 신호 심볼은 주파수로 구분되는 4개의 파일럿 신호들을 포함하고, 각 파일럿 신호들은 하나의 단위 빔에 매핑된다. 일 예로 4번째 기준 신호 심볼은 빔들 b13 ~ b16에 매핑되는 파일럿 신호들을 포함한다.
단말은 각 단위 빔에 매핑되는 파일럿 신호로부터 특정한 하나의 단위 빔에 대한 채널 품질을 측정하거나, 단위 빔들에 매핑되는 파일럿 신호들의 조합으로부터 상기 단위 빔들의 중첩으로 생성되는 중첩 빔에 대한 채널 품질을 추정할 수 있다. 이러한 측정(혹은 추정)을 바탕으로 단말은 CINR 또는 RSSI와 같은 채널 품질 메트릭(metric)에 대한 순시(instant) 또는 시간적인 평균값(average)/분산(variance)/표준편차(standard deviation)를 측정하여 업데이트 하고 예측(prediction)한다. 다른 실시예로서, 단말은 미드앰블에 대한 측정을 바탕으로 시간/주파수에 대한 채널 변화를 추정하여 단말의 이동속도에 비례하는 도플러 속도와 같은 이동성 값을 추정하고, 추정된 값을 기반으로 단말의 이동속도와 그에 따른 빔들에 대한 민감도 증가 가능성을 간접적으로 예측할 수도 있다.
단말은 상기한 채널 품질의 측정/추정을 바탕으로, 기지국에서 설정한 트리거 조건에 따른 빔 중첩 모드의 여부(enable/disable)을 판단하고, 그 판단 결과에 따라서 빔 중첩 모드의 온/오프를 UL MAC(Media Access Control) 메시지나 UL 제어 채널(control channel)을 이용하여 기지국에 요청(request)하고, 또한 빔 중첩 모드의 실행에 관련된 빔별 채널 품질 정보를 기지국에 보고(report)할 수 있다.
기지국은 단말의 요청 및 보고에 따라서 단말에 대한 빔 중첩 모드의 실행 여부를 판단하고, 이에 따라 빔 중첩 모드에서 다수 빔의 중첩을 통해 데이터(혹은 제어 신호)를 송신하거나 혹은 단위 빔 모드에서 특정한 하나의 단위 빔을 통해 데이터(혹은 제어 신호)를 송신할 수 있다. 다른 실시예로서, 기지국에 의해 제공된 빔 중첩 모드의 천이를 위한 트리거 조건을 사용하여 단말이 빔 중첩 모드의 천이를 트리거할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 단말은 기지국으로부터의 빔 별 기준 신호들로부터 측정/추정한 채널 품질을 주기적/비주기적으로 기지국에 보고하고, 트리거 조건에 따른 기지국의 지시에 따라 빔 중첩 모드의 스위칭을 수행할 수 있다.
하기 <표 1>에 기지국이 제공하는 빔 중첩 모드의 트리거 조건을 나타내는 빔 중첩 모드 정보의 일 예를 나타내었다. 기지국은 하기의 빔 중첩 모드 정보에 포함되는 파라미터들 중 적어도 하나를 셀 내의 단말들에게 주기적 및/또는 이벤트 트리거드로 방송(broadcast) 및/또는 유니캐스트 전송(unicast)할 수 있다.
표 1
Parameter Value
Beam Superposition Allocation Threshold Value in dB unit
Beam Superposition Release Threshold Value in dB unit
Beam Superposition Allocation Timer Value in Subframes or Frame unit
Beam Superposition Release Timer Value in Subframes or Frame unit
Max Number of Beams Supported for Superposition Value in number of unit beams
- 빔 중첩 할당 임계값(Beam Superposition Allocation Threshold)는 단위 빔 모드에서 빔 중첩 모드로의 천이를 결정하기 위한, 개별 단위 빔에 대한 RSSI/CINR의 최대 표준 편차에 대한 임계값을 나타내는 dB 단위의 값이다. 일 예로서 빔별 RSSI/CINR는 단위 빔 모드에서 빔 중첩 모드로 천이되기까지의 시간 동안, 혹은 미리 정해지는 소정 시간 측정될 수 있다. (Threshold of the maximum of the standard deviations of the individual Unit Beam RSSI/CINR measurements over time to trigger mode transition from single beam to beam superposition)
- 빔 중첩 해제 임계값(Beam Superposition Release Threshold)은 빔 중첩 모드로부터 단위 빔 모드로의 천이를 결정하기 위한, 개별 단위 빔에 대한 RSSI/CINR의 최대 표준 편차에 대한 임계값을 나타내는 dB 단위의 값이다. 일 예로서 빔별 RSSI/CINR은 빔 중첩 모드에서 단위 빔 모드로 천이되기까지의 시간 동안, 혹은 미리 정해지는 소정 시간 동안 측정될 수 있다. (Threshold of the maximum of the standard deviations of the individual Unit Beam RSSI/CINR measurements over time to trigger mode transition from beam superposition to single beam)
- 빔 중첩 할당 타이머(Beam Superposition Allocation Timer)는 빔 중첩 모드의 트리거링 이벤트를 위해 채널 측정치의 평균 및 표준편차를 측정하기 위해 요구되는 최소 시간을 나타내는 서브프레임 혹은 프레임 단위의 값이다. 즉 빔 중첩 할당 타이머는 채널 측정을 위해 요구되는 서브프레임/프레임의 최소 개수를 나타낸다. (Minimum required number of subframes/frames to measure the average and standard deviation for the event of beam superposition triggering.)
- 빔 중첩 해제 타이머(Beam Superposition Release Timer)는 단위 빔 모드로의 이벤트 트리거링을 위해 채널 측정치의 평균 및 표준 편차를 측정하기 위해 요구되는 최소 시간을 나타내는 서브프레임 혹은 프레임 단위의 값이다. 즉 빔 중첩 해제 타이머는 채널 측정을 위해 요구되는 서브프레임/프레임의 최소 개수를 나타낸다. (Minimum required number of subframes/frames to measure the average and standard deviation for the event triggering from beam position to single beam) 일 실시예로서 빔 중첩 할당 타이머와 빔 중첩 해제 타이머는 동일한 하나의 파라미터로 대체될 수 있다.
- 빔 중첩 최대 개수(Max Number of Beam Supported for Superposition)는 빔 중첩을 통해 단말을 동시에 지원할 수 있는 인접 빔들의 최대 개수를 의미한다.(Maximum number of adjacent beams that could be concurrently supported for an MS with beam superposition) 앞서 설명한 바와 같이, 빔 중첩 최대 개수는 기지국의 RF 경로 개수에 따라 제한될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 빔 중첩 모드를 운영하는 기지국의 동작을 나타낸 흐름도이다. 여기에서는 하향링크 송신빔 중첩을 위한 기지국의 동작을 도시하였으나, 상향링크 송신빔 중첩을 위한 단말의 동작 역시 유사하게 이루어질 수 있음에 유의하여야 한다.
도 7을 참조하면, 과정 702에서 기지국은 빔 중첩 모드 정보를 셀 내의 단말들에게로 방송 혹은 유니캐스트 전송한다. 일 실시예로서 상기 빔 중첩 모드 정보는 시스템 정보에 포함되어 전송될 수 있으며, 미리 정해지는 시스템 정보의 전송 주기에 따라 전송되거나 혹은 소정 트리거링 조건에 따라 비주기적으로 전송될 수 있다. 빔 중첩 모드 정보는 단위 빔 모드와 빔 중첩 모드 간의 트리거 조건을 나타내는 적어도 하나의 파라미터들로서, 일 예로 빔 중첩 할당 임계값, 빔 중첩 해제 임계값, 빔 중첩 할당 타이머, 빔 중첩 해제 타이머, 빔 중첩 최대 개수 중 적어도 하나를 포함한다. 과정 704에서 기지국은 미리 정해지는 기준 신호의 전송 주기에 따라 단말이 단위 빔별 혹은 중첩 빔별 채널 품질을 측정할 수 있도록, 단위 빔 별로 기준 신호를 지속적으로 송신한다.
과정 706에서 기지국은 스케줄링을 통해 단말에 대한 빔 중첩 모드가 결정되었는지를 판단한다. 일 실시예로서 기지국은 미리 정해지는 스케줄링 주기에 따라 스케줄링을 수행하여 단말에 대해 빔 중첩 모드를 수행할 지 여부를 결정할 수 있다. 다른 실시예로서 기지국은 미리 정해지는 빔 중첩 모드의 결정 주기에 따라 혹은 미리 정해지는 트리거링 조건에 따라 단말에 대해 빔 중첩 모드를 적용할 것인지를 판단할 수 있다. 빔 중첩 모드의 적용 결정은 단말로 전송할 하향링크 데이터/제어신호가 존재하는지의 여부, 기지국과 단말의 빔 중첩 지원 여부, 기지국의 사용 가능한 빔 개수, 단말로부터 최근 소정 기간 동안 보고된 빔별 채널 품질에 대한 트리거 조건의 판단 등을 기반으로 이루어질 수 있다.
일 예로서 기지국은 단위 빔 모드로 동작하고 있는 단말로부터 빔 중첩 할당 타이머 동안 보고된 RSSI/CINR 측정치들의 표준편차가 빔 중첩 할당 임계값을 초과하는 경우, 상기 단말에 대해 빔 중첩 모드를 이네이블, 즉 활성화 할 것으로 결정한다. 또한 기지국은 빔 중첩 모드로 동작하고 있는 단말로부터 빔 중첩 해제 타이머 동안 보고된 RSSI/CINR 측정치들의 표준편차가 빔 중첩 해제 임계값을 초과하는 경우, 빔 중첩 모드를 해제, 즉 디세이블 하고 단위 빔 모드로 서비스할 것으로 결정한다.
일 실시예로서 기지국에서 사용되는 빔 중첩 모드의 트리거 조건은 단말에서 사용되는 트리거 조건과는 상이할 수 있다.
빔 중첩 모드로 단말을 서비스할 것으로 결정된 경우 혹은 빔 중첩 모드로 단말을 이미 서비스하고 있는 경우 과정 708로 진행하고, 단위 빔 모드로 단말을 서비스할 것으로 결정되거나 혹은 단위 빔 모드로 단말을 이미 서비스하고 있는 경우 과정 718로 진행한다.
과정 708에서 기지국은 빔 중첩 모드를 이네이블 할 것으로 결정된 단말로부터 빔 중첩 모드의 오프가 요청되었는지를 판단한다. 일 예로서 기지국은 단말로부터 빔 중첩 모드의 오프를 요청하는 UL MAC 메시지 혹은 UL 제어 채널 메시지가 수신되었는지를 판단한다. 단말에서 빔 중첩 모드를 사용하지 않을 것으로 결정한 경우, 기지국에서의 결정과 관계없이 기지국은 빔 중첩 모드를 디세이블할 수 있다. 빔 중첩 모드의 오프가 요청된 경우 과정 710으로 진행하며, 그렇지 않은 경우 과정 720으로 진행한다.
선택 가능한 실시예로서 기지국은 과정 706의 판단을 생략하고, 단말로부터의 요청에 따라 빔 중첩 모드의 실행 여부를 판단할 수 있다. 즉 기지국은 빔 중첩 모드를 판단하는 대신, 단말로부터 빔 중첩 모드의 오프 요청이 수신될 시 과정 710으로 진행하고, 빔 중첩 모드의 온 요청이 수신될 시 과정 720으로 진행할 수 있다.
선택 가능한 다른 실시예로서 기지국은 단말로부터의 요청에 관계 없이 기지국의 판단에 따라 빔 중첩 모드의 실행 여부를 판단할 수 있다. 즉 기지국은, 과정 706에서 빔 중첩 모드로 단말을 서비스할 것으로 결정된 경우 과정 720으로 진행하고, 단위 빔 모드로 단말을 서비스할 것으로 결정된 경우 과정 710으로 진행한다.
또 다른 실시예로서, 기지국은 과정 706에서 빔 중첩 모드로 결정되었을 시, 과정 718로 진행하여 단말로부터 빔 중첩 모드의 온 요청이 수신되었는지 판단할 수 있다. 또한 과정 706에서 단위 빔 모드로 결정되었을시 기지국은 과정 708로 진행하여 단말로부터 빔 중첩 모드의 오프 요청이 수신되었는지 판단할 수 있다.
과정 710 내지 과정 716은 단위 빔 모드의 동작에 대응한다. 과정 710 내지 과정 716 중 적어도 일부, 일 예로서 과정 710과 과정 712 등은 단위 빔 모드의 이네이블이 결정되기 이전에 이미 완료되거나, 혹은 단위 빔 모드로 결정된 이후에 수행될 수 있다. 선택 가능한 실시예로서, 기지국은 단위 빔 모드로 결정되었을 시, 단말에게 단위 빔 모드를 위한 CQI의 전송을 요청할 수 있다. 상기 단위 빔 모드를 위한 CQI는 일 예로서 복수의 빔들 각각에 대한 신호 품질들을 의미한다.
과정 710에서 기지국은 단말로부터 기지국의 단위 빔들 중 상위의 채널 품질을 가지는 N개의 빔들에 대한 빔 인덱스들, 즉 N개의 최적 빔 인덱스들 및/또는 상기 N개의 최적 빔들에 대한 채널 품질 정보(CQI)을 수신한다. 여기서 보고를 수행할 빔들의 개수 N은 미리 정해지거나 기지국으로부터 방송되는 제어 정보에 의해 지시될 수 있다. 상기 CQI는, 일 예로서 각 최적 빔에 대한 CINR 및/또는 RSSI를 포함할 수 있다. 과정 712에서 기지국은 단말의 최적 빔 인덱스들과 그 CQI를 기반으로 데이터 버스트의 전송을 위해 사용할 하나의 단위 빔을 선택한다. 일 예로 기지국은 사용 가능한 단위 빔들 중 단말에 대해 최상의 채널 품질을 가지는 하나의 단위 빔을 선택한다.
과정 714에서 기지국은 선택된 단위 빔을 통해 버스트를 전송할 때 사용할 MCS 레벨을 결정하는 동작을 포함하는 링크 적응화 동작과 함께, 버스트 전송을 위한 자원 할당을 결정하는 버스트 스케줄링을 수행한다. 과정 716에서 기지국은 선택된 단위 빔을 통해 단말에게 데이터 버스트를 전송하고, 미리 정해지는 전송 주기들 중 적어도 하나에 따라 과정 702,704,706 중 어느 하나로 진행한다.
과정 718에서 기지국은 빔 중첩 모드를 디세이블할 것으로 결정된 단말로부터 빔 중첩 모드의 온이 요청되었는지를 판단한다. 일 예로서 기지국은 단말로부터 빔 중첩 모드의 온을 요청하는 UL MAC 메시지 혹은 UL 제어 채널 메시지가 수신되었는지를 판단한다. 단말에서 빔 중첩 모드를 사용할 것으로 결정한 경우, 기지국에서의 결정과 관계없이 기지국은 빔 중첩 모드를 이네이블할 수 있다. 빔 중첩 모드의 온이 요청된 경우 과정 720으로 진행하며, 그렇지 않은 경우 단위 빔 모드로 동작하기 위해 과정 710으로 진행한다.
과정 720 내지 과정 728은 빔 중첩 모드의 동작에 대응한다. 과정 720 내지 과정 728 중 적어도 일부, 일 예로서 과정 720과 과정 722 등은 빔 중첩 모드의 이네이블이 결정되기 이전에 이미 완료되거나, 혹은 빔 중첩 모드로 결정된 이후에 수행될 수 있다. 선택 가능한 실시예로서, 기지국은 빔 중첩 모드로 결정되었을 시, 단말에게 빔 중첩 모드를 위한 CQI의 전송을 요청할 수 있다. 상기 빔 중첩 모드를 위한 CQI는 일 예로서 소정 개수의 빔들에 대한 신호 품질들 혹은 신호 품질들의 합(혹은 평균)을 나타낸다. 즉 상기 빔 중첩 모드를 위한 CQI는 소정 개수의 중첩되는 빔들에 대한 평균적인 신호 품질을 나타낼 수 있다.
과정 720에서 기지국은 단말로부터 소정의 임계값을 만족하는 인접 빔들의 개수(M)에 대한 정보를 수신한다. 선택 가능한 실시예로서 과정 720은 생략될 수 있으며, 기지국은 과정 722를 통해 중첩할 빔들의 개수를 인식할 수 있다. 과정 722에서 기지국은 단말로부터, 기지국의 단위 빔들 중 최적의 채널 품질을 가지는 하나의 단위 빔과 그를 중심으로 하는 인접한 빔들을 포함하는 M개의 인접 빔들에 대한 CQI를 수신한다. 추가적으로 단말은 M개의 인접 빔들에 대한 빔 인덱스들을 함께 보고할 수 있다. 일 예로서 중첩할 인접 빔 개수가 3개이고, 단말이 기지국의 단위 빔들 중 빔 #7이 가장 양호한 채널 품질, 즉 CINR/RSSI를 가진다고 판단하였다면, 빔 #7을 중심으로 빔 #6,7,8에 대한 인덱스들과 그의 CQI가 기지국으로 보고된다. 여기서 CQI는 빔#6,7,8 각각의 신호품질을 포함하거나, 혹은 빔#6,7,8의 합산 혹은 평균 신호품질을 포함할 수 있다.
과정 724에서 기지국은 아날로그 빔포밍부의 빔포밍 계수들을 조정하고 디지털 빔포밍부를 제어함으로써, 과정 722에서 수신한 M개의 인접 빔들이 중첩되도록 조정한다. 구체적인 실시예로서 단위 빔들의 중첩은 아날로그-디지털 하이브리드 구조 하에서 아날로그 빔포밍부에서 생성된 단위 아날로그 빔들을 디지털부의 RF 체인/경로에 매핑함으로써 이루어진다. 선택 가능한 혹은 조합 가능한 실시예로서, 아날로그 빔포밍부에서 중첩 대상의 아날로그 단위 빔들에 대한 빔 계수들의 합에 해당하는 값을 각 안테나 소자 별 크기 및 위상 가중치(amplitude and phase weight)들로 설정함으로써, 단위 빔들의 중첩이 가능하다. 즉, 단위 빔들을 생성하기 위한 크기 및 위상 가중치들의 합과 전체 안테나 소자들이 동일한 전력을 가지게 하기 위한 정규화 인자(normalization factor)를 아날로그-디지털 단에 반영하여 빔 중첩이 이루어질 수 있다.
도 2의 구성 예를 참조하면, 디지털 단의 각 RF 경로에 중첩하고자 하는 단위 아날로그 빔에 대한 이득에 해당하는 아날로그 빔 가중치를 설정하고, 디지털 빔포밍부로부터의 동일한 데이터를 다수의 RF 경로들에 매핑하여 전송함으로써 빔 중첩이 이루어지게 된다.
과정 726에서 기지국은 M개의 인접 빔을 중첩함으로써 형성된 중첩 빔을 통해 버스트를 전송할 때 사용할 MCS 레벨을 결정하는 동작을 포함하는 링크 적응화 동작과 함께, 버스트 전송을 위한 자원 할당을 결정하는 버스트 스케줄링을 수행한다. 과정 728에서 기지국은 형성된 중첩 빔을 통해 단말에게 데이터 버스트를 전송하고, 미리 정해지는 전송 주기들 중 적어도 하나에 따라 과정 702,704,706 중 어느 하나로 진행한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 빔 중첩 모드를 운영하는 단말의 동작을 나타낸 흐름도이다. 여기에서는 하향링크 수신빔 중첩을 위한 단말의 동작을 도시하였으나, 상향링크 수신빔 중첩을 위한 기지국의 동작 역시 유사하게 이루어질 수 있음에 유의하여야 한다.
도 8을 참조하면, 과정 802에서 단말은 미리 정해지는 시스템 정보의 전송 주기에 따라 기지국으로부터 방송 혹은 유니캐스트 전송되는 빔 중첩 모드 정보를 수신한다. 빔 중첩 모드 정보는 단위 빔 모드와 빔 중첩 모드 간의 트리거 조건을 나타내는 적어도 하나의 파라미터들로서, 일 예로 빔 중첩 할당 임계값, 빔 중첩 해제 임계값, 빔 중첩 할당 타이머, 빔 중첩 해제 타이머, 빔 중첩 최대 개수 중 적어도 하나를 포함한다. 과정 804에서 단말은 미리 정해지는 기준 신호의 전송 주기에 따라 기지국이 단위 빔 별로 순차적으로 혹은 동시에 송신하는 기준 신호를 수신한다.
과정 806에서 단말은 상기 기준 신호를 기반으로 단위 빔들 및 인접 빔들에 대한 채널 품질을 측정하거나 추정한다. 구체적으로 단말은 각 단위 빔에 대한 채널 품질을 측정하며, 또한 상위 적어도 하나의 단위 빔과 그에 인접한 소정 개수의 인접 빔들의 조합에 대한 채널 품질을 추정한다. 상기 빔 조합에 대한 채널 품질은 해당 중첩 빔에 대한 채널 품질이 된다.
과정 808에서 단말은 기지국으로부터 수신된 스케줄링 정보를 기반으로, 기지국이 단말을 위해 빔 중첩 모드를 수행할 것으로 결정하였는지를 판단한다. 다른 실시예로서 단말은 미리 정해지는 빔 중첩 모드의 결정 주기에 따라 혹은 소정 트리거링 조건에 따라 기지국으로부터 전송되는 빔 중첩 모드에 대한 지시 신호를 수신하고, 상기 지시 신호에 의해 빔 중첩 모드가 결정되었는지를 판단할 수 있다. 빔 중첩 모드로 결정된 경우, 혹은 빔 중첩 모드가 이미 적용되고 있는 경우 과정 810으로 진행하며, 그렇지 않은 경우 과정 816으로 진행한다.
선택 가능한 실시예로서 단말은 과정 808을 생략하고, 단말에서의 판단에 따라 빔 중첩 모드의 실행 여부를 판단할 수 있다. 즉 단말은 기지국으로부터 빔 중첩 모드에 대한 지시를 수신하는 대신, 빔 중첩 모드의 오프 조건 혹은 온 조건이 만족되는지를 판단하며, 만일 오프 조건이 만족되는 경우 과정 812로 진행하고, 온 조건이 만족되는 경우 과정 818로 진행할 수 있다.
선택 가능한 다른 실시예로서 단말은 단말에서의 판단에 관계 없이 기지국의 지시에 따라 빔 중첩 모드의 실행 여부를 판단할 수 있다. 즉 단말은, 과정 808에서 빔 중첩 모드로 동작할 것을 기지국으로부터 지시받은 경우 과정 820으로 진행하고, 단위 빔 모드로 동작할 것을 기지국으로부터 지시받은 경우 과정 814로 진행한다.
또 다른 실시예로서, 단말은 과정 808에서 빔 중첩 모드로 지시되었을 시, 과정 816로 진행하여 빔 중첩 모드의 온 조건이 만족되었는지 판단할 수 있다. 또한 과정 808에서 단위 빔 모드로 지시되었을 시 단말은 과정 810로 진행하여 빔 중첩 모드의 오프 조건이 만족되었는지 판단할 수 있다.
과정 810에서 단말은 과정 802에서 수신한 빔 중첩 모드 정보에 포함된 트리거 조건을 기반으로 빔 중첩 모드의 오프 조건이 만족되었는지를 결정한다 일 예로서 단말은 빔 중첩 해제 타이머 동안의 최적인 한 개 단위 빔 또는 특정 채널품질 이상을 만족하는 단위 빔들 중에서 적어도 한 개 단위 빔의 RSSI/CINR 측정치들의 표준편차가 빔 중첩 해제 임계값 이내인 경우, 빔 중첩 모드를 해제, 즉 디세이블 하고 단위 빔 모드로 동작할 것으로 결정한다. 다른 예로서 단말은 최적의 단일 단위 빔에 대한 채널 품질(CINR 평균/표준편차)와, 최적의 단일 단위 빔을 중심으로 하는 소정 개수의 인접 단위 빔들에 대한 중첩 빔의 채널 품질을 비교하여, 보다 나은 채널 품질을 보이는 빔 모드를 사용할 것으로 결정할 수 있다.
빔 중첩 모드의 오프 조건이 만족된 경우 단말은 빔 중첩 모드를 디세이블하고 단위 빔 모드로 동작하기 위하여 과정 812로 진행하며, 그렇지 않은 경우 과정 820으로 진행한다.
과정 812에서 단말은 빔 중첩 모드의 오프를 요청하는 소정 메시지, 일 예로서 UL MAC 메시지 혹은 UL 제어 채널 메시지를 기지국으로 전송한다. 선택 가능한 실시예로서 단말은 단위 빔 모드로 결정되었을 시, 기지국으로부터 단위 빔 모드를 위한 CQI 요청을 수신할 수 있다. 상기 단위 빔 모드를 위한 CQI는 일 예로서 복수의 빔들 각각에 대한 신호 품질들을 의미한다.
과정 814에서 단말은 기지국의 모든 단위 빔들 중 상위의 채널 품질을 가지는 N개의 빔들에 대한 빔 인덱스들, 즉 N개의 최적 빔 인덱스들을 기지국으로 보고한다. 단말은 N개의 최적 빔 인덱스들과 함께, 최적 빔들에 대한 채널 품질을 나타내는 채널 품질정보(CQI), 즉 CINR 및/또는 RSSI를 추가적으로 기지국에게 전송할 수 있다. 여기서 보고를 수행할 빔들의 개수 N은 미리 정해지거나 기지국으로부터 방송되는 제어 정보에 의해 지시될 수 있다.
과정 828에서 단말은 기지국의 버스트 스케줄링에 따라 스케줄링된 경우, 과정 814의 N개의 빔들 중 선택된 하나의 단위 빔을 통해 기지국으로부터 전송되는 데이터 버스트를 수신한다. 이후 단말은 미리 정해지는 전송 주기들 중 적어도 하나에 따라 과정 802,804,808 중 어느 하나로 진행한다.
한편, 과정 816에서 단말은 과정 802에서 수신한 빔 중첩 모드 정보의 트리거 조건을 기반으로 빔 중첩 모드의 온 조건이 만족되었는지를 결정한다. 일 예로서 단말은 빔 중첩 할당 타이머 동안의 최적인 한 개 단위 빔 또는 특정 채널품질 이상을 만족하는 단위 빔들의 RSSI/CINR 측정치들의 표준편차가 빔 중첩 할당 임계값을 초과하는 경우, 빔 중첩 모드를 이네이블 할 것으로 결정한다. 다른 예로서 단말은 최적의 단일 단위 빔에 대한 채널 품질(CINR 평균/표준편차)와, 최적의 단일 단위 빔을 중심으로 하는 소정 개수의 인접 단위 빔들에 대한 중첩 빔의 채널 품질을 비교하여, 보다 나은 채널 품질을 보이는 빔 모드를 사용할 것으로 결정할 수 있다.
빔 중첩 모드의 온 조건이 만족된 경우 단말은 빔 중첩 모드를 이네이블하기 위하여 과정 818로 진행한다.
과정 818에서 단말은 빔 중첩 모드의 온을 요청하는 UL MAC 메시지 혹은 UL 제어 채널 메시지를 기지국으로 전송한다. 선택 가능한 실시예로서 단말은 빔 중첩 모드로 결정되었을 시, 기지국으로부터 빔 중첩 모드를 위한 CQI 요청을 수신할 수 있다. 상기 빔 중첩 모드를 위한 CQI는 일 예로서 소정 개수의 빔들에 대한 신호 품질들 혹은 신호 품질들의 합(혹은 평균)을 나타낸다.
과정 820에서 단말은 중첩될 인접 빔들의 개수(M)를 추정한다. 더불어 단말은 상기 중첩될 인접 빔들을 식별한다. 추정된 인접 빔들의 개수에 대한 정보는 기지국으로 보고될 수 있다. 일 예로 단말은 채널 품질 측정치가 소정의 임계값을 초과하는 인접 빔들를 선택할 수 있으며, 상기 임계값은 미리 정해지거나 혹은 기지국으로부터 시그널 될 수 있다. 또한 단말은 기지국으로부터 시그널링된 빔 중첩 최대 개수 이내에서 상기 M의 값을 결정할 수 있다. 과정 824에서 단말은 M개의 인접 빔들에 대한 CQI를 측정 및 추정한다. 일 예로서 단말은 기지국의 모든 단위 빔들 중 최상의 채널 품질을 가지는 하나의 빔과 그의 인접 빔들을 포함하는 M개의 인접 빔들 각각에 대한 채널 품질을 측정하며, 전체 인접 빔들의 채널 품질 측정치들을 조합하여 M개의 인접 빔들 전체에 대한 채널 품질을 추정한다. 과정 826에서 단말은 M개의 인접 빔들에 대한 채널 품질을 나타내는 통합 CQI를 기지국으로 보고한다. 추가적으로 단말은 중첩을 원하는 인접 빔들의 인덱스들 및 상기 인접 빔들의 개수(M)를 기지국으로 보고할 수 있다.
과정 828에서 단말은 기지국의 버스트 스케줄링에 따라 스케줄링된 경우, 과정 824의 M개의 인접 빔들이 중첩된 중첩 빔을 통해 기지국으로부터 전송되는 데이터 버스트를 수신한다. 이후 단말은 미리 정해지는 전송 주기들 중 적어도 하나에 따라 과정 802,804,808 중 어느 하나로 진행한다.
도 7 및 도 8의 실시예들에서는 기지국에서 빔 중첩 모드를 스케줄링하고, 단말에서 빔 중첩 모드의 이네이블/디세이블을 결정하는 동작을 도시하였다. 다른 실시예로서 기지국이 단독으로 빔 중첩 모드를 결정하거나, 단말이 단독으로 빔 중첩 모드를 결정하는 것도 가능하다.
도 9(도 9a 및 도 9b로 구성됨)은 본 발명의 일 실시예에 따른 송/수신 빔포밍 구조의 일 예를 도시한 것이다.
도 9a 도시한 바와 같이 송신기(900)는 디지털 빔포밍부(910)와 아날로그 빔포밍부(922)로 구성되며, 이들은 IFFT(916), P/S(918) 및 DAC(920)로 각각 구성된 NRF,Tx개의 RF 경로들에 의해 상호 접속된다. 디지털 빔포밍부(910)는 MIMO 부호화기(912)와 기저대역(Base Band: BB) 프리코더(914)를 포함하며, 아날로그 빔포밍부(922)는 주파수 변환기(924)와 RF 경로별 위상 변환/전력 증폭기들(926,928) 및 결합기(930)과 안테나 어레이(932)로 구성된다. 다른 실시예로서 아날로그 빔포밍부(922)는 주파수 변환기(924)와 안테나 어레이(932)를 제외한 구성을 가지는 것으로 정의될 수 있다.
송신기(900)는 디지털 빔포밍부(910)와 아날로그 빔포밍부(922)를 제어하며, 하이브리드 빔포밍과 빔 중첩을 위해 필요한 정보들을 획득 및 수신기(950)와의 사이에서 교환하고, 디지털 빔포밍부(910)와 아날로그 빔포밍부(922)를 제어하기 위해 필요한 정보들, 일 예로서 빔포밍 계수 행렬 등을 결정하는 빔포밍 제어기(934)를 더 포함한다. 빔포밍 제어기(934)는 소정 트리거 조건 및 상대 통신국, 즉 수신기(950)와의 시그널링을 통해 빔 중첩 모드의 이네이블/디세이블을 판단하고, 그에 따라 아날로그 빔포밍부의 빔포밍 계수들을 조정하고 디지털 빔포밍부의 RF 경로 매핑을 제어한다.
송신기(900)에 의해 형성된 빔들은 빔공간 유효 채널(Beam Space Effective Channel) Heff를 형성하는 MIMO 채널(640)을 통해 수신기(950)에 도달한다.
도 9b를 참조하면, 수신기(950)는 송신기(900)와 유사하게, 아날로그 빔포밍부(952)와 디지털 빔포밍부(968)로 구성되며, 이들은 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter: ADC)(962), 직렬/병렬 변환기(Serial to Parallel Converter: S/P)(964) 및 FFT(966)로 각각 구성된 NRF,Rx개의 RF 경로들에 의해 상호 접속된다. 아날로그 빔포밍부(952)는 안테나 어레이(954)과 RF 경로별 저잡음 증폭(Low Noise Amplifier: LNA)(956)/위상 변환기들(958) 및 주파수 변환기(960)로 구성된다. 다른 실시예로서 아날로그 빔포밍부(952)는 안테나 어레이(954)와 주파수 변환기(960)를 제외한 구성을 가지는 것으로 정의될 수 있다. 디지털 빔포밍부(968)는 기저대역 결합기(970)와 MIMO 복호화기(972)를 포함하여 구성된다.
수신기(950)는 디지털 빔포밍부(968)와 아날로그 빔포밍부(952)를 제어하며, 하이브리드 빔포밍과 빔 중첩을 위해 필요한 정보들을 생성 및 송신기(934)와의 사이에서 교환하고, 디지털 빔포밍부(968)와 아날로그 빔포밍부(952)를 제어하기 위해 필요한 정보들, 일 예로서 빔포밍 계수 행렬 등을 결정하는 빔포밍 제어기(974)를 더 포함한다. 빔포밍 제어기(974)는 소정 트리거 조건 및 상대 통신국, 즉 송신기(900)와의 시그널링을 통해 빔 중첩 모드의 이네이블/디세이블을 판단하고, 그에 따라 아날로그 빔포밍부의 빔포밍 계수들을 조정하고 디지털 빔포밍부의 RF 경로 매핑을 제어한다.
하향링크에서 송신기(900)는 기지국이 되고 수신기(950)는 단말이 된다. 상향링크에서 송신기(900)는 단말이 되고 수신기(950)는 기지국이 된다.
송신기(900)는 아날로그 빔포밍을 통하여 지향성을 가지는 서로 다른 방향으로의 특정 빔폭을 가지는 다수의 단위 빔들을 형성하고, 특정 트리거 조건 및/또는 수신기(950)로부터의 요청에 따라 상기 다수의 단위 빔들 중 인접한 복수의 빔들을 중첩하여 중첩 빔을 생성한다. 수신기(950)는 송신기(900)로부터 단위 빔들을 통해 송출되는 기준 신호들을 수신하여 측정하고, 특정 트리거 조건 및/또는 측정 결과에 따라 빔 중첩 모드의 이네이블/디세이블을 결정한다. 또한 수신기(950)는 빔 중첩 모드의 동작에 필요한 정보(빔 중첩 모드의 이네이블/디세이블, 채널 품질 정보 등)를 송신기(900)로 보고할 수 있다.
도 10과 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 서로 인접한 두 개 빔들과 서로 인접한 세 개 빔들이 중첩된 중첩 빔들의 빔 패턴들을 나타낸 것이다. 도 5에서와 유사하게, 중첩 빔들에 대한 각 빔 패턴은, 아날로그 단에서 전체 안테나에 대한 이득이 동일하도록, 중첩되는 빔들의 개수에 따라서 빔포밍 계수에 대해 정규화(normalization)되었다. 도시한 바와 같이, 중첩 빔들은 도 4의 단위 빔들에 비하여 보다 넓은 빔폭으로 안정성 있는 통신을 가능하게 한다.
하향링크에서 기지국이 송신 빔들을 중첩하여 신호를 송신하는 것과 유사하게, 단말은 하향링크 신호에 대한 수신 하이브리드 빔포밍을 통하여 수신 빔들을 중첩할 수 있다. 이 경우 단말은 단말의 수신 빔 중첩을 고려하여 기지국의 송신빔 중첩에 대한 트리거 여부를 판단한다. 단말에서 수신 빔 중첩이 가능한 경우, 단말의 이동성이나 채널 변화(channel variation/fluctuation)가 큰 경우에도 단말은 기지국의 하나의 송신 빔에 대해 단말의 수신 빔들을 중첩함으로써 수신 신호의 안정성을 획득할 수 있으므로, 기지국의 송신 빔 중첩을 필요로 하지 않을 수 있다.
또한, 기지국이 송신 빔 중첩 모드를 운용하는 경우, 단말은 기지국의 한 개 이상 인접 송신 빔에 대한 중첩 송신뿐만 아니라, 단말의 한 개 이상 수신 빔에 대한 중첩 수신까지를 고려하여, 기지국에서 중첩을 수행할 빔들의 인덱스나 빔들의 개수를 결정할 수 있다. 이때, 단말의 수신빔 중첩은, 기지국의 송신빔 중첩과 유사하게 인접한 수신 빔들을 중첩함에 의해 구현되거나 혹은, 단말에서 서로 다른 방향의 한 개 이상의 수신 빔들을 자체적으로 다이버시티(diversity) 수신함에 의해 구현될 수 있다.
도 12(도 12a 및 도 12b로 구성됨)는 본 발명의 다른 실시예에 따라 빔 중첩 모드를 운영하는 단말의 동작을 나타낸 흐름도이다. 하기에서는 하향링크 빔 중첩에 대한 동작을 설명하였으므로, 송신 빔은 기지국 송신 빔을 의미하며, 수신 빔은 단말 수신 빔을 의미한다.
도 12를 참조하면, 과정 1202에서 단말은 기지국으로부터 방송 혹은 유니캐스트 전송되는 빔 중첩 모드 정보를 수신한다. 빔 중첩 모드 정보는 단위 빔 모드와 빔 중첩 모드 간의 트리거 조건을 나타내는 파라미터 세트로서, 일 예로 빔 중첩 할당 임계값, 빔 중첩 해제 임계값, 빔 중첩 할당 타이머, 빔 중첩 해제 타이머, 빔 중첩 최대 개수 중 적어도 하나를 포함한다. 다른 실시예로서 빔 중첩 모드 정보는, 기지국 송신 빔 중첩 모드의 트리거 조건을 나타내는 파라미터 세트와 단말 수신 빔 중첩 모드의 트리거 조건을 나타내는 파라미터 세트를 모두 포함할 수 있다. 과정 1204에서 단말은 기지국이 단위 빔 별로 순차적으로 혹은 동시에 송신하는 기준 신호를 수신한다.
과정 1206에서 단말은 송신 빔들, 인접 송신 빔들 및 인접 수신 빔들에 대한 채널 품질들을 측정하거나 추정한다. 구체적으로 단말은 각 송신 빔과 각 수신 빔에 대한 채널 품질을 측정하며, 또한 상위 적어도 하나의 송신 빔과 그에 인접한 소정 개수의 송신 빔들과, 상위 적어도 하나의 송신 빔과 그에 인접한 소정 개수의 수신 빔들의 조합에 대한 채널 품질을 추정한다.
과정 1208에서 단말은 기지국으로부터 수신된 스케줄링 정보를 통해, 기지국이 단말을 위해 기지국 송신 빔 중첩 모드를 수행할 것으로 결정하였는지를 판단한다. 기지국 송신 빔 중첩 모드로 결정된 경우 과정 1210으로 진행하며, 그렇지 않은 경우 과정 1216으로 진행한다.
과정 1210에서 단말은 과정 1202에서 수신한 빔 중첩 모드 정보의 트리거 조건을 기반으로 기지국 송신 빔 중첩 모드의 오프 조건이 만족되었는지를 결정한다 구체적인 예로서 단말은 빔 중첩 해제 타이머 동안의 최적인 한 개 단위 빔 또는 특정 채널품질 이상을 만족하는 단위 빔들 중에서 적어도 한 개 단위 빔의 RSSI/CINR 측정치들의 표준편차가 빔 중첩 해제 임계값 이내인 경우, 빔 중첩 모드를 해제, 즉 디세이블 하고 단위 빔 모드로 동작할 것으로 결정한다. 빔 중첩 모드의 오프 조건이 만족된 경우 빔 중첩 모드를 디세이블하고 단위 빔 모드로 동작하기 위하여 과정 1212로 진행하며, 그렇지 않은 경우 과정 1222로 진행한다.
과정 1212에서 단말은 기지국 송신 빔 중첩 모드의 오프를 요청하는 메시지를 기지국으로 전송한다. 과정 1214에서 단말은 기지국의 모든 송신 빔들 중 상위의 채널 품질을 가지는 N개의 송신 빔들에 대한 빔 인덱스들, 즉 N개의 최적 송신 빔 인덱스들을 기지국으로 보고한다. 단말은 N개의 최적 송신 빔 인덱스들과 함께, 최적 송신 빔들에 대한 채널 품질을 나타내는 채널 품질정보(CQI), 즉 CINR 및/또는 RSSI를 추가적으로 기지국에게 전송할 수 있다. 여기서 보고를 수행할 빔들의 개수 N은 미리 정해지거나 기지국으로부터 방송되는 제어 정보에 의해 지시될 수 있다.
과정 1232에서 단말은 기지국의 버스트 스케줄링에 따라 스케줄링된 경우, 과정 1214의 N개의 송신 빔들 중 선택된 하나의 송신 빔을 통해 기지국으로부터 전송되는 데이터 버스트를 수신한다.
과정 1216에서 단말은 과정 1202에서 수신한 빔 중첩 모드 정보의 트리거 조건을 기반으로 기지국 송신 빔 중첩 모드의 온 조건이 만족되었는지를 결정한다. 구체적인 예로서 단말은 빔 중첩 할당 타이머 동안의 RSSI/CINR 측정치들의 표준편차가 빔 중첩 할당 임계값을 초과하는 경우, 빔 중첩 모드를 이네이블 할 것으로 결정한다. 빔 중첩 모드의 온 조건이 만족된 경우 과정 1218로 진행한다.
과정 1218에서 단말은 송신 빔 중첩 없이 수신 빔들에 대한 중첩 만으로 수신 신호의 안정성을 획득할 수 있다고 판단되면, 다시 말해서 송신 빔 중첩 없이 수신 빔들에 대한 중첩 만으로 송신 빔 중첩 모드의 오프 조건이 만족되면, 송신 빔 중첩 없이 수신 빔 중첩 모드를 수행할 것으로 결정한다. 일 예로서 단말은 단말의 이동성(일 예로서 도플러 속도 등)이나 채널 변화가 소정의 임계값 이내인 경우, 기지국의 송신 빔 중첩을 필요로 하지 않는다고 판단할 수 있다. 기지국의 송신 빔 중첩 및 단말의 수신 빔 중첩을 모두 수행하지 않을 것으로 판단한 경우, 과정 1230에서 단말은 수신 빔 중첩을 통해 기지국으로부터의 하향링크 신호를 수신하도록 단말의 수신 빔 포밍부를 설정(즉 제어)하고 과정 1214로 진행한다.
과정 1218에서 송신 빔 중첩 없이 수신 빔 중첩 만으로 송신 빔 중첩 모드의 오프 조건이 만족되지 않는 경우 단말은 기지국의 송신 빔 중첩과 단말의 수신 빔 중첩을 모두 수행할 것으로 판단하여 과정 1220으로 진행한다. 과정 1220에서 단말은 빔 중첩 모드의 온을 요청하는 메시지를 기지국으로 전송한다. 과정 1222에서 단말은 소정의 임계값을 만족하는 인접 빔들의 개수(M)를 추정한다. 구체적으로 단말은 채널 품질 측정치가 소정의 임계값을 초과하는 인접 빔들의 개수를 결정할 수 있다. 과정 1224에서 단말은 M개의 인접 송신 빔들 및 N개의 인접 수신 빔들에 대한 CQI를 측정 및 추정한다. 구체적으로 단말은 기지국의 모든 송신 빔들 중 최상위의 채널 품질을 가지는 하나의 송신 빔과 그의 인접 송신 빔들을 포함하는 M개의 인접 송신 빔들 각각에 대한 채널 품질을 측정하며, 전체 인접 송신 빔들의 채널 품질 측정치들을 조합하여 M개의 인접 송신 빔들 전체에 대한 채널 품질을 추정한다. 마찬가지로 단말은 단말의 모든 수신 빔들 중 최상위의 채널 품질을 가지는 하나의 수신 빔과 그의 인접 수신 빔들을 포함하는 N개의 인접 수신 빔들 각각에 대한 채널 품질을 측정하며, 전체 인접 수신 빔들의 채널 품질 측정치들을 조합하여 N개의 인접 수신 빔들 전체에 대한 채널 품질을 추정한다.
과정 1226에서 단말은 소정의 안정성 조건(reliability criteria)을 만족하는, 송신 빔 중첩을 위한 송신 빔들 및 수신 빔 중첩을 위한 수신 빔들의 쌍(들)(pair(s))을 탐색 및 선택한다. 구체적인 예로서 단말은 인접 송신 빔들 및 인접 수신 빔들의 쌍들 중, 최상의 채널 품질을 가지는 하나 혹은 그 이상의 쌍들을 선택한다. 과정 1228에서 단말은 요구하고자 하는 인접 송신 빔들의 개수(M)와 M개의 인접 빔들에 대한 채널 품질을 나타내는 통합 CQI를 기지국으로 보고한다.
과정 1232에서 단말은 기지국의 버스트 스케줄링에 따라 스케줄링된 경우, 과정 1224의 M개의 인접 송신 빔들이 중첩된 중첩 송신 빔을 통해 기지국으로부터 전송되는 데이터 버스트를, N개의 인접 수신 빔들이 중첩된 중첩 수신 빔을 통해 수신한다.
이상에서는 하향링크에 대하여 기지국 송신빔과 단말의 수신빔의 중첩에 대해 상세히 설명하였으나, 이상의 동작이나 절차는 상향링크에 대하여 기지국 수신빔과 단말의 송신빔을 중첩하는 경우에도 유사하게 적용 가능함은 물론이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (17)

  1. 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 이용한 신호 송신 방법에 있어서,
    소정 트리거 조건과 제2 노드의 채널 상황에 따라, 제1 노드의 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 사용하는 빔 중첩 모드를 이네이블할지 여부를 판단하는 과정과,
    상기 빔 중첩 모드를 이네이블하지 않을 것으로 판단된 경우, 복수의 단위 빔들 중 하나 혹은 그 이상의 최적 빔을 선택하는 과정과,
    상기 선택된 최적 빔을 통해 상기 제2 노드를 위한 신호를 송신하는 과정과,
    상기 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단된 경우, 상기 제1 노드의 빔포밍부를 조절하여 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 형성하는 과정과,
    상기 중첩 빔을 통해 상기 제2 노드를 위한 신호를 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 트리거 조건을 나타내는 빔 중첩 모드 정보를 상기 제2 노드에게로 전송하는 과정을 더 포함하며,
    상기 트리거 조건은, 상기 빔 중첩 모드로의 천이를 결정하기 위한, 개별 단위 빔의 채널 품질 측정치에 대한 임계값을 나타내는 빔 중첩 할당 임계값과, 상기 빔 중첩 모드로부터의 해제를 결정하기 위한, 개별 단위 빔의 채널 품질 측정치에 대한 임계값을 나타내는 빔 중첩 해제 임계값과, 상기 빔 중첩 모드의 트리거 이벤트를 위해 채널 품질을 측정하기 위해 요구되는 최소 시간을 나타내는 빔 중첩 할당 타이머와, 상기 빔 중첩 모드의 해제 이벤트를 위해 채널 품질을 측정하기 위해 요구되는 최소 시간을 나타내는 빔 중첩 해제 타이머와, 빔 중첩을 통해 단말을 동시에 지원할 수 있는 인접 빔들의 최대 개수를 의미하는 빔 중첩 최대 개수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 판단하는 과정은,
    상기 제1 노드에서 상기 제2 노드를 위한 상기 빔 중첩 모드가 결정되었는지를 판단하는 과정과,
    상기 제2 노드로부터 상기 트리거 조건에 따라 상기 빔 중첩 모드의 이네이블 혹은 디세이블이 요청되었는지를 판단하는 과정과,
    상기 판단 결과 중 적어도 하나에 따라 상기 빔 중첩 모드를 이네이블할지 여부를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단된 경우, 상기 제2 노드로부터 소정 임계값을 만족하는 인접 빔 개수 M에 대한 정보를 수신하는 과정과,
    상기 제2 노드로부터 M개의 인접한 단위 빔들에 대한 채널 품질정보(CQI)를 수신하는 과정과,
    상기 CQI를 기반으로 상기 M개의 인접한 단위 빔들에 대한 링크 적응화 및 버스트 스케줄링을 수행하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 노드의 단위 수신 빔들에 대한 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단하는 과정과,
    소정 임계값을 초과하는 채널 측정치를 가지는 인접한 단위 수신 빔들의 개수 M에 대한 정보를 추정하고 상기 M개의 인접한 단위 수신 빔들에 대한 채널 품질 정보(CQI)를 측정 혹은 추정하는 과정과,
    상기 CQI를 기반으로 상기 M개의 인접한 단위 수신 빔들에 대한 링크 적응화 및 버스트 스케줄링을 수행하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 노드의 단위 송신 빔들에 대한 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단하는 과정과,
    소정 임계값을 초과하는 채널 측정치를 가지는 상기 제2 노드의 인접한 단위 송신 빔들의 개수 N에 대한 정보를 추정하고 상기 N개의 인접한 단위 송신 빔들에 대한 채널 품질 정보(CQI)를 측정 혹은 추정하는 과정과,
    상기 CQI를 기반으로 상기 N개의 인접한 단위 송신 빔들에 대한 링크 적응화 및 버스트 스케줄링을 수행하는 과정과,
    상기 N개의 인접한 단위 송신 빔들에 대한 링크 적응화 및 버스트 스케줄링의 결과를 상기 제2 노드에게 전송하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 중첩되는 복수의 단위 빔들은,
    상기 제1 노드의 복수의 단위 빔들 중 상기 제2 노드에 대해 최상의 채널 품질을 가지는 하나의 단위 빔과 그에 인접한 단위 빔들을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 중첩 빔을 형성하는데 사용 가능한 상기 단위 빔들의 최대 개수는, 상기 제1 노드에 구비되는 RF(Radio Frequency) 경로들의 개수로 제한됨을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  9. 무선 통신 시스템에서 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 신호 송신 방법을 수행하는 신호 송신 장치.
  10. 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 이용한 신호 수신 방법에 있어서,
    소정 트리거 조건과 제2 노드에 의해 측정된 채널 상황에 따라, 제1 노드의 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 사용하는 상기 제1 노드의 빔 중첩 모드를 이네이블할지 여부를 판단하는 과정과,
    상기 빔 중첩 모드를 이네이블하지 않을 것으로 판단된 경우, 상기 제1 노드의 복수의 단위 빔들에 대한 채널품질들을 측정하고, 상기 채널품질 측정치들을 기반으로 하나 혹은 그 이상의 최적 빔을 선택하는 과정과,
    상기 선택된 최적 빔에 대한 채널품질 측정치를 나타내는 제1 채널품질정보(CQI)를 상기 제1 노드로 보고하는 과정과,
    상기 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단된 경우, 소정 개수의 인접한 단위 빔들에 대한 통합 채널품질 측정치를 추정하는 과정과,
    상기 인접한 단위 빔들에 대한 상기 통합 채널품질 측정치를 나타내는 제2 채널품질정보(CQI)를 상기 제1 노드로 보고하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 트리거 조건을 나타내는 빔 중첩 모드 정보를 상기 제1 노드로부터 수신하는 과정을 더 포함하며,
    상기 트리거 조건은, 상기 빔 중첩 모드로의 천이를 결정하기 위한, 개별 단위 빔의 채널 품질 측정치에 대한 임계값을 나타내는 빔 중첩 할당 임계값과, 상기 빔 중첩 모드로부터의 해제를 결정하기 위한, 개별 단위 빔의 채널 품질 측정치에 대한 임계값을 나타내는 빔 중첩 해제 임계값과, 상기 빔 중첩 모드의 트리거 이벤트를 위해 채널 품질을 측정하기 위해 요구되는 최소 시간을 나타내는 빔 중첩 할당 타이머와, 상기 빔 중첩 모드의 해제 이벤트를 위해 채널 품질을 측정하기 위해 요구되는 최소 시간을 나타내는 빔 중첩 해제 타이머와, 빔 중첩을 통해 단말을 동시에 지원할 수 있는 인접 빔들의 최대 개수를 의미하는 빔 중첩 최대 개수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 판단하는 과정은,
    상기 제1 노드로부터 수신된 스케줄링 정보를 통해, 상기 제1 노드가 상기 제2 노드를 위한 상기 빔 중첩 모드를 스케줄하였는지 판단하는 과정과,
    상기 제2 노드에서 상기 트리거 조건에 따라 상기 빔 중첩 모드를 이네이블 혹은 디세이블을 판단하는 과정과,
    상기 트리거 조건에 따른 판단 결과, 상기 빔 중첩 모드의 이네이블 혹은 디세이블을 상기 제1 노드로 요청하는 과정과,
    상기 판단 결과 중 적어도 하나에 따라 상기 빔 중첩 모드를 이네이블할지 여부를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 제2 노드의 단위 송신 빔들에 대한 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단하는 과정과,
    소정 임계값을 초과하는 채널 측정치를 가지는 상기 제2 노드의 인접한 단위 송신 빔들에 대한 링크 적응화 및 버스트 스케줄링의 수행 결과를 상기 제1 노드로부터 수신하는 과정과,
    상기 인접한 단위 송신 빔들을 중첩한 중첩 송신 빔을 통해 상기 제1 노드로 신호를 송신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 방법.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 중첩되는 복수의 단위 빔들은,
    상기 제1 노드의 복수의 단위 빔들 중 상기 제2 노드에 대해 최상의 채널 품질을 가지는 하나의 단위 빔과 그에 인접한 단위 빔들을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 방법.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 중첩 빔을 형성하는데 사용 가능한 상기 단위 빔들의 최대 개수는, 상기 제1 노드에 구비되는 RF(Radio Frequency) 경로들의 개수로 제한됨을 특징으로 하는 신호 수신 방법.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 빔 중첩 모드를 이네이블할 것으로 판단된 경우, 상기 제1 노드의 빔 중첩 모드 없이 상기 제2 노드의 복수의 단위 빔들을 중첩한 중첩 빔을 사용하는 상기 제2 노드의 빔 중첩 모드를 사용할 것인지 여부를 판단하는 과정과,
    상기 제1 노드의 빔 중첩 모드와 함께 상기 제2 노드의 빔 중첩 모드를 사용할 것으로 판단되면, 상기 제1 노드의 인접한 단위 빔들과 상기 제2 노드의 인접한 단위 빔들의 쌍들에 대한 통합 채널품질 측정치들을 추정하는 과정과,
    상기 통합 채널품질 측정치들을 기반으로 중첩될 상기 제1 노드의 인접한 단위 빔들과 중첩될 상기 제2 노드의 인접한 단위 빔들을 선택하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 방법.
  17. 무선 통신 시스템에서 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항의 신호 수신 방법을 수행하는 신호 수신 장치.
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