KR20170032308A

KR20170032308A - 무선 접속 시스템에서 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20170032308A
Application number: KR1020177001248A
Authority: KR
Inventors: 김기태; 강지원; 이길봄; 김희진
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: JP6285609B2; WO2016010286A1; EP3171526A4; JP2017531931A; EP3171526B1; CN107078781A; US20170163326A1; US9825679B2; KR102345351B1; CN107078781B; EP3171526A1

Abstract

본 발명에서는 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍(Hybrid-beamforming) 방법, 빔 추정 방법 및 이를 지원하는 장치들을 제공한다. 본 발명의 일 실시예로서 무선 접속 시스템에서 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍 수행 방법은, 송신단이 기준값 이상의 채널 이득을 갖는 둘 이상의 아날로그 빔 후보를 검출하는 단계와 둘 이상의 아날로그 빔 후보 중 하나의 아날로그 빔이 둘 이상의 디지털 빔을 포함하도록, 둘 이상의 아날로그 빔 후보에 대한 아날로그 빔 계수에 대해서 선보상하는 단계와 선보상된 아날로그 빔 계수가 반영되도록 둘 이상의 디지털 빔들에 대한 디지털 PMI 계수값을 재설정하는 단계와 선보상된 아날로그 빔 계수 및 재설정된 디지털 PMI 계수값을 이용하여 다중 랭크 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 하이브리드 빔포밍은 아날로그 빔포밍 및 디지털 빔포밍이 결합하여 동작할 수 있다.

Description

무선 접속 시스템에서 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치{HYBRID-BEAMFORMING METHOD AND DEVICE FOR SUPPORTING MULTI-RANKS IN WIRELESS ACCESS SYSTEM}

본 발명은 무선 접속 시스템에 관한 것으로, 본 발명에서는 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍(Hybrid-beamforming) 방법, 빔 추정 방법 및 이를 지원하는 장치에 관한 것이다.

무선 접속 시스템이 음성이나 데이터 등과 같은 다양한 종류의 통신 서비스를 제공하기 위해 광범위하게 전개되고 있다. 일반적으로 무선 접속 시스템은 가용한 시스템 자원(대역폭, 전송 파워 등)을 공유하여 다중 사용자와의 통신을 지원할 수 있는 다중 접속(multiple access) 시스템이다. 다중 접속 시스템의 예들로는 CDMA(code division multiple access) 시스템, FDMA(frequency division multiple access) 시스템, TDMA(time division multiple access) 시스템, OFDMA(orthogonal frequency division multiple access) 시스템, SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 시스템 등이 있다.

하이브리드 빔포머(Hybrid-beamformer)는 기본적으로 아날로그 빔 형성과 디지털 빔 형성이 결합되어 동작하게 된다. 이때 아날로그 빔과 디지털 빔은 특정 영역으로 전송 영역이 제한되기 때문에 다중 랭크 지원 또는 다중 사용자 지원에 제약이 따른다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 코스(Coarse)한 아날로그 빔 기반의 추정 정보를 이용하여 효과적으로 다중 랭크 및 다중 사용자 지원을 위한 최종 빔포밍 계수(coefficient)를 도출하는 방법들을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 하이브리드 빔포밍을 위한 아날로그/디지털 빔 추정 시 복잡도를 해결하기 위한 방법들을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 방법들을 지원하는 장치들을 제공하는 것이다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 목적들은 이상에서 언급한 사항들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 이하 설명할 본 발명의 실시예들로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고려될 수 있다.

본 발명에서는 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍(Hybrid-beamforming) 방법, 빔 추정 방법 및 이를 지원하는 장치들을 제공한다.

본 발명의 일 양태로서 무선 접속 시스템에서 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍 수행 방법은, 송신단이 기준값 이상의 채널 이득을 갖는 둘 이상의 아날로그 빔 후보를 검출하는 단계와 둘 이상의 아날로그 빔 후보 중 하나의 아날로그 빔이 둘 이상의 디지털 빔을 포함하도록, 둘 이상의 아날로그 빔 후보에 대한 아날로그 빔 계수에 대해서 선보상하는 단계와 선보상된 아날로그 빔 계수가 반영되도록 둘 이상의 디지털 빔들에 대한 디지털 PMI 계수값을 재설정하는 단계와 선보상된 아날로그 빔 계수 및 재설정된 디지털 PMI 계수값을 이용하여 다중 랭크 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 하이브리드 빔포밍은 아날로그 빔포밍 및 디지털 빔포밍이 결합하여 동작할 수 있다.

본 발명의 다른 양태로서 무선 접속 시스템에서 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍을 수행하기 위한 송신단은 송신기, 수신기 및 이러한 송신기 및 수신기를 제어하여 하이브리드 빔포밍을 수행하기 위한 프로세서를 포함할 수 있다. 이때, 프로세서는 수신기를 제어하여 기준값 이상의 채널 이득을 갖는 둘 이상의 아날로그 빔 후보를 검출하고; 둘 이상의 아날로그 빔 후보 중 하나의 아날로그 빔이 둘 이상의 디지털 빔을 포함하도록, 둘 이상의 아날로그 빔 후보에 대한 아날로그 빔 계수에 대해서 선보상하고; 선보상된 아날로그 빔 계수가 반영되도록 둘 이상의 디지털 빔들에 대한 디지털 PMI 계수값을 재설정하고; 선보상된 아날로그 빔 계수 및 재설정된 디지털 PMI 계수값을 이용하여 송신기를 제어하여 다중 랭크 신호를 전송하되, 하이브리드 빔포밍은 아날로그 빔포밍 및 디지털 빔포밍이 결합하여 동작할 수 있다.

또한, 프로세서는 아날로그 빔포밍을 지원하기 위한 아날로그 빔포머 및 디지털 빔포밍을 지원하기 위한 디지털 빔포머를 포함할 수 있다.

상기 양태들에서, 디지털 빔포밍은 기저대역(BB) 프로세스를 이용하여 디지털 단에서 수행되고, 아날로그 빔포밍은 디지털 빔포밍이 수행된 디지털 신호로부터 생성된 아날로그 신호에 대해서 수행될 수 있다.

둘 이상의 디지털 빔의 개수에 따라 전송될 수 있는 다중 랭크 신호의 개수가 결정될 수 있다.

아날로그 빔포밍을 위한 다수의 물리 안테나들 중 일부 물리 안테나들을 오프함으로써 전력 소모를 줄일 수 있다.

상술한 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

하이브리드 빔포머는 아날로그 빔 형성과 디지털 빔 형성이 결합하여 동작한다. 이때 아날로그 빔과 디지털 빔은 특정 영역으로 전송 영역이 제한되기 때문에 다중 랭크 지원 또는 다중 사용자 지원에 어려움이 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 코스한 아날로그 빔 기반의 추정 정보를 이용하여 최종 빔 포밍 계수를 도출함으로써 효과적으로 다중 랭크 또는 다중 사용자를 지원할 수 있다.

본 발명의 실시예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 이하의 본 발명의 실시예들에 대한 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 발명을 실시함에 따른 의도하지 않은 효과들 역시 본 발명의 실시예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되고, 첨부된 도면들은 본 발명에 대한 다양한 실시예들을 제공한다. 또한, 첨부된 도면들은 상세한 설명과 함께 본 발명의 실시 형태들을 설명하기 위해 사용된다.
도 1 은 아날로그 빔포머 및 RF 체인을 포함하는 송신기의 블록도이다.
도 2 는 디지털 빔포머 및 RF 체인을 포함하는 송신기의 블록도이다.
도 3 은 하이브리드 빔포퍼를 구비한 송신단의 블록도의 일례이다.
도 4 는 기본적인 송신단에서 구성되는 하이브리드 빔포머(Hybrid-beamformer)의 구조의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5 는 4 개의 RF 체인으로 구성된 16 ULA 안테나 구조 중 하나를 나타내는 도면이다.
도 6 은 빔 바운드 벡터와 빔 스티어링 벡터의 빔 패턴의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7 은 아날로그 빔 천이에 따른 최종 안테나 배열 응답을 나타내는 도면이다.
도 8 은 디지털 빔포밍 계수 설계를 적용한 안테나 배열 응답을 도시한 도면이다.
도 9 는 송신단에서 멀티 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 은 아날로그 빔과 참조 빔의 이득차를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11 은 다중 랭크 지원을 위해 아날로그 빔을 재설정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 는 도 10 및 도 11 에서 설명한 아날로그 빔을 재설정하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 13 은 아날로그 및 디지털 빔포머를 구비한 송신기의 블록도이다.
도 14 는 아날로그 빔 바운드 패턴의 빔폭 조정을 위한 안테나 온오프 구조를 나타내는 도면이다.
도 15 는 물리 안테나 온오프 기법을 적용한 아날로그 빔 바운드 패턴을 나타내는 도면이다.
도 16 에서 설명하는 장치는 도 1 내지 도 15 에서 설명한 방법들이 구현될 수 있는 수단이다.

이하에서 상세히 설명하는 본 발명의 실시예들은 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍(Hybrid-beamforming) 방법, 빔 추정 방법 및 이를 지원하는 장치들에 관한 것이다.

이하의 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들을 소정 형태로 결합한 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려될 수 있다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성할 수도 있다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다.

도면에 대한 설명에서, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 절차 또는 단계 등은 기술하지 않았으며, 당업자의 수준에서 이해할 수 있을 정도의 절차 또는 단계는 또한 기술하지 아니하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.

본 명세서에서 본 발명의 실시예들은 기지국과 이동국 간의 데이터 송수신 관계를 중심으로 설명되었다. 여기서, 기지국은 이동국과 직접적으로 통신을 수행하는 네트워크의 종단 노드(terminal node)로서의 의미가 있다. 본 문서에서 기지국에 의해 수행되는 것으로 설명된 특정 동작은 경우에 따라서는 기지국의 상위 노드(upper node)에 의해 수행될 수도 있다.

즉, 기지국을 포함하는 다수의 네트워크 노드들(network nodes)로 이루어지는 네트워크에서 이동국과의 통신을 위해 수행되는 다양한 동작들은 기지국 또는 기지국 이외의 다른 네트워크 노드들에 의해 수행될 수 있다. 이때, '기지국'은 고정국(fixed station), Node B, eNode B(eNB), 발전된 기지국(ABS: Advanced Base Station) 또는 억세스 포인트(access point) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에서 단말(Terminal)은 사용자 기기(UE: User Equipment), 이동국(MS: Mobile Station), 가입자 단말(SS: Subscriber Station), 이동 가입자 단말(MSS: Mobile Subscriber Station), 이동 단말(Mobile Terminal) 또는 발전된 이동단말(AMS: Advanced Mobile Station) 등의 용어로 대체될 수 있다.

또한, 송신단은 데이터 서비스 또는 음성 서비스를 제공하는 고정 및/또는 이동 노드를 말하고, 수신단은 데이터 서비스 또는 음성 서비스를 수신하는 고정 및/또는 이동 노드를 의미한다. 따라서, 상향링크에서는 이동국이 송신단이 되고, 기지국이 수신단이 될 수 있다. 마찬가지로, 하향링크에서는 이동국이 수신단이 되고, 기지국이 송신단이 될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 무선 접속 시스템들인 IEEE 802.xx 시스템, 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 시스템, 3GPP LTE 시스템 및 3GPP2 시스템 중 적어도 하나에 개시된 표준 문서들에 의해 뒷받침될 수 있으며, 특히, 본 발명의 실시예들은 3GPP TS 36.211, 3GPP TS 36.212, 3GPP TS 36.213, 3GPP TS 36.321 및 3GPP TS 36.331 문서들에 의해 뒷받침 될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들 중 설명하지 않은 자명한 단계들 또는 부분들은 상기 문서들을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 본 문서에서 개시하고 있는 모든 용어들은 상기 표준 문서에 의해 설명될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.

또한, 본 발명의 실시예들에서 사용되는 특정(特定) 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예들이 사용될 수 있는 무선 접속 시스템의 일례로 3GPP LTE/LTE-A 시스템에 대해서 설명한다.

이하의 기술은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 등과 같은 다양한 무선 접속 시스템에 적용될 수 있다.

CDMA 는 UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)나 CDMA2000 과 같은 무선 기술(radio technology)로 구현될 수 있다. TDMA 는 GSM(Global System for Mobile communications)/GPRS(General Packet Radio Service)/EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)와 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. OFDMA 는 IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, E-UTRA(Evolved UTRA) 등과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다.

UTRA 는 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)의 일부이다. 3GPP LTE(Long Term Evolution)은 E-UTRA 를 사용하는 E-UMTS(Evolved UMTS)의 일부로써, 하향링크에서 OFDMA 를 채용하고 상향링크에서 SC-FDMA 를 채용한다. LTE-A(Advanced) 시스템은 3GPP LTE 시스템이 개량된 시스템이다. 본 발명의 기술적 특징에 대한 설명을 명확하게 하기 위해, 본 발명의 실시예들을 3GPP LTE/LTE-A 시스템을 위주로 기술하지만 IEEE 802.16e/m 시스템 등에도 적용될 수 있다.

1. 하이브리드 빔포밍

1.1 아날로그 빔 형성 기술 및 디지털 빔 형성 기술

다중 안테나를 사용한 기존의 빔 형성 기술은 크게 빔 형성 가중치 벡터(weight vector/precoding vector)를 적용하는 위치에 따라 아날로그 빔 형성 기술과 디지털 빔 형성 기술로 구분할 수 있다.

도 1 은 아날로그 빔포머 및 RF 체인을 포함하는 송신기의 블록도이다.

우선 아날로그 빔 형성 방법은 초기 다중 안테나 구조에 적용된 대표적인 빔 형성 기법으로 디지털 신호처리가 완료된 아날로그 신호를 다수의 경로로 분기하여 각 경로의 Phase-Shift(PS)와 Power Amplifier(PA) 설정을 통한 빔 형성을 수행한다. 아날로그 빔 형성을 위해서는 도 1 과 같이 단일 디지털 신호로부터 파생된 아날로그 신호를 각 안테나에 연결된 PA 와 PS 가 처리하는 구조가 요구된다. 즉 아날로그 단에서 복소 가중치(complex weight)를 PS 와 PA 가 처리하게 된다. 여기에서 RF 체인은 기저대역(BB: Base Band)신호가 아날로그 신호로 변환되는 처리 블록을 의미하며, 그 구성은 도 1 과 같다.

아날로그 빔 형성 기법은 PS 와 PA 의 소자의 특성에 따라 빔의 정확도가 결정되고, 소자의 제어 특성상 협대역 전송 에 유리하다. 또한 다중 스트림 전송을 구현하기 어려운 하드웨어 구조로 인하여 전송률 증대를 위한 다중화 이득이 상대적으로 작으며, 직교 자원할당 기반의 사용자별 빔 형성이 어렵다

도 2 는 디지털 빔포머 및 RF 체인을 포함하는 송신기의 블록도이다.

디지털 빔 형성 기법은 아날로그 빔 형성 기법과 달리 MIMO 환경에서 다이버시티와 다중화 이득을 최대화 하기 위해, 송신단은 BB 프로세스를 이용하여 디지털 단에서 빔 형성을 수행한다. 예를 들어, 도 2 와 같이 프리코딩을 BB 프로세스에서 수행함으로써 빔 형성이 가능하다 (단 여기에서 RF 체인은 PA 를 포함한다). 이것은 빔 형성을 위해 도출된 복소 가중치를 송신 데이터에 직접적으로 적용하기 때문이다.

또한, 디지털 빔 형성 기법은 사용자별 상이한 빔 형성이 가능하기 때문에, 동시에 다중 사용자 빔 형성을 지원할 수 있다. 또한, 직교 자원이 할당된 사용자별 독립적인 빔 형성이 가능하여 스케줄링 유연성이 높아 시스템 목적에 부합하는 전송단 운용이 가능한 특징을 가지고 있다. 또한, 광대역 전송 환경에서 MIMO-OFDM 과 같은 기술을 적용하면, 서브 캐리어 별 독립적인 빔을 형성할 수 있다. 따라서 디지털 빔 형성 기법은 시스템 용량 증대와 강화된 빔 이득을 기반으로 단일 사용자의 최대 전송률을 극대화 할 수 있다. 따라서 3G/4G 시스템에서는 디지털 빔포밍 기반 MIMO 기술이 도입되었다.

다음으로 송수신 안테나가 크게 증가하는 매시브(Massive) MIMO 환경에 대해서 설명한다.

일반적으로 셀룰러 통신에서는 MIMO 환경에 적용되는 최대 송수신 안테나를 8 개로 가정한다. 그러나 매시브 MIMO 로 진화하면서 안테나 개수는 수십 또는 수백 개 이상으로 증가한다. 매시브 MIMO 환경에서 디지털 빔 형성 기술을 적용한다면, 송신단의 디지털 신호 처리를 위한 수백 개의 안테나 에 대한 신호처리를 BB 프로세스를 통해 수행해야 하므로 신호처리 복잡도가 매우 커지고, 안테나 수만큼의 RF 체인이 필요하므로 하드웨어 구현 복잡도가 매우 커진다.

또한, 모든 안테나에 대해 독립적인 채널 추정이 필요하고, FDD 시스템의 경우 모든 안테나로 구성된 거대한 MIMO 채널에 대한 피드백 정보가 필요하므로, 파일럿 및 피드백 오버헤드가 매우 커진다. 매시브 MIMO 환경에서 아날로그 빔 형성 기술을 적용한다면, 송신단의 하드웨어 복잡도는 상대적으로 낮은 반면, 다수 안테나를 이용한 성능 증가 정도가 미미하고, 자원 할당의 유연성이 떨어진다. 특히, 광대역 전송 시 주파수 별로 빔을 제어하기가 매우 어렵다.

따라서 매시브 MIMO 환경에서는 아날로그 빔 형성과 디지털 빔 형성 기법 중 한 개만을 배타적으로 선택하는 것이 아닌, 아날로그 빔 형성과 디지털 빔 형성 구조가 결합된 하이브리드 형태의 송신단 구성 방식이 필요하다. 즉, 다음 표 1 과 같이 아날로그 빔 형성 기법과 디지털 빔 형성 기법의 성능 이득과 복잡도 관계를 이용해서 송신단의 하드웨어 구현 복잡도를 낮추고, 매시브 안테나를 이용한 빔 형성 이득을 최대로 얻을 수 있는 하이브리드 타입의 송신단 구조 설계가 요구된다.

1.2 하이브리드 빔포밍

하이브리드 빔포밍은 매시브 MIMO 환경에서 하드웨어 복잡도를 낮추면서 아날로그 빔 형성 특성과 디지털 빔 형성 기법의 장점을 취할 수 있는 송신단을 구성함에 목적이 있다.

도 3 은 하이브리드 빔포퍼를 구비한 송신단의 블록도의 일례이다.

기본적으로 하이브리드 빔포밍은 도 3 과 같이 아날로그 빔 형성 기법을 이용해 코스(coarse) 빔 형성을 수행하고, 디지털 빔 형성을 이용해서 다중 스트림 혹은 다중 사용자 전송을 수행하도록 구성될 수 있다.

결국 하이브리드 빔포밍은 송신단의 구현 복잡도 또는 하드웨어 복잡도를 낮추기 위해서 아날로그 빔 형성 기법과 디지털 빔 형성 기법을 동시에 취하는 구조를 갖게 된다. 기본적으로 하이브리드 빔포밍이 갖는 기술적 이슈는 아래와 같다.

(1) 아날로그/디지털 빔포밍 설계 최적화 어려움

아날로그와 디지털 빔 형성을 동시에 고려한 최적화에는 많은 어려움이 따른다. 기본적으로 디지털 빔포밍은 동일한 시간-주파수 자원을 가지고 사용자별 독립적인 빔 형성 기법 적용이 가능하지만, 아날로그 빔포밍은 동일한 시간-주파수 자원을 가지고 공통적인 빔 형성 기법을 적용해야 하는 한계점을 가지고 있다. 따라서, 이러한 한계점은 지원 랭크 수, 빔 제어 유연성, 빔 형성 분해능의 최적화 제약을 유발한다.

예를 들어, 1) RF 체인 수에 따른 최대 랭크 제약, 2) RF 빔포머로 서브밴드 빔 제어의 어려움 및 3) 빔 분해능/입상도(Beam resolution/granularity) 분할 문제 등이 있다.

(2) 공통 신호(Common signal) 전송 방식 구체화 필요

동일한 시간-주파수 자원에서 특정 방향으로만 빔을 형성하는 아날로그 빔 형성 기법은 동시에 모든 단말 방향으로의 다수 빔 형성이 불가능하다. 따라서, 셀 내 모든 영역에 분포할 수 있는 모든 단말들에게 상/하향 제어 채널, 참조 신호(RS: Reference Signal), 방송 채널 및/또는 동기 신호 등 공통 신호를 동시에 전송하지 못하는 문제점이 발생한다. 또한, 상향링크 RACH 채널, 사운딩 참조신호, 물리상향링크 제어채널(PUCCH: Physical Uplink Control Channel) 등의 전송 문제도 야기될 수 있다.

(3) 아날로그/디지털 빔 결정 위한 추가 파일럿 및 피드백 설계 필요

아날로그/디지털 빔에 대한 추정을 수행할 경우, 디지털 빔은 기존의 직교 파일럿 할당 방식을 그대로 이용할 수 있지만, 아날로그 빔은 빔 후보(candidate) 수만큼의 시간 구간(time-duration)이 요구된다. 이것은 아날로그 빔 추정에 소요되는 시간 지연이 크다는 것을 의미하고, 또한 디지털 빔과 동시에 추정할 경우 복잡도가 크게 증감함을 의미한다.

예를 들어, 아날로그 빔 추정을 위한 시지연 증가로 인해 시스템 로스(System loss)가 유발될 수 있으며, 아날로그/디지털 빔 조합 증가로 인해 빔 추정 복잡도가 증가할 수 있다.

(4) 아날로그 빔 기반 SDMA 와 FDMA 지원 어려움

디지털 빔 형성 기법이 다중 사용자/스트림을 위한 빔 형성이 자유로운 반면, 아날로그 빔 형성 기법은 전체 전송 대역에 대해 동일한 빔 형성을 수행하여 사용자별 또는 스트림별 독립적인 빔 형성이 어렵다. 특히 직교 주파수 자원 할당을 통한 FDMA(Frequency Division Multiple Access) 지원이 어렵기 때문에, 주파수 자원 효율의 최적화가 어려울 수 있다.

예를 들어, 동일 시간에서 주파수 영역의 사용자별 독립적인 빔 형성 어려움으로 인해 다중 접속 지원을 위한 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 지원이 어려울 수 있고, 동일 주파수-시간에서 스트림별 독립적인 빔 형성 어려움으로 인해 다중 스트림 지원을 위한 SU-MIMO(Single User-MIMO) 지원이 어려울 수 있다. 또한, 동일 주파수-시간에서 사용자별 독립적인 빔 형성 어려움으로 인해 다중 사용자 지원을 위한 MU-MIMO(Multi User-MIMO) 기술의 지원이 어려울 수 있다.

이러한 기술적 이슈들을 해결하기 위해, 본 발명의 실시예들에서는 하이브리드 빔포밍을 위한 아날로그/디지털 빔 추정 복잡도 방안에 대한 해결 방법들을 제공한다.

1.3 하이브리드 빔포밍 시스템 모델

도 4 는 기본적인 송신단에서 구성되는 하이브리드 빔포머(Hybrid-beamformer)의 구조의 일례를 나타내는 도면이다.

도 4 와 같이 RF 체인 별로

개만의 독립적인 안테나를 구비하는 송신단 구조를 가정할 수 있다. 따라서 전체 안테나 수와 RF 체인 별 안테나 수 사이에는

의 관계가 성립한다. 최종적으로 각 RF 체인 별로 PS+PA 를 통과한 신호가 독립적으로 송신안테나로 보내지므로 다음 수학식 1 과 같은 행렬 연산 형태의 시스템 모델을 도출할 수 있다.

수학식 1 에서 y_k 은 k 번째 서브캐리어에서 수신되는 수신 신호 벡터(N _r×1)를 의미하고, H_k 는 k 번째 서브캐리어의 N _r×N _t 채널을 의미하며, F^RF는 전체 서브캐리어에서 동일하게 구성되는 N _t×N _t의 RF 프리코더를 나타내고,

는 서브캐리어별로 변경 가능한 프리코더로 k 번째 서브캐리어에서 N _RF×N _S 의 기저대역 프리코더를 의미한다. 또한, s_k 는 k 번째 서브캐리어의 송신 신호 벡터(N _S×1)를, z_k는 k 번째 서브캐리어에서 잡음 신호 벡터(N _r×1)를 의미한다.

이때, k 는 서브캐리어 인덱스(k = 0,1,2,...,N _FFT-1)를 나타내고, N _FFT 는 FFT(Fast Fourier Transform) 크기로써 전체 서브캐리어 개수를 의미하고, N _RF 는 전체 RF 체인의 개수를 의미한다.

또한, N _t 는 송신단 전체 안테나 개수를 나타내고,

는 RF 체인 별 구비되는 송신 안테나 수를 의미하고, N _r 은 수신단의 전체 안테나 수를, N _s는 송신 데이터의 스트림 개수를 의미한다.

이때, 서브캐리어 k 에 대해서 수학식 1 을 다시 풀어서 전개하면 다음 수학식 2 와 같이 정리할 수 있다.

수학식 2 에서 RF 체인 이후 빔의 위상을 변화시키기 위한 위상 변환기(Phase-Shifter)와 PA 에 의해 만들어지는 아날로그 빔포밍 등화 프리코딩 행렬(equivalent precoding matrix) F^RF(N _t×N _RF행렬)는 다음 수학식 3 과 같이 정의할 수 있다.

또한, RF 프리코딩 행렬 F^RF 의 RF 체인 별 프리코딩 가중치(precoding weight)는 다음 수학식 4 와 같이 정의할 수 있다.

1.4 ULA (Uniform Linear Array) 안테나를 위한 하이브리드 빔포머(BF)의 빔 방사 패턴

도 5 는 4 개의 RF 체인으로 구성된 16 ULA 안테나 구조 중 하나를 나타내는 도면이다.

ULA 안테나의 배열 응답 벡터(Array Response Vector)는 다음 수학식 5 와 같이 정의할 수 있다.

여기에서 λ 는 파장(wave-length), d 는 안테나간 거리를 나타낸다. 하이브리드 빔포머의 안테나 방사 패턴을 나타내기 위해 편의 상 RF 체인의 개수는 4 이고, 각 RF 체인별 아날로그 안테나 수는 4 로 가정하고 설명한다. 이러한 빔포머는 도 5 와 같이 나타낼 수 있으며, 이때 총 송신 안테나 수는 16 이고, 안테나간 거리 d = λ/2 이 된다.

이때 아날로그 단자의 PS 와 PA 를 동등한 빔포밍 가중치로 표현할 수 있으며, 다음 수학식 6 과 같이 정의될 수 있다.

이때, 디지털 빔포밍 단에서 적용할 임의의 랭크 1 가중치 벡터는 다음 수학식 7 과 같이 정의할 수 있다.

수학식 6 의 아날로그 빔포밍과 수학식 7 의 디지털 빔포밍이 적용된 전체 안테나 배열 응답 벡터는 다음 수학식 8 과 같이 표현될 수 있다. 이때 안테나 간 거리 d = λ/2 로 가정한다. 각 안테나 배열 응답 벡터는 전체 벡터 요소(vector element)의 합으로 나타낼 수 있다.

이때 아날로그 빔포밍 가중치를 다음 수학식 9 와 같이 설정할 수 있다. 이것은 아날로그 빔포밍을 통한 기준 방향(boresight) 설정을 위해서 일반적으로 적용하는 아날로그 빔포밍 가중치 설정 방법이다.

수학식 9 를 이용하여 수학식 8 을 간단히 정리하면 다음 수학식 10 을 얻을 수 있다.

여기에서 수학식 10 을 일반화하면 다음 수학식 11 이 된다.

여기에서 φ 는 아날로그 빔포밍을 결정하는 각도를 의미한다. 예를 들어 φ = 30° or π/6 로 설정된다면, 빔 이득은 θ = 30° or π/6 에서 빔 이득이 최대가 되는 빔포밍 방향이 설정된다.

또한 빔 바운드 벡터(beam bound vector) s 는 전체 유효 범위를 결정하고, 디지털 빔포밍의 범위도 해당 영역에 제한된다. 도 6 은 빔 바운드 벡터와 빔 스티어링 벡터의 빔 패턴의 일례를 나타내는 도면이고, 도 7 은 아날로그 빔 천이에 따른 최종 안테나 배열 응답을 나타내는 도면이다.

도 6 을 참조하면, 빔 바운드 벡터 s 는 점선으로 표시되고 빔 게인 및 빔 스티어링 벡터 t 는 실선으로 도시되어 있다. 최종적으로 디지털 빔포밍을 결정하는 모든 벡터들 v₁ = [v ₁ v ₂ v ₃ v ₄]^T 을 적용한 누적 빔 패턴 결과는 도 7 과 같다. 즉 유효 빔의 범위가 빔 바운드 벡터 s 에 제약됨을 확인할 수 있다.

1.5 아날로그 빔 계수를 고려한 디지털 빔 계수 설정 방법

앞서 언급한 것처럼 하이브리드 빔포밍의 빔 패턴은 수학식 11 과 같이 전체 RF 체인 개수 N _RF 와 RF 체인 별 아날로그 안테나 수

로 표현된다. 여기에서 디지털 빔포밍 계수의 가중치 벡터는 1×N _RF 길이를 갖는다. 여기에서 최종 빔의 방향은 아날로그 빔 가중치와 디지털 빔 가중치의 조합으로 이루어지는데, 아날로그 빔포밍에 대한 사전 보상 없이 디지털 빔포밍을 적용하면 발생할 수 있는 문제에 대해서 설명한다. 또한, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 수학식 10 을 기준 (N _t = 16,

,N _RF= 4))으로 설명한다. 이때 수학식 10 의 디지털 빔포밍 가중치 v = [v ₁ v ₂ v ₃ v ₄]^T 를 다음 수학식 12 와 같이 설계할 수 있다.

수학식 12 를 일반화식으로는 다음 수학식 13 과 같이 표현할 수 있다.

수학식 12 및 13 에서 디지털 빔포밍 각 ψ 를 고려한 최종 배열 응답 벡터는 다음 수학식 14 와 같이 정리할 수 있다.

수학식 14 에서 중괄호 부분에 공통적으로 들어간 [sin(θ)-sin(φ)-sin(ψ)] 부분이 최종 빔 형성 각을 결정한다. 즉 아날로그 빔포밍을 통해 sin(φ) 를 조정하고, 디지털 빔포밍을 통해 sin(ψ) 를 제어함으로써 최종적으로 빔 이득이 최대화 되는 sin(θ) 를 조정하게 된다. 이때 아날로그 빔포밍을 통해서 기준 방향을 φ = 30° 방향으로 설정하고, 디지털 빔으로 미세 동조(fine tuning)을 위해 ψ = 5°를 설정하면 수학식 14 는 최종적으로 수학식 15 로 설정된다.

결국 빔 이득이 최대화 되는 각은 sin(θ)-sin(30°)-sin(5°) = 0 을 만족하는 θ 가 된다. 즉 여기에서 의도한 빔포밍은 최종 35°만큼 빔을 이동시킴에 있어, 아날로그 빔포밍으로 30°만큼 빔을 이동시키고, 디지털 빔포밍으로 5°만큼 빔을 이동시킬 수 있다고 가정한다. 그러나 sin(θ)-sin(30°)-sin(5°) = 0 을 만족하는 θ 는 정확히 35°가 아니게 된다. 즉, 근사적으로 θ

φ+ψ 의 관계를 만족하게 된다. 그러나 이러한 경우, 아날로그/디지털 빔포밍에 의한 빔 제어 범위가 커질수록 sin(θ) = sin(φ)+sin(ψ) 를 만족하는 빔포밍 설정 각은 θ ≠ φ+ψ 의 관계가 되기 때문에 더 이상 앞의 가정이 유효하지 않게 된다.

따라서 본 발명에서는 디지털 빔포밍을 수행함에 있어 아날로그 빔포밍에 대해 사전 보상을 수행함으로써 정확한 빔 제어를 수행하는 방법들을 제공한다. 즉 디지털 빔포밍 계수는 다음 수학식 16 을 기반으로 설정될 수 있다.

수학식 16 에서

부분은 아날로그 빔을 선보상하기 위한 것이고,

부분은 최종 디지털 빔에 해당하는 부분이다.

여기에서 디지털 빔의 최종 방향을 설정하는 방법에 대해서 설명한다. 예를 들어 N _t = 16,

,N _RF= 4 환경에서 아날로그 빔포밍을 통해서 전체 빔을 φ = 30° 회전시키고, 디지털 빔포밍으로 추가적으로 ψ = 5° 회전함으로써 최종 빔 방향을 35°로 설정하고 싶다면, 디지털 빔포밍 계수를 설계하는 방법은 다음 수학식 17 과 같이 정의될 수 있다.

수학식 16 의 디지털 계수를 수학식 10 에 반영한 최종 안테나 배열 응답 벡터는 다음 수학식 18 과 같이 정의할 수 있다.

수학식 18 에 φ = 30°일 경우, ψ = +5°를 적용하여 최종 빔포밍 회전각을 35°로 설정한 경우에는 수학식 19 가 된다.

ψ = ±5°,±10°,±15°에 대해서 디지털 빔포밍을 수행하면 최종 안테나 배열 응답 벡터에 대한 빔 형상은 도 8 과 같이 나타난다. 도 8 은 디지털 빔포밍 계수 설계를 적용한 안테나 배열 응답을 도시한 도면이다.

도 8 과 같은 결과를 참조하면, 이러한 디지털 빔포밍 계수 설계 방법을 통해 하이브리드 빔포머의 정확한 빔 제어가 가능함을 알 수 있다.

2. 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍 방법

이하에서는 하이브리드 빔포밍의 빔 패턴 특성을 고려한 멀티 랭크 지원 방법에 대해서 설명한다. 앞서 언급한 도 8 과 같이 하이브리드 빔포밍의 빔 형상은 디지털 빔이 적용된 최종 샤프한(sharp) 빔이 아날로그 빔 영역 안에 바운드(bound) 됨을 알 수 있다.

2.1 제 1 실시예

도 9 는 송신단에서 멀티 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍 방법을 설명하기 위한 도면이다.

송신단은 코스(coarse)한 아날로그 빔들을 검색하여 특정 기준 값 이상의 채널 이득을 갖는 다수 개의 빔 후보를 검출한다 (S910).

송신단은 하나의 아날로그 빔(또는, 아날로그 빔의 전송 영역)이 다수 개의 디지털 빔(또는, 다수 개의 디지털 빔의 전송 영역)을 포함하도록 아날로그 빔 계수에 대해 선 보상한다 (S920).

다음으로 선 보상된 아날로그 빔 계수가 반영되도록 둘 이상의 디지털 빔들에 대해 기존 디지털 PMI (Precoding Matrix Index) 계수 값을 재설정 할 수 있다 (S930).

이후 송신단은 선보상한 아날로그 빔 계수 및 재설정한 디지털 PMI 계수를 이용하여 하이브리드 빔포밍 방식으로 다중 랭크 신호를 전송할 수 있다.

이하에서는 도 9 에서 설명한 과정들에 대해서 자세히 설명한다.

도 10 은 아날로그 빔과 참조 빔의 이득차를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 11 은 다중 랭크 지원을 위해 아날로그 빔을 재설정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 10 및 도 11 에서 중간의 굵은 원이 아날로그 빔을 검출하기 위한 특정 기준치를 의미한다. 즉, 굵은 원을 벗어나는 아날로그 빔이 후보 빔으로 선택될 수 있다.

송신단은 S910 단계에서 검출한 코스 빔들 중에서 도 10 과 같이 빔 이득 차를 기반으로 선호되는 아날로그 빔과 디지털 빔 계수를 선택한다. 이때 개별 아날로그 빔 사이의 수신 세기 또는 빔 이득 차가 유사한 경우에는 유사한 빔 이득을 갖는 멀티 랭크가 존재함을 알 수 있다.

만약 도 10 과 같이 각 코스 빔에서 각각 임계값보다 높은 경로가 검출이 되면, 송신단은 도 11 과 같은 방향으로 아날로그 빔의 기준방향을 변경시켜 준다. 결국 이와 같은 방법은 하나의 코스 빔만을 방사할 수 있는 아날로그 빔을 예측하여 해당 범위 안으로 멀티 랭크를 위치시키는 것을 의미한다. 또한, 하나의 아날로그 빔 내에 포함되는 둘 이상의 디지털 빔의 개수에 따라 전송될 수 있는 멀티 랭크의 신호 개수가 결정될 수 있다.

이때 이전 과정에서 취득한 디지털 빔 계수 또는 PMI 는 수정된 아날로그 빔과 동시에 사용할 경우 빔 방향이 달라지게 된다. 이것은 하이브리드 빔포밍에 대한 빔포밍 계수가 결과적으로 아날로그 빔 계수와 디지털 빔 계수의 결합으로 이루어져 있기 때문이다.

따라서 송신단은 1.5 절에서 설명한 디지털 빔 계수를 설계하는 방법을 이용하여 디지털 빔에 대한 기존 PMI 값을 그대로 유지하고, 아날로그 빔 계수 부분만 업데이트하면 추가적인 빔 추정 절차 없이 정확한 방향으로 최종 샤프 빔을 방사할 수 있다.

도 12 는 도 10 및 도 11 에서 설명한 아날로그 빔을 재설정하는 일례를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 도 12(a)는 제 1 아날로그 빔 φ = 60°, 제 1 디지털 빔 ψ = -5° 및 제 2 아날로그 빔 φ = 30°, 제 2 디지털 빔 ψ = 10°으로 설정된 멀티빔의 형상을 나타내고, 도 12(b)는 제어를 통해 수정된 아날로그 빔 패턴을 고려한 최종 디지털 빔의 형상을 도시한 것이다.

도 12 (a)를 참조하면, 제 1 아날로그 빔 내에 제 1 디지털 빔이 포함되어 있고, 제 2 아날로그 빔 내에는 제 2 디지털 빔이 포함되어 있다. 이때, 제 1 아날로그 빔 또는 제 2 아날로그 빔을 선보상하여 하나의 아날로그 빔 내에 두 개의 디지털 빔이 포함되도록 구성할 수 있다.

예들 들어 디지털 PMI 를 통해 추정된 최종 샤프 빔의 방향이 아날로그 빔 φ = 60°, 디지털 빔 ψ = -5°, φ+ψ = 55°과 같이 설정되면, 샤프빔에 대한 디지털 PMI#1 은 다음 수학식 20 과 같이 정의될 수 있다.

또한, 최종 샤프 빔의 방향이 아날로그 빔 φ = 30°, 디지털 빔 ψ = 10° φ+ψ = 40°와 같이 설정되면, 샤프빔에 대한 디지털 PMI#2 는 다음 수학식 21 과 같이 정의될 수 있다.

이때, 코스 아날로그 빔의 각을 φ = 45°로 다시 설정할 경우 수학식 17 을 이용하여 디지털 빔 계수를 다시 설계하면 다음 수학식 22 와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 22 를 통해서 다시 수정된 아날로그 빔 패턴을 고려한 최종 디지털 빔의 형상은 도 12 를 참조할 수 있다.

즉 이를 통해서 단일 아날로그 빔 안에서 적합한 멀티 랭크 지원이 가능함을 알 수 있다. 또한 코스(coarse)한 아날로그 빔 스캐닝 과정을 그대로 활용할 수 있으며, 예시에서 제시한 빔 이득 차 값 대신 일반적인 빔 CQI 정보, 또는 빔 수신 전력 차 정보를 대치하여 사용할 수 있으며, 그 효과 역시 동일하다.

2.2 제 2 실시예

이하에서는 송신단이 멀티빔 전송시, 멀티빔의 각도를 고려하여 기 정의된 아날로그 빔 기준 방향을 직접적으로 변경하는 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 실시예에서는 2.1 절에서와 같이 코스 아날로그 빔의 경계 안으로 다중 경로가 형성되는 경우를 의미한다. 이때 다중 경로를 형성하는 멀티빔 사이의 각도 차이와 아날로그 빔 바운드 패턴의 빔 대역을 고려하여 대상이 선정될 수 있다.

예를 들어, 송신단에 대한 RF 체인이 4 이고 각 RF 체인 별로 4 개의 아날로그 안테나가 연결되어 있다면, 송신단의 안테나는 도 5 와 같은 ULA 구조를 갖게 된다. 이때, 각 RF 체인 별 배열 응답 벡터는 수학식 23 과 같이 정의될 수 있다.

따라서 아날로그 빔의 바운드 패턴을 분석하면, 송신단은 고정된 아날로그 빔 기준 방향을 중심으로 하는 대략적인 전체 빔 경계를 구할 수 있게 된다. 여기에서 아날로그 빔에 대한 기준 방향을 결정하는 아날로그 빔 계수 F^RF 가 주어졌을 경우, 아날로그 빔에 대한 바운드 패턴의 유효 범위를 예측할 수 있다. 아날로그 빔에 대한 바운드 패턴의 유효 범위는 다음 수학식 24 와 같이 정의될 수 있다. 즉, 단말은 안테나 파장 길이 (λ) 와 안테나간 거리 (d), RF 체인 별 안테나 수

를 알고 있기 때문에 설계 파라미터 α 를 조정하여 디지털 PMI 의 동작 범위를 결정할 수 있다.

예를 들어 α = 0.886 으로 설정할 경우, 아날로그 빔에 대한 바운드 패턴의 3dB 빔 폭(beamwidth)가 된다. 수학식 24 에서 N 은 안테나 개수를 의미하고, d 는 안테나간 거리를 의미한다.

여기에서 RF 체인 별 안테나 수는 4 이기 때문에 3dB 대역폭 Δθ _3dB 는 다음 수학식 26 과 같이 결정될 수 있다.

예를 들어 멀티 랭크를 형성하는 빔 사이의 위상 각 차이가 Δθ _3dB= 33.8° 안으로 형성되면 하나의 아날로그 빔 범위 안에서 샤프한 아날로그 빔이 멀티로 형성될 수 있게 된다. 따라서, 아날로그 빔의 기준 방향을 해당 빔의 중간 영역으로 설정함으로써 하이브리드 빔포밍에서 하나의 아날로그 빔에서 다중 랭크를 지원할 수 있다.

기존에는 아날로그 빔 변경시 송신단은 디지털 빔 서치를 다시 수행해야 한다. 그러나, 본원 발명의 실시예들에서, 송신단은 아날로그 빔 변경시 디지털 빔 서치를 다시 수행할 필요가 없다. 왜냐하면 아날로그 빔에 대해서 선보상을 하고, 디지털 빔에 대한 빔 계수는 그대로 사용하기 때문이다. 이때, 단말은 선보상 부분으로 각 패스 별 각도의 중간 값으로 기준 방향을 조정할 수 있다.

2.3 제 3 실시예

송신단은 멀티 빔 전송시, 멀티 빔의 각도 범위를 고려하여 아날로그 빔 폭을 변경할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 여기에서는 추정된 멀티 랭크의 방향이 아날로그 빔의 경계 영역 밖으로 빔이 형성되는 상황을 의미한다. 하이브리드 빔포밍에서는 어쩔 수 없이 단일 아날로그 빔에서 멀티 디지털 빔을 생성해야 하기 때문에 결과적으로 멀티 랭크를 지원하기 위해서는 빔 폭을 넓게 변경하는 것이 바람직하다.

ULA 구조에서는 단일 RF 체인에 많은 물리 안테나가 연결될수록 결과적으로 아날로그 빔 바운드 패턴(bounded pattern)의 빔 폭도 좁아진다. 이때 RF 체인에 연결된 물리 안테나를 온/오프 하거나, 넓은 빔(broad-beam)을 만들기 위한 아날로그 빔 계수를 직접적으로 적용함으로써 송신단은 아날로그 빔의 바운드 폭을 넓힐 수 있다.

2.3.1 아날로그 빔 경계 변경을 위해 실제 전송에 사용되는 유효 물리 안테나 개수를 감소시키는 방법

본 발명의 실시예에서는 아날로그 빔의 물리 안테나를 오프함으로써 아날로그 빔 바운드 패턴의 빔 폭을 조정할 수 있다.

도 13 은 아날로그 및 디지털 빔포머를 구비한 송신기의 블록도를 나타내고, 도 14 는 아날로그 빔 바운드 패턴의 빔폭 조정을 위한 안테나 온오프 구조를 나타내는 도면이다.

도 13 의 ULA 구조의 하이브리드 빔포머의 경우, 전체 RF 체인의 개수는 4 개이며 각 RF 체인 별 물리 안테나는 4 개이다. 이때 아날로그 빔 바운드 패턴의 빔 폭을 넓히기 위해, 송신단은 전체 각 RF 체인 별로 2 개의 물리 안테나를 오프시킨다. 이때, 전체 전력 증폭기가 달라져 송신 전력의 손실이 있기 때문에, 최종적으로 전력 증폭기는 도 14 와 같이 RF 체인 내에 통합하여 사용하는 구조가 적용될 수 있다. 즉, 도 14 의 구조는 RF 체인의 물리 안테나에 대한 온/오프에 관계 없이 동일한 전송 전력을 유지하기 위한 구조임을 알 수 있다.

도 15 는 물리 안테나 온오프 기법을 적용한 아날로그 빔 바운드 패턴을 나타내는 도면이다.

도 15 는 실제 16 ULA 물리안테나(4 RF chains, 4 Physical antenna per RF chain) 구조에서 RF 체인 별로 2 개의 물리 안테나만을 이용하여 신호를 전송할 경우의 빔패턴을 비교한 그림이다(빔패턴 시뮬레이션 결과). 결과적으로 빔 패턴이 RF 체인 별 4 개 물리 안테나를 사용할 경우 (좁은 빔 영역) 보다 RF 체인 별 2 개의 물리안테나를 사용할 경우 (넓은 빔 영역) 아날로그 빔 바운드 패턴이 넓어졌음을 알 수 있다. 다만 RF 체인 별 2 개의 안테나를 사용할 경우에는 샤프 빔의 사이드 로브가 심하게 발생하여 간섭을 유발하며, 이로 인해 성능 저하를 유발할 수 있다.

2.3.2 아날로그 빔 경계 변경을 위해 넓은 빔을 형성하는 아날로그 빔 계수를 직접 적용하는 방법

본 발명의 실시예는 앞서 언급한 선형의 빔 천이/빔 제어(beam-shifting/beam-control)를 통한 빔 형성이 아닌, 불규칙한 형태의 새로운 아날로그 빔 형성을 수행하는 것을 의미한다. 예를 들어, 송신단이 아날로그 빔 계수를 조정하여 타원 형태의 빔을 만드는 것이 아니라, 두 방향 또는 세 방향 등으로 모두 빔이 방사될 수 있는 특정한 패턴을 갖도록 아날로그 빔 계수를 설정할 수 있다.

또는, 송신단의 안테나 구조 변경하여 동일한 목적을 달성할 수 있다.

물리 안테나를 사용할 경우 아날로그 빔 바운드 패턴이 넓어질 수 있다. 다만 RF 체인 별 2 개의 안테나를 사용할 경우에는 샤프 빔의 사이드 로브가 심하게 발생하여 간섭을 유발하며, 이로 인해 성능 저하가 유발될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 하이브리드 빔포밍 구조를 가정하여 설명되었다. 다만, 도 5 에 도시한 아날로그 빔포밍 단이 디지털 빔포밍 단으로 대체되는 형태에서도 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있다. 즉, 안테나 서브 그룹핑을 통한 계층적 구조를 갖는 디지털 빔포밍 구조에도 본 발명의 실시예들을 적용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 기지국이 송신단으로써 단말로 신호를 전송하는 하향링크 시나리오를 기준으로 기술하였으나, 단말이 송신단으로써 기지국으로 신호를 전송하는 상향링크의 경우에도 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 임의의 송신기와 수신기 조합에 대하여 적용할 수 있다. 예를 들어, 단말이 기지국으로 전송하는 상향링크 전송 시나리오, 단말간 신호 전송(D2D, V2V, etc.) 시나리오, 또는 기지국 간 신호 전송(Relay, Wireless Backhaul, etc.) 시나리오에서도 적용할 수 있다.

3. 구현 장치

도 16 에서 설명하는 장치는 도 1 내지 도 15 에서 설명한 방법들이 구현될 수 있는 수단이다.

단말(UE: User Equipment)은 상향링크에서는 송신단으로 동작하고, 하향링크에서는 수신단으로 동작할 수 있다. 또한, 기지국(eNB: e-Node B)은 상향링크에서는 수신단으로 동작하고, 하향링크에서는 송신단으로 동작할 수 있다.

즉, 단말 및 기지국은 정보, 데이터 및/또는 메시지의 전송 및 수신을 제어하기 위해 각각 송신기(Transmitter: 1640, 1650) 및 수신기(Receiver: 1650, 1670)를 포함할 수 있으며, 정보, 데이터 및/또는 메시지를 송수신하기 위한 안테나(1600, 1610) 등을 포함할 수 있다. 송신기

또한, 단말 및 기지국은 각각 상술한 본 발명의 실시예들을 수행하기 위한 프로세서(Processor: 1620, 1630)와 프로세서의 처리 과정을 임시적으로 또는 지속적으로 저장할 수 있는 메모리(1680, 1690)를 각각 포함할 수 있다.

상술한 단말 및 기지국 장치의 구성성분 및 기능들을 이용하여 본원 발명의 실시예들이 수행될 수 있다. 또한, 단말 및 기지국의 프로세서는 각각 아날로그 빔포밍을 지원하기 위한 아날로그 빔포머, 디지털 빔포밍을 지원하기 위한 디지털 빔포머를 포함할 수 있다. 따라서, 단말 또는 기지국의 프로세서는 상술한 1 절 내지 2 절에 개시된 방법들을 조합하여, 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍 방법을 적용할 할 수 있다. 상세한 내용은 1 절 및 2 절에 개시된 내용을 참조하도록 한다.

단말 및 기지국에 포함된 송신기 및 수신기는 데이터 전송을 위한 패킷 변복조 기능, 고속 패킷 채널 코딩 기능, 직교주파수분할다중접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 패킷 스케줄링, 시분할듀플렉스(TDD: Time Division Duplex) 패킷 스케줄링 및/또는 채널 다중화 기능을 수행할 수 있다. 또한, 도 23 의 단말 및 기지국은 저전력 RF(Radio Frequency)/IF(Intermediate Frequency) 유닛을 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에서 단말로 개인휴대단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 셀룰러폰, 개인통신서비스(PCS: Personal Communication Service) 폰, GSM(Global System for Mobile) 폰, WCDMA(Wideband CDMA) 폰, MBS(Mobile Broadband System) 폰, 핸드헬드 PC(Hand-Held PC), 노트북 PC, 스마트(Smart) 폰 또는 멀티모드 멀티밴드(MM-MB: Multi Mode-Multi Band) 단말기 등이 이용될 수 있다.

여기서, 스마트 폰이란 이동통신 단말기와 개인 휴대 단말기의 장점을 혼합한 단말기로서, 이동통신 단말기에 개인 휴대 단말기의 기능인 일정 관리, 팩스 송수신 및 인터넷 접속 등의 데이터 통신 기능을 통합한 단말기를 의미할 수 있다. 또한, 멀티모드 멀티밴드 단말기란 멀티 모뎀칩을 내장하여 휴대 인터넷시스템 및 다른 이동통신 시스템(예를 들어, CDMA(Code Division Multiple Access) 2000 시스템, WCDMA(Wideband CDMA) 시스템 등)에서 모두 작동할 수 있는 단말기를 말한다.

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

하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 소프트웨어 코드는 메모리 유닛(1680, 1690)에 저장되어 프로세서(1620, 1630)에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치할 수 있으며, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 다양한 무선접속 시스템에 적용될 수 있다. 다양한 무선접속 시스템들의 일례로서, 3GPP(3rd Generation Partnership Project), 3GPP2 및/또는 IEEE 802.xx (Institute of Electrical and Electronic Engineers 802) 시스템 등이 있다. 본 발명의 실시예들은 상기 다양한 무선접속 시스템뿐 아니라, 상기 다양한 무선 접속 시스템을 응용한 모든 기술 분야에 적용될 수 있다.

Claims

무선 접속 시스템에서 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍 수행 방법에 있어서,
송신단이 기준값 이상의 채널 이득을 갖는 둘 이상의 아날로그 빔 후보를 검출하는 단계;
상기 둘 이상의 아날로그 빔 후보 중 하나의 아날로그 빔이 둘 이상의 디지털 빔을 포함하도록, 상기 둘 이상의 아날로그 빔 후보에 대한 아날로그 빔 계수에 대해서 선보상하는 단계;
선보상된 상기 아날로그 빔 계수가 반영되도록 상기 둘 이상의 디지털 빔들에 대한 디지털 PMI 계수값을 재설정하는 단계; 및
선보상된 상기 아날로그 빔 계수 및 재설정된 상기 디지털 PMI 계수값을 이용하여 다중 랭크 신호를 전송하는 단계를 포함하되,
상기 하이브리드 빔포밍은 아날로그 빔포밍 및 디지털 빔포밍이 결합하여 동작하는, 하이브리드 빔포밍 수행 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍은 기저대역(BB) 프로세스를 이용하여 디지털 단에서 수행되고,
상기 아날로그 빔포밍은 상기 디지털 빔포밍이 수행된 디지털 신호로부터 생성된 아날로그 신호에 대해서 수행되는, 하이브리드 빔포밍 수행 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 둘 이상의 디지털 빔의 개수에 따라 전송될 수 있는 상기 다중 랭크 신호의 개수가 결정되는, 하이브리드 빔포밍 수행 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 아날로그 빔포밍을 위한 다수의 물리 안테나들 중 일부 물리 안테나들을 오프하는, 하이브리드 빔포밍 수행 방법.
무선 접속 시스템에서 다중 랭크 지원을 위한 하이브리드 빔포밍을 수행하기 위한 송신단에 있어서,
송신기;
수신기; 및
상기 송신기 및 상기 수신기를 제어하여 상기 하이브리드 빔포밍을 수행하기 위한 프로세서를 포함하되,
상기 프로세서는:
상기 송신기 및 상기 수신기를 제어하여 기준값 이상의 채널 이득을 갖는 둘 이상의 아날로그 빔 후보를 검출하고;
상기 둘 이상의 아날로그 빔 후보 중 하나의 아날로그 빔이 둘 이상의 디지털 빔을 포함하도록, 상기 둘 이상의 아날로그 빔 후보에 대한 아날로그 빔 계수에 대해서 선보상하고;
선보상된 상기 아날로그 빔 계수가 반영되도록 상기 둘 이상의 디지털 빔들에 대한 디지털 PMI 계수값을 재설정하고;
선보상된 상기 아날로그 빔 계수 및 재설정된 상기 디지털 PMI 계수값을 이용하여 상기 송신기를 제어하여 다중 랭크 신호를 전송하되,
상기 하이브리드 빔포밍은 아날로그 빔포밍 및 디지털 빔포밍이 결합하여 동작하는, 송신단.
제 5 항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 아날로그 빔포밍을 지원하기 위한 아날로그 빔포머 및 상기 디지털 빔포밍을 지원하기 위한 디지털 빔포머를 포함하는, 송신단.
제 5 항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍은 기저대역(BB) 프로세스를 이용하여 디지털 단에서 수행되고,
상기 아날로그 빔포밍은 상기 디지털 빔포밍이 수행된 디지털 신호로부터 생성된 아날로그 신호에 대해서 수행되는, 송신단.
제 5 항에 있어서,
상기 둘 이상의 디지털 빔의 개수에 따라 전송될 수 있는 상기 다중 랭크 신호의 개수가 결정되는, 송신단.
제 5 항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 아날로그 빔포밍을 위한 다수의 물리 안테나들 중 일부 물리 안테나들을 오프하는, 송신단.