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KR100930049B1 - 무선통신 시스템에서 섹터 공통 안테나를 이용한 빔포밍장치 및 방법 - Google Patents

무선통신 시스템에서 섹터 공통 안테나를 이용한 빔포밍장치 및 방법 Download PDF

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KR100930049B1
KR100930049B1 KR1020070020017A KR20070020017A KR100930049B1 KR 100930049 B1 KR100930049 B1 KR 100930049B1 KR 1020070020017 A KR1020070020017 A KR 1020070020017A KR 20070020017 A KR20070020017 A KR 20070020017A KR 100930049 B1 KR100930049 B1 KR 100930049B1
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KR
South Korea
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sector
antenna
beamforming
base station
interference
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채헌기
황근철
이병하
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 무선통신 시스템에서 빔포밍(Beamforming)에 관한 것으로, 단말들로의 송신 신호에 적용될 인접 섹터로의 간섭을 고려한 빔 계수를 계산하는 계산기와, 상기 빔 계수를 이용하여 대응되는 섹터 내의 단말들 각각으로의 송신 신호에 대해 빔포밍을 수행하는 다수의 형성기들과, 상기 다수의 형성기들 각각으로부터 제공되는 섹터별로 빔포밍된 신호들을 송신 안테나별로 합산하는 다수의 합산기들을 포함하여, 모든 섹터들에 대해 안테나를 공유하며 빔포밍을 수행함으로써, 기지국 전체 안테나 개수가 줄어들어 시스템 복잡도가 감소하고, 섹터 간 간섭이 없는 빔포밍으로 인해 시스템 용량이 증대된다.
섹터(Sector), 빔포밍(Beamforming), 다중 안테나(Multiple Antenna)

Description

무선통신 시스템에서 섹터 공통 안테나를 이용한 빔포밍 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BEAMFORMING USED SECTOR COMMON ANTENNA IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 일반적인 무선통신 시스템에서 기지국의 안테나 배치를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 무선통신 시스템에서 기지국의 안테나 배치를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 기지국의 빔포밍(Beamforming) 절차를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 빔포밍 수행 시 섹터 내 반송파대 간섭 및 잡음비 분포를 도시하는 도면, 및
도 6은 본 발명에 따른 빔포밍 방식의 성능을 도시하는 도면.
본 발명은 무선통신 시스템에서 다수의 안테나를 이용한 빔 포밍(Beamforming)에 관한 것으로, 특히 무선통신 시스템에서 섹터(Sector) 간 간섭을 고려한 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 무선멀티미디어 시대를 맞이하여 무선 채널을 통해 대용량의 데이터를 고속으로 전송해야하는 필요성이 급격히 증대되고 있다. 고속으로 데이터를 전송하기 위해서, 일반적인 데이터의 전송에 비해 큰 송신 출력과 전송 대역폭이 요구된다. 따라서, 고속의 통신을 수행하기 위해, 간섭 신호는 줄이고 원하는 신호는 효율적으로 전달하기 위한 방안이 필요하다. 상기 간섭 신호를 줄이고, 높은 수신 전력을 보장하기 위한 대안 중 하나로 스마트 안테나(Smart Antenna) 기술, 즉, 빔포밍 기술이 있다.
종래 기술에 따른 빔포밍에 의하면, 기지국은 셀을 소정 개수의 섹터로 구분하여, 각 섹터에서 개별적으로 빔포밍을 수행한다. 따라서, 상기 기지국은 섹터별로 빔포밍에 필요한 개수만큼의 안테나들을 구비해야한다. 예를 들어, 상기 빔포밍을 위해 4개의 안테나가 사용되는 경우, 상기 기지국은 도 1에 도시된 바와 같은 안테나 구조를 갖는다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 기지국이 구비한 총 12개의 안테나는 알파 섹터 안테나, 베타 섹터 안테나, 감마 섹터 안테나로 분류되어 각 섹터에 대한 빔포밍을 위해 사용된다. 예를 들어, 상기 알파 섹터에 위치한 임의의 단말을 위한 빔포밍 시, 사용되는 빔 계수는 하기 <수학식 1>과 같다.
Figure 112008014681608-pat00018
이때,
Figure 112007017161760-pat00002
상기 <수학식 1>에서 상기 Wα는 섹터α에 대한 빔 계수, 상기 hd α ant N는 섹터α에서 안테나N에 대한 채널을 나타낸다.
상기 <수학식 1>에 나타난 바와 같이, 알파 섹터에 위치한 단말을 위한 빔포밍 수행 시, 상기 기지국은 해당 섹터에서의 채널만을 고려한다. 따라서, 빔포밍 시 인접 섹터를 향한 간섭은 제어되지 않으므로, 상기 기지국은 섹터 경계로 향하는 빔포밍 신호의 크기를 감소시켜야한다. 즉, 상기 빔포밍이 섹터별로 구분되어 각각 수행됨으로 인해, 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 섹터 중심을 향하는 빔포밍되는 신호의 크기에 비하여, 섹터 경계를 향하는 빔포밍되는 신호의 크기는 작아지는 문제점이 있다. 이로 인해, 섹터 경계에 위치한 단말은 낮은 빔포밍 이득(Gain) 얻게 된다. 또한, 상기 기지국이 섹터별로 다수의 안테나들을 구비하기 때문에, 기지국 구성의 복잡도가 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 무선통신 시스템에서 섹터 간 간섭을 일으키지 않는 빔포밍(Beamforming) 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 무선통신 시스템에서 섹터 구분없이 공통된 안테나들을 사용하는 빔포밍 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 다수의 안테나들을 구비한 기지국 장치는, 단말들로의 송신 신호에 적용될 인접 섹터로의 간섭을 고려한 빔 계수를 계산하는 계산기와, 상기 빔 계수를 이용하여 대응되는 섹터 내의 단말들 각각으로의 송신 신호에 대해 빔포밍을 수행하는 다수의 형성기들과, 상기 다수의 형성기들 각각으로부터 제공되는 섹터별로 빔포밍된 신호들을 송신 안테나별로 합산하는 다수의 합산기들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 기지국의 빔포밍 방법은, 단말들로의 송신 신호에 적용될 인접 섹터로의 간섭을 고려한 빔 계수를 계산하는 과정과, 상기 빔 계수를 이용하여 대응되는 섹터 내의 단말들 각각으로의 송신 신호에 대해 빔포밍을 수행하는 과정과, 섹터별로 빔포밍된 신호들을 송신 안테나별로 합산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 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.
이하 본 발명은 섹터 간 간섭제거 빔포밍(Beamforming)을 수행하기 위한 기술에 대해 설명한다.
먼저, 섹터 간 간섭제거 빔포밍을 수행하기 위한 본 발명의 발상에 대해 간략히 설명한다.
종래 기술에 따른 빔포밍은 섹터별로 수행되기 때문에, 단말이 섹터 경계에 근접할수록 빔포밍 이득(Gain)이 낮아진다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르는 기지국은 빔포밍에 사용되는 안테나를 섹터별로 구분하지 않는다. 다시 말해, 기지국의 모든 안테나들은 각 섹터에 대한 빔포밍 시 공통으로 사용된다. 즉, 간섭 신호만을 제공하던 인접 섹터의 안테나들을 함께 사용함으로써, 상기 기지국은 특정 섹터에 대한 빔포밍 수행 시 인접 섹터로 향하는 간섭을 제어할 수 있다. 이로 인해, 상기 기지국은 섹터 내의 모든 위치에 대해 비교적 일정한 크기의 신호를 만들어낼 수 있다. 또한, 각 섹터에 대해 동일한 안테나들을 이용하여 빔포밍을 수행함으로써, 상기 기지국이 구비해야할 전체 안테나 개수가 감소하게 된다.
이하 본 발명은 상술한 방식으로 빔포밍을 수행하는 기지국의 구성 및 동작 절차를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기지국은 스케줄러(302), 버퍼(304), 다수의 부호기들(306-1 내지 306-3), 다수의 변조기들(308-1 내지 308-3), 빔 계수 계산기(310), 제 1 섹터 빔 형성기(312-1), 제 2 섹터 빔 형성기(312-2), 제 3 섹터 빔 형성기(312-3), 다수의 신호 합산기들(314-1 내지 314-N) 및 다수의 증폭기들(316-1 내지 316-N)을 포함하여 구성된다.
상기 스케줄러(302)는 단말들에게 데이터를 송신하기 위해 스케줄링을 수행한다. 이때, 상기 스케줄러(302)는 셀 내의 섹터들을 통합하여 스케줄링을 수행하며, 상기 스케줄링 결과를 상기 버퍼(304) 및 상기 빔 계수 계산기(310)로 제공한다. 상기 버퍼(304)는 단말들에게 송신할 데이터를 저장하며, 상기 스케줄러(302)의 스케줄링 결과에 따라 해당 데이터를 해당 섹터의 부호기로 출력한다.
상기 다수의 부호기들(306-1 내지 306-3)은 각 섹터별로 구성되며, 상기 버퍼(304)로부터 제공되는 데이터를 해당 방식에 따라 채널 코딩(Channel Coding)한다. 상기 다수의 변조기들(308-1 내지 308-3)은 상기 다수의 부호기들(306-1 내지 306-3)로부터 제공되는 비트열을 해당 방식에 따라 변조하여 복소 심벌들로 변환한다.
상기 빔 계수 계산기(310)는 각 단말을 위한 빔 계수를 계산한다. 이때, 상기 빔 계수 계산기(310)는 상기 스케줄러(302)로부터 스케줄링 결과를 제공받아 인접 섹터로의 간섭을 최소화하는 빔 계수를 계산한다. 예를 들어, 섹터α 내의 단말을 고려하는 경우, 상기 빔 계수 계산기(310)는 하기 <수학식 2>와 같이 빔 계수를 계산한다.
Figure 112008014681608-pat00019
이때,
Figure 112007017161760-pat00004
Figure 112007017161760-pat00005
상기 <수학식 2>에서, 상기 Wα는 섹터α에 대한 빔 계수 벡터, 상기 I는 단위 행렬, 상기 hi αantN는 섹터α에서 안테나N에 대한 간섭 채널, 상기 Hd αantN는 섹터α에서 안테나N에 대한 채널, 상기 σα 2은 섹터α에 대한 간섭 및 잡음 전력을 나타낸다.
이때, 계산된 빔 계수는 기지국 전체 안테나 개수만큼의 원소들을 갖는 벡터이며, 해당 섹터를 담당하는 다수의 빔 형성기들(312-1 내지 312-3) 각각으로 제공된다.
상기 제 1 섹터 빔 형성기(312-1), 상기 제 2 섹터 빔 형성기(312-2) 및 상기 제 3 섹터 빔 형성기(312-3)는 해당 섹터 내의 단말로 송신될 신호를 빔포밍한다. 즉, 상기 제 1 섹터 빔 형성기(312-1), 상기 제 2 섹터 빔 형성기(312-2) 및 상기 제 3 섹터 빔 형성기(312-3)는 상기 빔 계수 계산기(310)로부터 제공되는 빔 계수를 상기 다수의 변조기들(308-1) 중 해당 변조기로부터 제공되는 신호에 곱하함으로써, 빔포밍을 수행한다. 상기 빔포밍된 신호들은 송신 안테나별로 분류되어 상기 다수의 신호 합산기들(314-1 내지 314-N) 각각으로 출력된다.
상기 다수의 신호 합산기들(314-1 내지 314-N)은 송신 안테나별로 구성되며, 상기 제 1 섹터 빔 형성기(312-1), 상기 제 2 섹터 빔 형성기(312-2) 및 상기 제 3 섹터 빔 형성기(312-3)로부터 제공되는 신호들을 합산한다. 상기 다수의 증폭기들(316-1 내지 316-N)은 상기 다수의 신호 합산기들(314-1 내지 314-N)로부터 제공되는 신호들을 증폭하여 해당 송신 안테나를 통해 송신한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 기지국의 빔포밍 절차를 도시하고 있다.
상기 도 4를 참조하면, 상기 기지국은 401단계에서 모든 섹터들에 대해 하향링크 스케줄링을 수행한다. 즉, 상기 기지국은 모든 섹터들을 통합하여 단말들에게 데이터를 송신하기 위한 스케줄링을 수행한다.
상기 스케줄링을 수행한 후, 상기 기지국은 403단계로 진행하여 인접 섹터로의 간섭을 최소화하는 각 단말의 빔 계수를 계산한다. 즉, 상기 기지국은 상기 401단계에서 수행된 스케줄링 결과를 참조하여 동시에 통신을 수행하는 각 섹터별 단말을 확인하고, 서로 다른 섹터에 위치한 단말들로 송신되는 신호들이 상호 간섭을 미치지 않도록 빔 계수를 계산한다. 예를 들어, 상기 빔 계수는 상기 <수학식 2>와 같이 계산된다. 이때, 계산된 빔 계수는 기지국 전체 안테나 개수만큼의 원소들을 갖는 벡터이다.
상기 빔 계수를 계산한 후, 상기 기지국은 405단계로 진행하여 상기 계산된 빔 계수를 이용하여 각 섹터별 빔포밍을 수행한다. 즉, 상기 기직국은 상기 계산된 빔 계수를 해당 섹터 내 단말의 송신 신호에 곱한다.
상기 빔포밍을 수행한 후, 상기 기지국은 407단계로 진행하여 상기 섹터별로 빔포밍된 신호들을 송신 안테나별로 분류하고, 상기 송신 안테나별로 각 섹터의 신호를 합산한다. 다시 말해, 상기 기지국은 섹터별로 빔포밍된 신호들 중 동일한 송신 안테나로 송신될 신호들을 서로 합산한다.
이어, 상기 기지국은 409단계로 진행하여 상기 송신 안테나별로 합산된 신호들을 증폭하여 해당 송신 안테나를 통해 송신한다.
도 5는 본 발명에 따른 빔포밍 수행 시 셀 내의 반송파대 간섭 및 잡음비(CINR : Carrier to Interfernece and Noise Ratio) 분포를 도시하고 있다. 상기 도 5는 상기 도 2와 같이 6개의 안테나를 구비한 기지국을 가정하고 있다. 상기 도 5의 (a)는 섹터 당 두 개의 안테나를 사용하여 섹터별로 빔포밍한 경우의 분포이고, 상기 도 5의 (b)는 본 발명에 따라 기지국이 구비한 여섯 개의 안테나들을 모두 사용하여 빔포밍한 경우의 분포이다. 상기 도 5의 (a) 및 상기 도 5의 (b)를 비교하면, 본 발명에 따른 빔포밍을 수행한 경우, 전반적으로 높은 반송파대 간섭 및 잡음비 분포를 확인할 수 있다. 특히, 셀 중심 부근에서 25dB 이상의 높은 반송파대 간섭 및 잡음비가 두드러지게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 성능을 좀더 정확히 비교하기 위하여 상기 도 5에 나타난 분포를 그래프로 나타내면 도 6과 같다. 상기 도 6에서, 가로축은 반송파대 간섭 및 잡음비, 세로축은 셀 경계로부터의 거리비를 나타낸다. 상기 세로축에서 '1'은 셀 중심을 의미한다. 상기 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 빔포밍을 수행한 경우, 섹터 내의 모든 위치에서 종래 기술에 따른 빔포밍 수행시보다 평균 반송파대 간섭 및 잡음비가 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 무선통신 시스템에서 모든 섹터들에 대해 안테나를 공유하며 빔포밍을 수행함으로써, 기지국 전체 안테나 개수가 줄어들어 시스템 복잡도가 감소하고, 섹터 간 간섭이 없는 빔포밍으로 인해 시스템 용량이 증대된다.

Claims (15)

  1. 무선통신 시스템에서 다수의 안테나들을 구비한 기지국 장치에 있어서,
    단말들로의 송신 신호에 적용될 인접 섹터로의 간섭을 고려한 빔 계수를 계산하는 계산기와,
    상기 빔 계수를 이용하여 대응되는 섹터 내의 단말들 각각으로의 송신 신호에 대해 빔포밍(Beamforming)을 수행하는 다수의 형성기들과,
    상기 다수의 형성기들 각각으로부터 제공되는 섹터별로 빔포밍된 신호들을 송신 안테나별로 합산하는 다수의 합산기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 형성기는, 기지국 전체 송신 안테나 개수만큼의 원소들을 갖는 빔 계수 벡터를 이용하여 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 계산기는, 하기 수식과 같이 상기 각 단말을 위한 빔 계수를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112008014681608-pat00020
    이때,
    Figure 112008014681608-pat00021
    Figure 112008014681608-pat00022
    여기서, 상기 Wα는 섹터α에 대한 빔 계수 벡터, 상기 I는 단위 행렬, 상기 hi α antN는 섹터α에서 안테나N에 대한 간섭 채널, 상기 Hd α antN는 섹터α에서 안테나N에 대한 채널, 상기 σα 2은 섹터α에 대한 간섭 및 잡음 전력을 나타냄.
  4. 제 1항에 있어서,
    모든 섹터들을 통합하여 단말들에 대해 스케줄링하는 스케줄러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 송신 안테나별로 합산된 신호를 증폭하여 대응되는 안테나를 통해 송신하는 다수의 증폭기들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 무선통신 시스템에서 기지국의 빔포밍(Beamforming) 방법에 있어서,
    단말들로의 송신 신호에 적용될 인접 섹터로의 간섭을 고려한 빔 계수를 계산하는 과정과,
    상기 빔 계수를 이용하여 대응되는 섹터 내의 단말들 각각으로의 송신 신호에 대해 빔포밍(Beamforming)을 수행하는 과정과,
    섹터별로 빔포밍된 신호들을 송신 안테나별로 합산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 빔 계수는, 기지국 전체 송신 안테나 개수만큼의 원소들을 갖는 벡터인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 빔 계수는, 하기 수식과 같이 계산되는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112008014681608-pat00023
    이때,
    Figure 112008014681608-pat00024
    Figure 112008014681608-pat00025
    여기서, 상기 Wα는 섹터α에 대한 빔 계수 벡터, 상기 I는 단위 행렬, 상기 hi α antN는 섹터α에서 안테나N에 대한 간섭 채널, 상기 Hd α antN는 섹터α에서 안테나N에 대한 채널, 상기 σα 2은 섹터α에 대한 간섭 및 잡음 전력을 나타냄.
  9. 제 6항에 있어서,
    모든 섹터들을 통합하여 단말들에 대해 스케줄링하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 송신 안테나별로 합산된 신호를 증폭하여 각 안테나를 통해 송신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 다수의 안테나들을 구비한 다수의 기지국들을 포함하는 무선 통신 시스템에 있어서,
    단말들로의 송신 신호에 적용될 인접 섹터로의 간섭을 고려한 빔 계수를 계산하는 계산기와, 상기 빔 계수를 이용하여 대응되는 섹터 내의 단말들 각각으로의 송신 신호에 대해 빔포밍(Beamforming)을 수행하는 다수의 형성기들과, 상기 다수의 형성기들 각각으로부터 제공되는 섹터별로 빔포밍된 신호들을 송신 안테나별로 합산하는 다수의 합산기들을 포함하여 구성된 기지국을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 형성기는, 상기 기지국 전체 송신 안테나 개수만큼의 원소들을 갖는 빔 계수 벡터를 이용하여 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 계산기는, 하기 수식과 같이 상기 각 단말을 위한 빔 계수를 계산하는 것을 특징으로 하는 시스템,
    Figure 112008014681608-pat00026
    이때,
    Figure 112008014681608-pat00027
    Figure 112008014681608-pat00028
    여기서, 상기 Wα는 섹터α에 대한 빔 계수 벡터, 상기 I는 단위 행렬, 상기 hi α antN는 섹터α에서 안테나N에 대한 간섭 채널, 상기 Hd α antN는 섹터α에서 안테나N에 대한 채널, 상기 σα 2은 섹터α에 대한 간섭 및 잡음 전력을 나타냄.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 기지국은, 모든 섹터들을 통합하여 단말들에 대해 스케줄링하는 스케줄러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 기지국은, 상기 송신 안테나별로 합산된 신호를 증폭하여 대응되는 안테나를 통해 송신하는 다수의 증폭기들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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