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KR20130018079A - 무선 통신 시스템에서 빔 고정 장치 및 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 빔 고정 장치 및 방법 Download PDF

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KR20130018079A
KR20130018079A KR1020110083331A KR20110083331A KR20130018079A KR 20130018079 A KR20130018079 A KR 20130018079A KR 1020110083331 A KR1020110083331 A KR 1020110083331A KR 20110083331 A KR20110083331 A KR 20110083331A KR 20130018079 A KR20130018079 A KR 20130018079A
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KR
South Korea
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movement
user station
value
sensor
control parameter
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Withdrawn
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KR1020110083331A
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English (en)
Inventor
장영빈
타오리 라케쉬
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Filing date
Publication date
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Priority to EP12822181.9A priority patent/EP2742607B1/en
Priority to AU2012293073A priority patent/AU2012293073B2/en
Priority to PCT/KR2012/001312 priority patent/WO2013022161A1/en
Priority to JP2014524913A priority patent/JP6240603B2/ja
Priority to US13/465,638 priority patent/US9318794B2/en
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Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에서 빔포밍 수행 시 빔 방향을 유지하기 위한 것으로, 빔포밍을 수행하는 장치는, 상기 장치의 이동 및 움직임 중 적어도 하나의 변화량을 측정하는 검출부와, 상기 이동 및 상기 움직임 중 적어도 하나로 인한 빔 방향의 변화를 보상함으로써 상대방 장치와 빔 방향을 일치시키기 위한 빔 제어 파라미터를 결정하는 프로세서를 포함한다.

Description

무선 통신 시스템에서 빔 고정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BEAM LOCKING IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 특히, 무선 통신 시스템에서 빔포밍(beamforming) 수행 시 빔 방향을 유지하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 통신 시스템의 송신단은 안테나를 이용하여 전기적 신호를 발생시키고, 수신단은 무선채널을 통하여 상기 송신단에서 발생시킨 전기적 신호를 수신한다. 송수신 안테나의 이득(Gain)을 통해서 얻을 수 있는 수신단에서의 수신 신호의 이득을 모델로서 Friis 식이 흔히 사용된다. 도 1에 도시된 바와 같이, Gt의 안테나 이득을 가지는 송신단 및 Gr의 안테나 이득을 가지는 수신단이 거리 d 만큼 떨어져 있는 경우, 상기 Friis 식은 하기 <수학식 2>과 같다.
Figure pat00001
상기 <수학식 1>에서, 상기 Pr는 수신신호의 전력, 상기 Pt는 송신신호의 전력, 상기 Gt는 송신기의 안테나 이득, 상기 Gr는 수신기의 안테나 이득, 상기 λ는 파장의 길이, 상기 d는 송신기와 수신기 사이의 거리를 의미한다.
상기 <수학식 1>은 자유 공간(Free space)에서 적용 가능한 식이다. 따라서, 실제 시스템에 적용 시, 무선 채널의 특성에 따라 약간의 변형이 가해질 수 있다. 상기 <수학식 1>을 통해, 수신기에서 수신되는 전력은 송신기와 수신기의 안테나의 이득 값에 비례함이 나타난다.
도 2는 무선 통신 시스템에서 안테나의 전력 방사 모양을 도시하고 있다. 상기 도 2의 (a)는 무지향성(Isotropic) 안테나의 전력의 방사모양 도시하고, (b)는 방향성(directional) 이 있는 지향성 안테나의 전력의 방사모양을 도시한다. 상기 도 2의 (a)를 참고하면, 무지향성 안테나에서 방사되는 전력은 원(circle) 또는 구(sphere) 모양의 방사 모양을 가진다. 이에 반해, 상기 도 2의 (b)를 참고하면, 지향성 안테나에서 방사되는 전력은 부채꼴(fan) 또는 원뿔(cone) 모양을 가진다. 상기 도 2의 (a) 및 (b)에서, 안테나에서 방사되는 전력값이 동일한 경우, (b)와 같은 지향성 안테나는 특정방향으로 전력을 집중시키므로, 지향성 안테나를 통해 송신된 신호는 (a)와 같은 무지향성 안테나를 통해 송신된 신호보다 멀리 전파될 수 있다. 상술한 안테나 지향성에 따른 수신 정도를 수치화한 것이 <수학식 1>에 나타난 Friss 식에 포함된 안테나 이득값이다. 즉, 안테나의 빔의 범위가 좁아질수록, 안테나의 이득 값은 커진다. 하지만, 특정 방향 및 범위로 빔의 전력이 집중되므로, 서비스를 할 수 있는 영역의 면적은 감소한다. 즉, 상기 안테나 이득 및 서비스 면적은 트레이드 오프(trade-off) 관계를 가진다.
상술한 바와 같은 신호의 방사 모양을 이용하여 무선 통신 시스템의 성능을 향상시킬 수 있으며, 원하는 신호의 방사 모양을 형성하는 기술을 빔포밍(beamforming)이라 한다. 상기 빔포밍은 하나의 안테나 또는 하나 이상의 다중 안테나를 이용하여 빔에 방향성을 부여함으로써 송수신 이득을 높이고, 그 결과, 특정 수신자에게 대한 신호 수신 강도를 높이는 기술이다. 즉, 빔포밍 기술은 안테나 이득 및 서비스 방향/범위를 어떻게 설정할 것인가의 문제라 할 수 있다.
도 3은 무선 통신 시스템에서 빔포밍 기술을 적용한 기지국의 빔들을 도시하고 있다. 상기 도 3을 참고하면, 기지국은 다수의 섹터(sector)들을 포함하며, 각 섹터에서 방향성을 가지는 다수의 빔들을 형성한다. 상기 빔포밍이 적용되는 경우, 신호의 범위가 좁으므로, 하나의 기지국 셀 또는 섹터를 서비스하기 위해서는 셀 또는 섹터의 개수보다 많은 개수의 빔들이 사용되어야 한다. 기지국이 좁은 범위의 빔포밍을 수행할수록, 사용자국(user station)은 더 좋은 채널 상태를 얻을 수 있다.
상기 빔포밍을 적용하기 위해, 사용자국은 상기 기지국의 다수의 빔 중에 가장 좋은 빔을 선택하고, 움직임이나 이동에 따라 새로운 빔을 재선택해야 한다. 빔 폭이 좁아질수록 서비스 영역이 좁아지므로, 상기 움직임이나 이동에 따른 가장 좋은 빔의 재선택은 빔 폭이 더 좁아질수록, 빈번하게 요구된다. 또한, 사용국도 빔포밍을 수행할 경우, 기지국의 빔 방향과 사용자국의 빔 방향이 일치해야 가장 좋은 채널 상태를 얻을 수 있다. 그러나, 고정되어 있는 기지국과 달리, 상기 사용자국은 이동 가능하며, 더욱이, 상기 기지국과 마주보는 기기의 방향 또한 쉽게 변경될 수 있다. 따라서, 상기 사용자국의 빔 방향 및 기지국의 빔 방향이 어긋나는 현상이 빈번하게 발생할 수 있다. 따라서, 상기 사용자국의 움직임이나 이동에 관계없이 상기 양자의 빔들의 방향을 일치시키기 위한 대안이 제시되어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 수행하는 사용자국의 빔 방향을 유지하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 무선 통신 시스템에서 사용자국의 움직임 및 이동에 따라 빔 방향을 보상하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 무선 통신 시스템에서 사용자국의 움직임 및 이동을 측정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 무선 통신 시스템에서 동작 인식 센서를 이용하여 사용자국의 움직임 및 이동을 측정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1견지에 따르면, 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 수행하는 장치는, 상기 장치의 이동 및 움직임 중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 물리적 값을 측정하는 적어도 하나의 동작 인식 센서와, 상기 적어도 하나의 물리적 값에 대한 기준 값 대비 차이 값을 산출하고, 상기 차이 값을 이용하여 상대방 장치와 빔 방향을 일치시키기 위한 빔 제어 파라미터를 결정한 후, 상기 빔 제어 파라미터에 따라 빔 방향을 조절하도록 제어하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2견지에 따르면, 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 수행하는 방법은, 적어도 하나의 동작 인식 센서를 이용하여 상기 장치의 이동 및 움직임 중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 물리적 값을 측정하는 과정과, 상기 적어도 하나의 물리적 값에 대한 기준 값 대비 차이 값을 산출하는 과정과, 상기 차이 값을 이용하여 상대방 장치와 빔 방향을 일치시키기 위한 빔 제어 파라미터를 결정하는 과정과, 상기 빔 제어 파라미터에 따라 빔 방향을 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3견지에 따르면, 무선 통신 시스템에서 사용자국의 동작 방법은, 상기 사용자국의 이동 및 움직임을 측정하기 위한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 포함하는 제1제어 메시지를 생성하는 과정과, 상기 제1제어 메시지를 기지국으로 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제4견지에 따르면, 무선 통신 시스템에서 기지국의 동작 방법은, 사용자국의 이동 및 움직임을 측정하기 위한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 포함하는 제1제어 메시지를 수신하는 과정과, 상기 제1제어 메시지를 통해 상기 사용자국에서 사용 가능한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 획득하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제5견지에 따르면, 상기 사용자국의 이동 및 움직임을 측정하기 위한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 포함하는 제1제어 메시지를 생성하는 제어부와, 상기 제1제어 메시지를 기지국으로 송신하는 송수신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제6견지에 따르면, 사용자국의 이동 및 움직임을 측정하기 위한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 포함하는 제1제어 메시지를 수신하는 송수신부와, 상기 제1제어 메시지를 통해 상기 사용자국에서 사용 가능한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 획득하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
무선 통신 시스템에서 빔포밍을 수행하는 장치의 이동 및 움직임에 따른 빔 방향의 변경을 보상하여 빔 방향을 기준 방향으로 유지함으로써, 급격하게 빔 방향이 변화하는 상황에서도 효과적인 빔포밍을 수행할 수 있다.
도 1은 무선 통신 시스템에서 송신단 및 수신단을 도시하는 도면,
도 2는 무선 통신 시스템에서 안테나의 전력 방사 모양을 도시하는 도면,
도 3은 무선 통신 시스템에서 빔포밍 기술을 적용한 기지국의 빔들을 도시하는 도면,
도 4a 내지 4d는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국 및 사용자국의 빔 방향의 예를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 센서들을 이용하여 사용자국의 움직임 및 이동을 측정하는 과정을 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 사용자국의 움직임에 따라 보상되는 빔 방향을 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 불일치 제어를 위해 필요한 기능 블록들을 도시하는 도면,
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍 방식에 따른 블록 구성을 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 제어를 위한 시그널링 절차를 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 제1실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 고정 기법의 수행 절차를 도시하는 도면,
도 11은 본 발명의 제2실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 고정 기법의 수행 절차를 도시하는 도면,
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 고정 기법을 수행하는 장치의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국 및 사용자국 간 시그널링을 도시하는 도면.
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 무선 통신 시스템에서 사용자국의 빔 방향을 유지하기 위한 기술에 대해 설명한다.
도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국 및 사용자국의 빔 방향을 도시하고 있다.
상기 도 4a를 참고하면, 기지국(410)의 송수신을 위한 빔 방향 및 사용자국(420)의 송수신을 위한 빔 방향이 일치한다. 상기 기지국(410)의 빔 방향이 상기 사용자국(420)을 향하면, 상기 사용자국(420)은 상기 기지국(410)의 빔 범위 안에 놓인다. 또한, 상기 빔 범위 내에서 위치한 상기 사용자국(420) 또한 데이터 송수신의 신뢰도 및 효율을 높이기 위해서, 상기 기지국(410)을 향하는 빔을 형성한다. 상기 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 기지국(410) 및 상기 사용자국(420)의 빔 방향이 일치하면, 가장 좋은 통신 품질이 얻어진다.
일반적으로, 상기 기지국 및 상기 사용국 간 빔 방향을 일치시키기 위해 빔 훈련(beam training)이 사용된다. 상기 빔 훈련은 하향링크 및 상향링크로 구분된다. 하향링크의 경우, 상기 기지국에서 특정 방향의 빔 훈련용 기준 신호(Beam training reference signal)들에 빔 훈련을 위한 특정 코드(Sequence)를 할당하고, 상기 기준 신호들을 특정 방향의 빔으로서 전송한다. 이에 따라, 상기 사용자국은 상기 기지국에서 전송된 하나 이상의 빔 훈련용 기준 신호 중에서 가장 좋은 통신 품질을 가지는 기준 신호의 특정 코드 값을 상기 기지국에 알린다. 상술한 과정을 통해 상기 기지국 및 상기 사용국의 일치된 빔 방향이 결정될 수 있다. 상향링크의 경우, 반대로 사용자국에서 특정 방향의 빔 훈련용 기준 신호들에 빔 훈련을 위한 특정 코드를 할당하고, 상기 기준 신호들을 특정 방향의 빔으로 전송한다. 이에 따라, 상기 기지국은 상기 빔 훈련 기준 신호들 중에서 가장 좋은 통신 품질을 가지는 기준 신호의 특정 코드 값을 사용자국에 알린다.
상술한 바와 같은 빔 훈련 방법은 고정된 기지국 및 사용자국에 적용하기에 적절하나, 짧은 시간 동안 사용자국이 빈번하게 움직이거나 이동할 경우, 상기 빔 훈련 방법을 이용한 빔 일치 방법은 적용하기 어렵다. 상기 도 4b, 상기 도 4c, 상기 도 4d은 이와 같은 문제점을 구체적으로 나타낸다. 상기 도 4b, 상기 도 4c, 상기 도 4d는 상기 사용자국(420)의 움직임 및 이동에 의해 빔 방향이 어긋나는 상황을 도시한다. 상기 도 4b를 참고하면, 상기 사용자국(410)이 기울어짐에 따라, 상기 기울어짐 정도만큼 상기 기지국(410) 및 상기 사용자국(420)의 빔 방향의 불일치(misaligned)가 발생한다. 상기 도 4c를 참고하면, 상기 사용자국(420)이 회전함에 따라, 상기 회전 정도만큼 상기 기지국(410) 및 상기 사용자국(420)의 빔 방향의 불일치가 발생한다. 상기 도 4d를 참고하면, 상기 사용자국(420)이 이동함에 따라, 상기 이동 정도만큼 상기 기지국(410) 및 상기 사용자국(420)의 빔 방향의 불일치가 발생한다.
상기 도 4b, 상기 도 4c, 상기 도 4d에 도시된 예시들과 같이, 사용자의 움직임이나 이동에 따라 상기 기지국(410) 및 상기 사용자국(420) 간 빔 방향의 불일치가 발생할 수 있다. 이 경우, 상기 기지국(410) 및 상기 사용자국(420)의 통신의 품질이 심각하게 악화된다. 더욱이, 상기 사용자의 움직임이나 이동은 비교적 짧은 시간 동안 빈번하게 발생하므로, 통상의 빔 훈련 기법으로는 극복하기 어렵다. 구체적으로 설명하면, 상기 사용자국(420)의 빔 방향에 대한 변화를 감지하기 위해서, 상기 기지국(410)은 아주 짧은 주기로 상기 사용자국(420)의 빔 방향의 변화를 확인하는 빔 훈련 절차를 수행하여야 하고, 이에 따라 빈번한 제어 메시지의 교환이 이루어진다. 상기 사용자국(420)의 빔 변화 방향에 대한 정확한 정보가 요구될수록 상기 제어 메시지 교환 절차가 자주 일어나며, 상기 절차는 시스템 오버헤드가 된다. 따라서, 본 발명은 상기 사용자국(420)의 움직임 또는 이동에 따른 빔 방향 불일치를 극복하기 위한 대안을 제안한다.
본 발명의 실시 예에 따라 빔 방향의 불일치를 극복하기 위해, 사용자국의 움직임 및 이동을 측정하는 과정이 필요하다. 상기 사용자국의 움직임 및 이동은 다양한 방식에 의해 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 사용자국의 움직임 및 이동은 센서(sensor)에 의해 측정될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 사용자국의 움직임 및 이동을 측정하기 위해 사용될 수 있는 센서들의 예는 다음과 같다.
가속도 센서(Acceleration sensor)는 중력의 변화를 감지함으로써 3차원 공간에서의 움직임 또는 이동으로 발생하는 가속도를 측정할 수 있는 센서이다. 상기 가속 센서를 이용하면, 3차원 공간에서 장치의 기울어짐 이동 방향, 거리, 속도, 가속도 등이 측정될 수 있다. 자이로 센서(Gyro sensor)는 3차원 회전축에서 물체가 정지하려는 상태를 유지하려는 성질을 이용하여 3차원 회전축에 대한 회전에 대한 정도를 측정할 수 있는 센서이다. 상기 자이로 센서를 이용하면, 3차원 공간에서 장치의 회전 각도, 회전 각속도, 회전 각가속도 등이 측정될 수 있다. 지자기 센서(Compass sensor)는 나침반의 원리를 이용한 것으로, 북쪽(N)을 기준으로 장치의 현재 방향 및 방향의 변화 등이 측정될 수 있다. GPS(Global Positioning System)는 위성에서 전송하는 위치신호를 수신하여, 현재 장치의 정확한 위치를 위도 및 경도 좌표 값으로서 측정할 수 있는 장치이다. 상기 GPS를 이용하면, 장치의 현재 위치 정보 및 위치 변화가 측정될 수 있다. 고도 센서(Altitude sensor)는 압력을 측정하는 센서를 통해 대기압을 측정하며, 이를 통해, 해발로 표시되는 절대적인 고도값을 측정할 수 있다.
상술한 센서들을 이용하면, 상기 사용자국 움직임 또는 이동 등의 정보가 3차원 공간에서 측정될 수 있다. 단, 본 발명이 상기 나열된 센서들에 제한되는 것은 아니며, 알려진 다른 센서들이 본 발명을 위해 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 센서들을 이용하여 사용자의 움직임 및 이동을 측정하는 과정을 도시하고 있다. 즉, 상기 도 5은 상술한 센서들 중 적어도 하나를 이용하여 사용자국의 기울어짐, 회전 및 이동을 통한 위치변화 등을 측정하는 과정을 도시한다.
상기 도 5의 (a)는 가속도 센서를 이용하여 3차원 공간을 구성하는 3개 축(x축, y축, z축)에서의 기울어짐 각도를 측정하는 방식을 도시한다. 상기 도 5의 (a)를 참고하면, 1축 가속도 센서를 이용할 경우, 수직방향(z축)에서의 기울기를 나타내는 θz 값을 측정할 수 있다. 2축 또는 3축 가속도 센서를 이용할 경우, 수평방향(x축 및 y축)에서의 기울기를 나타내는 θx, θy 값을 측정할 수 있다. 또한, 시간에 따른 변화량인 각속도 dθ/dt 값, 각가속도 (d2θ)/(d2t) 값도 측정될 수 있다. 상기 가속도 센서는 지자기 센서와 같이 사용될 수도 있다. 상기 지자기 센서는 수평방향에서의 절대적인 방향의 기준(reference)을 알려줄 수 있다. 따라서, 1축 가속도 센서와 지자기 센서를 함께 사용하면, 3축 가속도 센서를 사용할 경우와 동일한 결과가 얻어질 수 있다. 또한, 상기 가속도 센서만을 사용하면, 각도, 각속도, 각가속도의 상대적인 변화값을 알 수 있다. 하지만, 상기 가속도 센서 및 상기 지자기 센서가 함께 사용되는 경우, 각도, 각속도, 각가속도의 절대적인 값의 변화를 알 수 있으므로, 상기 지자기 센서는 상기 가속도 센서의 기준 방향을 설정하는데 사용될 수 있다.
상기 도 5의 (b)는 자이로 센서를 이용하여 3차원 공간의 세 축(x축, y축, z축)에서의 회전 각도를 측정하는 방식을 도시한다. 상기 자이로 센서를 이용할 경우, x(pitch), y(Roll), z(Yaw) 축에서의 회전 각도인 Φ1, Φ2, Φ3, 값이 측정될 수 있다. 측정하고자 하는 회전 축의 개수에 따라, 1축, 2축, 3축의 자이로 센서 중 하나가 사용될 수 있다. 또한, 시간에 따른 변화량인 회전 각속도 dΦ/dt 값, 회전각 가속도 (d2Φ)/(d2t) 값도 측정될 수 있다. 상기 자이로 센서는 상기 지자기 센서와 함께 사용될 수 있다. 상기 지자기 센서는 수평방향에서의 절대적인 방향의 기준(Reference)을 알려줄 수 있다. 따라서, 상기 자이로 센서만을 사용할 경우, 회전 각도, 회전 각속도, 회전 각가속도의 상대적인 변화값을 알 수 있는 반면, 상기 자이로 센서 및 상기 지자기 센서가 함께 사용되는 경우, 회전 각도, 회전 각속도, 회전 각가속도의 절대적인 값의 변화를 구할 수 있으므로, 상기 지자기 센서는 상기 자이로 센서의 기준 방향을 설정하는데 사용할 수 있다.
상기 도 5의 (c)는 GPS, 지자기 센서, 고도 센서 및 가속도 센서를 이용하여 3차원을 구성하는 3개 축(x축, y축, z축)에서의 작은 움직임, 이동상태 등을 측정하는 방식을 도시한다. 상기 GPS, 상기 지자기 센서, 상기 고도 센서 및 상기 가속도 센서를 이용하면, 고도(z축) 및 지표면(x축 및 y축) 방향에서의 위치가 측정될 수 있다. 또한, 상기 GPS, 상기 지자기 센서, 상기 고도 센서 및 상기 가속도 센서를 이용하면, 시간에 따른 위치 변화량인 속도 dx/dt 값, dy/dt 값, dz/dt 값 및 가속도 (d2x)/(d2t) 값, (d2y)/(d2t) 값,(d2z)/(d2t) 값도 측정될 수 있다. 상기 GPS를 이용하는 경우, 정지 상태의 움직임의 변화를 정밀하게 측정하기보다는 수평 방향으로 속도를 가지고 이동하는 장치의 위치변화를 측정하기에 보다 용이하며, 상대적인 좌표값이 아닌 절대적인 위도 및 경도 좌표값이 제공되므로 기준 위치를 별도로 정의할 필요가 없다. 상기 지자기 센서를 이용하는 경우, 수평방향으로 속도를 가지고 이동하는 장치의 방향의 변화의 측정이 용이하다. 상기 고도 센서를 이용하는 경우, 수직방향에서의 움직이나 이동에 대한 절대적인 고도 값이 측정될 수 있다. 반면, 상기 가속도 센서의 경우, 정지 상태에서의 수직 및 수평 방향의 움직임의 변화가 측정될 수 있으며, 속도를 가지고 이동하는 장치의 위치 변화도 측정될 수 있다. 단, 상기 가속도 센서의 경우, 절대적인 좌표값이 아닌 상대적인 위치의 변화값을 제공하므로, 기준 위치를 정의해야한다. 상기 GPS, 상기 지자기 센서, 및 고도 센서를 상기 가속도 센서와 함께 사용할 경우, 수평 및 수직 방향에서의 절대적인 기준 위치 및 기준 방향을 알 수 있으므로, 절대적인 좌표값이 측정될 수 있다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 사용자국의 움직임에 따라 보상되는 빔 방향을 도시하고 있다.
상기 도 6를 참고하면, 기지국 및 사용자국 간의 빔 방향이 일치하면, 상기 사용자국은 일치한 빔 방향(aligned direction)을 기준 방향(601)으로 설정한다. 예를 들어, 상기 빔 방향의 기준 방향(601)의 설정은 상술한 빔 훈련(beam training)에 의해 이루어질 수 있다. 또 다른 예로, 빔 방향의 기준 방향(601)은 상기 일치된 빔 방향은 상기 기지국 및 상기 사용자국 간의 위치정보를 기반하여 설정될 수 있다. 이 외, 다양한 기법들이 상기 기준 방향(601)을 설정하기 위해 채용될 수 있다. 예를 들어, 절대적인 위치나 방향을 알 수 있는 GPS, 지자기 센서, 고도 센서 등이 사용 가능한 경우, 상기 사용자국은 정확한 3차원 방향의 위치나 방향을 상기 기준 방향(601)으로 정할 수 있다. 다른 예로, 가속도 센서 또는 자이로 센서가 사용 가능한 경우, 상기 사용자국은 상기 기준 방향(601)에 대응되는 기준 값을 '0'으로 결정하고, 상대적인 각도나 회전각을 측정할 수 있다.
이후, 상기 사용자국의 움직임에 의해 야기되는 기울어짐, 회전, 그리고 상기 사용자국의 이동에 따라 빔 방향이 변화하면, 상기 사용자국은 상기 기준 방향 대비 변화량을 측정한다. 즉, 상기 사용자국은 3차원 방향으로 물리적 변화 값을 측정한다. 상기 3차원 방향의 물리적 변화 값은 수평(x축, y축) 및 수직(z축)의 방향에서의 각도, 각속도, 각가속도, 회전각도, 회전각속도, 회전각속도, 이동거리, 이동속도, 이동가속도 등의 형태로 측정될 수 있다. 상기 물리적 변화량은 일반적으로 알려진 다양한 기법을 통해 측정될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 물리적 변화량은 여러 종류의 센서들을 이용하여 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 센서들은 가속도 센서, 지자기 센서, 각속도 센서, 고도 센서, 자이로 센서, GPS 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 사용자국은 상기 물리적 변화 값에 따라 빔 방향을 보상함으로써, 상기 기준 방향(601)으로 상기 빔 방향을 유지한다. 예를 들어, 사용자가 통화 중 고개를 돌리거나 움직일 경우, 기지국과 일치된 사용자국의 빔 방향은 바뀌게 된다. 만약, 공간을 x축, y축, z축의 직교방향으로 표현할 경우, 빔 방향이 상기 기준 방향(601)으로부터 z축으로 30도 각도를 회전하였으면, 상기 사용자국의 빔 방향을 상기 z 축으로 -30도 만큼 돌려주게 되면, 사용자국의 빔 방향은 상기 기준 방향(601)으로 유지된다. 이에 따라, 사용자국의 빔 방향이 30도 회전하였더라도, 기지국은 상기 사용자국의 빔 방향 회전과 무관하게 기존의 빔 방향으로 상기 사용자국과 통신을 수행할 수 있다. 다시 말해, 사용자국의 움직임이나 이동으로 야기되는 물리적인 방향 및 위치의 변화에 대해서 본 발명이 제안하는 사용자국이 직접 빔 방향을 보상하는 알고리즘을 실행하게 되면, 상기 기지국은 물리적으로 움직임이 없는 사용자국과의 통신을 수행하게 되는 효과가 발생한다. 이 경우, 상기 기지국과 상기 사용자국 간의 상향링크 및 하향링크 통신에 있어서, 시스템 오버헤드 없는 효과적인 빔포밍이 이루어진다.
상술한 빔 방향을 유지하는 기술은, 기지국 및 사용자국 간의 최상의 통신 품질을 유지할 수 있는 사용자국의 빔 방향을 기준 방향으로 설정한 후, 빔 방향 변경 시 물리적 변화 값을 측정하고, 상기 측정된 물리적 변화 값을 기반으로 빔 방향을 보상하는 과정을 포함한다. 본 발명은 상술한 바와 같이 빔 방향을 유지하는 기술을 '빔 고정(beam locking) 기법'이라 칭한다. 상기 빔 고정 기법은 빔포밍 기술을 사용하는 무선 통신 시스템에서 이동이 가능한 어떠한 국(station)에도 광범위하게 적용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 불일치 제어를 위해 필요한 기능 블록들을 도시하고 있다.
상기 도 7을 참고하면, 상기 빔 불일치 제어를 위해 기준 빔/방향 설정 블록(710), 기준 값 저장 블록(720), 센서 블록(730), 연산 블록(740), 빔제어 블록(750), 안테나 블록(760)가 필요하다.
상기 기준 빔/방향 설정 블록(710)은 기지국 및 사용자국 간 통신 품질을 최대화하는 우수한 빔을 선택하고, 상기 우수한 빔의 방향을 빔 고정을 위한 기준 방향으로 설정한다. 상기 통신 품질을 최대화하는 우수한 빔 또는 방향을 선택하는 방법의 일 예는 상술한 빔 훈련 절차이다. 상기 기준 빔/방향 설정 블록(710)의 기준 방향을 설정하는 동작은 빔 고정 기법과 독립적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 기준 방향 설정은 일정한 시간 간격으로 주기적으로 수행되거나, 또는 미리 정의된 이벤트(event)가 발생하였을 경우에 수행될 수 있다.
상기 기준 값 저장 블록(720)은 메모리 등과 같은 저장 수단으로서, 상기 기준 빔/방향 설정 블록(710)에 의해 설정된 기준 빔/방향을 물리적 수치 값으로 표현한 기준 값(Reference value)를 저장한다. 상기 기준 값은 위치 정보에 기반한 절대값의 형태를 가지거나, 또는, 상기 기준 값은 영점(zero point)으로 설정될 수 있다. 상기 기준 값의 구체적인 형태는 사용자국에 사용 가능한 센서의 종류에 따라 달라질 수 있다. GPS, 지자기 센서, 고도 센서 등이 사용되는 경우, 상기 기준 값은 상기 절대값 형태로 정의될 수 있다. 구체적으로, GPS가 사용되는 경우, 상기 기준 값은 수평 방향의 사용자 위치를 나타내는 위도 및 경도로 표현될 수 있다. 또한, 지자기 센서가 사용되는 경우, 상기 기준 값은 수평 방향의 북쪽을 기준으로 회전각으로 표시되는 각도로 표현될 수 있다. 또한, 고도 센서가 사용되는 경우, 상기 기준 값은 수직 방향의 해수면을 기준하는 고도값으로 표현될 수 있다. 가속도 센서, 자이로 센서 등이 사용되는 경우, 상기 기준 값은 상기 상대값의 형태로 정의될 수 있다. 구체적으로, 상기 가속도 센서 또는 자이로 센서 만으로는 절대적인 방향값이 측정되지 아니하므로, 상기 가장 통신 품질이 우수한 빔/방향이 영점으로 설정될 수 있다.
상기 센서 블록(730)은 사용자국의 움직임이나 이동으로 인한 상기 사용자국의 빔 방향의 변화를 감지한다. 상기 센서 블록(730)은 상술한 가속도 센서, 자이로 센서, 지자기 센서, 고도 센서, GPS 중 적어도 하나를 포함한다. 또한, 상기 센서 블록(730)은 상기 나열한 센서들 외 움직임, 이동 등을 감지할 수 있는 다른 센서를 포함할 수 있다. 상기 센서 블록(730)은 일정 시간 간격에 따라 반복적으로 3차원 방향의 수평(x축, y축) 및 수직(z축)의 방향에서의 각도, 각속도, 각가속도, 회전각도, 회전각속도, 회전각속도, 이동거리, 이동속도, 이동가속도 등의 값들을 측정한다. 상기 센서 블록(730)의 출력 값들은 상기 사용자국에 구비된 센서의 종류 및 특성에 따라, 상기 기준 값이 어떤 형태로 정의되어 있는지에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 센서 블록(730)의 출력 값이 속도값(예 : 이동속도, 각속도, 회전각속도)이고, 상기 기준 값이 이동 거리, 각도, 회전각도일 경우, 상기 센서 블록(730)은 측정된 속도 값을 적분함으로써 상기 기준 값의 형태로 변환하여야 한다. 단, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 변환을 위한 연산은 상기 센서 블록(730)이 아닌 별도의 블록에 의해 수행될 수 있다. 다른 예로, 상기 센서 블록(730)의 출력 값이 가속도값(예 : 이동가속도, 각가속도, 회전가속도)이고, 상기 기준 값이 이동 거리, 각도, 회전각도일 경우, 상기 출력은 시간 축에서 2회 적분을 통해 상기 기준 값의 형태로 변환되어야 한다
상기 연산 블록(740)은 상기 센서 블록(730)의 출력 값 및 상기 기준 값 저장 블록(720)에 저장된 기준 값 간 차이 값을 계산한다. 즉, 상기 연산 블록(740)는 상기 차이 값을 계산하고, 상기 차이 값을 이용하여 편차 값을 결정한 후, 상기 편차 값을 출력한다. 상기 편차 값은 실제 빔 고정 기법을 적용을 위하여 사용자국의 빔 방향을 조정하는 상기 빔 제어 블록(750)의 입력으로서 제공된다. 상기 편차 값은 상기 센서 블록(730)에서 출력 값이 발생하는 주기로 결정 및 출력될 수 있다.
상기 빔 제어 블록(750)은 상기 연산 블록(740)에서 출력되는 상기 편차 값을 이용하여 상기 편차 값이 '0' 또는 특정 임계값 미만이 되도록 빔포밍을 수행한다. 다시 말해, 상기 빔 제어 블록(750)은 상기 연산 블록(740)에서 출력되는 상기 편차 값을 이용하여 상기 편차 값이 '0' 또는 특정 임계값 미만이 되도록 빔포밍 파라미터를 계산하고 안테나로 입력되는 신호를 제어한다. 상기 편차 값은 3차원 방향에서의 각도, 회전각도 등의 값으로 주어질 수 있다. 상기 편차 값이 이동거리, 좌표 등의 값으로 주어지는 경우, 상기 빔 제어 블록(750)은 삼각함수 기법인 sine, cosine, tangent의 역함수를 이용하여 실제 빔의 방향이 기지국 및 사용자국 간의 3차원 방향에서의 불일치되는 편차 값을 각도 값, 회전각도 값 등으로 변환한다. 단, 상기 변환을 위한 연산은 상기 빔 제어 블록(750)이 아닌 별도의 블록에 의해 수행될 수 있다. 상기 빔 제어 블록(750)의 구체적인 구성은 빔포밍 방식에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 빔 제어 블록(750)은 디지털 빔포밍 (Digital beamforming), 아날로그 빔포밍(Aanlog beamforming), 혼합 빔포밍(Hybrid beamforming), 기계적으로 안테나의 방향을 바꾸는 빔포밍 중 적어도 하나의 방식에 따를 수 있다.
상기 안테나 블록(760)은 신호를 방사하는 다수의 안테나들을 포함한다. 상기 안테나 블록(760)은 안테나 어레이로 구성될 수 있다. 상기 안테나 블록(760)은 상기 빔 제어 블록(750)의 빔포밍에 따라 송수신 빔을 형성한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍 방식에 따른 블록 구성을 도시하고 있다.
빔포밍은 빔포밍이 수행되는 시점에 따라 디지털 빔포밍 및 아날로그 빔포밍으로 구분된다. 상기 디지털 빔포밍 및 상기 아날로그 빔포밍의 차이는 빔 방향을 결정하는 빔포밍 파라미터가 DAC(Digital to Analog Converter) 이전에 결정되는지 상기 DAC 이후에 결정되는지 여부이다. 상기 디지털 빔포밍의 경우, DAC 이전에 상기 빔포밍 파라미터가 비트열(bit stream)에 곱해진다. 반면, 상기 아날로그 빔포밍의 경우, DAC 이후에 빔포밍 파라미터가 각 안테나를 통해 송신될 신호들 각각의 크기 또는 위상을 조절한다. 또한, 상기 디지털 빔포밍 및 상기 아날로그 빔포밍을 모두 수행하는 경우, 혼합 빔포밍도 가능하다.
도 8a의 디지털 빔포밍을 수행하는 장치의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 8a를 참고하면, 정보(information) 비트열은 부호화부(811) 및 변조부(812)를 통해 복소 심벌(complex symbol)열로 변환된다. 상기 비트열은 '0' 또는 '1'의 값을 갖는 연속적인 정보값들을 의미하며, 상기 비트열은 각 독립된 경로로 입력되는 하나 이상의 비트열들 일 수 있다. 안테나 별로 독립적인 비트열이 전송될 경우, 복소 심벌들은 다중화되어 각 경로로 제공되고, 모든 안테나에서 동일한 비트열이 전송될 경우, 동일한 복소 심벌들이 모든 경로로 제공된다. 상기 복소 심벌들은 각 경로의 프리코더(precoder)들(813-1 내지 813-N)에 의해 빔포밍 파라미터(Wd1, …, WdN)와 곱해진 후, IFFT 연산기들(814-1 내지 814-N), P/S(Parallel to Serial) 변환기들(815-1 내지 815-N), CP(Cyclic Prefix) 삽입기들(816-1 내지 816-N)을 통해 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 심벌들로 변환된다. 이후, 디지털 신호인 상기 OFDM 심벌들은 DAC들(817-1 내지 817-N)에 의해 아날로그 신호로 변환된다. 이후, 각 경로의 아날로그 신호들은 믹서(mixer)들(819-1 내지 819-N)에 의해 RF 대역 신호로 변환되고, 전력 증폭기(PA : Power Amplifier)들(820-1 내지 820-N)을 통해 증폭된 후, 각 안테나를 통해 송신된다. 상술한 바와 같이, 디지털 빔포밍의 경우, 각 안테나 별로 DAC(819)가 구비되며, 빔포밍 파라미터는 상기 DAC(819) 이전에 복소 심벌에 곱해진다. 그러므로, 상기 디지털 빔포밍의 빔포밍 파라미터는, 안테나가 N개인 경우, Wd1, …, WdN이 되며, 상기 파라미터의 각 인자도 복소수이다. 또한, 다수의 안테나 그룹이 하나의 안테나를 구성할 경우, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기법이 적용될 수 있다. 이 경우, 안테나 그룹별로 Wd1, …, WdN의 빔포밍 파라미터가 정의되며, 상기 빔포밍 파라미터의 각 인자는 복소수로 구성되는 행렬 또는 벡터값이 된다. 상기 MIMO 기법이 적용될 경우, 상기 빔포밍을 위한 프리코더들(813-1 내지 813-N) 외에, 상기 MIMO 기법을 위한 프리코더 블록이 더 추가될 수 있다.
도 8b는 아날로그 빔포밍을 수행하는 장치의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 8b를 참고하면, 정보 비트열은 부호화부(821) 및 변조부(822)를 통해 복소 심벌들로 변환된다. 상기 비트열은 '0' 또는 '1'의 값을 갖는 연속적인 정보값을 의미한다. 상기 복소심벌들은 IFFT 연산기들(823-1 내지 823-N), P/S 변환기들(824-1 내지 824-N), CP 삽입기들(825-1 내지 825-N)을 통해 OFDM 심벌들로 변환된다. 이후, 디지털 신호인 상기 OFDM 심벌들은 DAC(826)에 의해 아날로그 신호로, 믹서(827)를 통해 RF 대역 신호로 변환된다. 상기 RF 대역 신호는 각 안테나의 경로로 입력되고, 위상/크기 변환기들(828-1 내지 828-N)에 의해 크기 및 위상이 변화되고, 전력 증폭기들(829-1 내지 829-N)을 통해 증폭된 후, 각 안테나를 통해 송신된다. 상술한 바와 같이, 아날로그 빔포밍은 정보 비트열을 채널코딩, 변조, 아날로그 변환한 후, 안테나에서 전송되기 이전에 아날로그 신호의 크기 또는 위상을 변화시킴으로써 각 안테나에서 전송되는 빔의 방향을 결정하게 된다. 예를 들어, 빔포밍 파라미터를 각각의 안테나별로 Wa1,…, WaN인 경우, 상기 빔포밍 파라미터의 각 인자는 안테나 별 신호의 크기값 및 위상값 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 아날로그 빔포밍은 상기 크기값 및 상기 위상값을 동시에 바꾸거나, 상기 위상값만 조정할 수 있다. 또한, 다수의 안테나 그룹이 하나의 안테나를 구성할 경우, MIMO 기법이 적용될 수 있다. 이 경우, 안테나 그룹별로 Wa1, …, WaN의 빔포밍 파라미터가 정의되며, 상기 빔포밍 파라미터의 각 인자는 안테나 그룹별 신호의 크기 또는 위상값 중 적어도 하나 이상으로 구성되는 행렬 또는 벡터값이 된다.
도 8c는 혼합 빔포밍을 수행하는 장치의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 8c를 참고하면, 정보 비트열은 부호화부(831) 및 변조부(832)를 통해 복소 심벌들로 변환된다. 상기 비트열은 '0' 또는 '1'의 값을 갖는 연속적인 정보값들을 의미하며, 상기 비트열은 각 독립된 경로로 입력되는 하나 이상의 비트열들 일 수 있다. 상기 복소 심벌들은, 상기 도 8a와 유사하게, 각 경로의 프리코더들(833-1 내지 833-N)에 의해 빔포밍 파라미터(Wd1, …, WdN)와 곱해진 후, IFFT 연산기들(834-1 내지 834-N), P/S 변환기들(835-1 내지 835-N), CP 삽입기들(836-1 내지 836-N)을 통해 OFDM 심벌들로 변환된다. 이후, 디지털 신호인 상기 OFDM 심벌들은 DAC들(837-1 내지 837-N)에 의해 아날로그 신호로 변환된 후, 믹서들(838-1 내지 838-N)에 의해 RF 대역 신호로 변환된다. 이후, 디지털 빔포밍된 각 경로의 신호들은, 상기 도 8b와 유사하게, 각 안테나 경로의 위상/크기 변환기들(841-11 내지 841-1N, …, 841-N1 내지 841-NN)에 의해 크기 및 위상이 변화되고, 동일한 안테나를 통해 송신될 신호들은 합산기들(842-1 내지 842-N)에 의해 합산된다. 합산된 신호들은 각 안테나 경로의 전력 증폭기들(843-11 내지 843-1N, …, 843-N1 내지 843-NN)을 통해 증폭된 후, 각 안테나를 통해 송신된다. 상술한 바와 같이, 혼합 빔포밍은 상기 디지털 빔포밍 및 상기 아날로그 빔포밍을 모두 포함한다. 이 경우, 빔포밍 파라미터는 디지털 빔포밍을 위한 Wd1,…WdN 및 아날로그 빔포밍을 위한 Wa1,…WaN를 포함하며, 2 종류의 빔포밍 파라미터는 독립적으로 또는 특정 관계식을 가지고 빔포밍을 제어한다.
상기 도 8a 내지 도 8c는 송신 빔포밍을 위한 블록 구성을 도시한다. 수신 빔포밍의 경우, 상기 DAC가 ADC(Analog to Digital converter)로, 상기 프리코더가 포스트코더(post-coder)로, 상기 부호화가 복호화로, 상기 변조가 복조로 대체되고, 전력 증폭기의 방향 및 신호의 이동 방향이 우측에서 좌측으로 변경된다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 제어를 위한 시그널링 절차를 도시하고 있다.
상기 도 9를 참고하면, 901단계에서, 기지국(910) 및 사용자국(920)은 빔 훈련 절차를 수행한다. 상기 기지국(910) 및 상기 사용자국(920)은 각각 빔포밍을 수행할 수 있다. 상기 사용자국(920)은 상기 기지국(910)이 보유한 서로 다른 방향들의 송신 빔들 중 가장 수신 상태가 우수한 하나의 빔을 선택하며, 상기 기지국(910)은 상기 사용자국(920)이 보유한 서로 다른 방향들의 송신 빔들 중에서 가장 수신 상태가 우수한 하나의 빔을 선택한다. 상술한 바와 같이 가장 우수한 상태의 빔 방향을 결정하는 절차는 상기 빔 훈련이라 지칭될 수 있다. 상기 빔 훈련은 데이터의 교환을 시작하기 전, 또는, 데이터 교환 시작 후에도 주기적으로 또는 필요에 따라 수행될 수 있다.
상기 빔 훈련을 통해 송수신 효율이 우수한 선호 빔(Preference Beam)을 선택한 후, 903단계에서, 상기 사용자국(920)은 상기 선호 빔의 방향을 기준 방향(reference direction)으로 설정한다. 상기 기준 방향은 상기 사용자국(920)에 어떠한 센서가 장착되었는지에 따라서 절대적인 값 또는 상대적인 값으로 설정될 수 있다.
상기 기준 방향을 설정한 후, 905단계에서, 상기 사용자국(920)은 상기 기지국(910)의 도움 없이 독자적으로 빔 불일치 제어(beam misalignment control) 절차를 수행한다. 다시 말해, 상기 사용자국(920)은 본 발명에서 제안하는 빔 고정 기법에 따라 빔 불일치를 극복한다. 구체적으로, 사용자의 움직임이나 이동에 따라 상기 기지국(910) 및 상기 사용자국(920) 간 빔 방향의 불일치가 발생하면, 상기 사용자국(920)는 상기 불일치를 보상하기 위하여 빔 불일치 제어 절차를 수행한다. 이를 통해, 상기 기지국(910) 및 상기 사용자국(920) 간 빔의 일치 상태가 유지됨으로써 송수신 효율이 극대화될 수 있다.
이후, 907단계에서, 상기 기지국(910) 및 상기 사용자국(920)은 빔 훈련 절차를 재수행한다. 여기서, 상기 907단계는 미리 정의된 빔 훈련 절차의 주기에 따라, 또는, 필요에 따라 수행될 수 있다. 즉, 상기 빔 고정 기법을 통해 빔의 일치 상태를 유지하더라도, 상기 기지국(910) 및 상기 사용자국(920)은 상기 빔 훈련 절차를 비교적 긴 주기에 따라 수행함으로써, 안정적인 빔 일치 상태를 보장할 수 있다. 상기, 빔 훈련 절차가 재수행된 후, 상기 사용자국(920)는 909단계에서 빔 일치를 위한 새로운 기준 방향을 설정하고, 911단계에서 빔 불일치 제어 절차를 수행한다.
상기 빔의 기준 방향은 언제든지 빔 훈련과정을 통해서 재설정이 가능하며, 재 설정 후에는 새로운 기준 방향 값을 통해서 상기 빔 불일치를 제어하는 절차를 수행하게 된다.
상기 빔 훈련 절차 및 빔 고정을 위한 빔 불일치 제어 절차는 시간적으로 선후관계가 있을 수 있다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 빔 훈련 절차 및 상기 빔 불일치 제어 절차는 독립적으로 수행될 수 있다. 이 경우, 사용자국은 상기 빔 불일치 제어절차를 센서를 이용하여 지속적으로 수행하며, 빔 훈련 절차는 상기 빔 불일치 제어 절차와 무관하게 빔의 기준 방향을 갱신하는 절차로서의 의미를 가진다. 그러므로, 본 발명의 실시 예에 따른 빔 고정 절차는 빔 훈련 절차를 반드시 포함하지는 아니한다.
이하 상술한 바와 같은 빔 고정 기법을 수행하는 장치의 동작 및 구성을 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
이하 설명에서, 본 발명은 빔 고정 기법의 수행 절차 전에 기지국 및 사용자국 간 빔의 기준 방향의 설정이 되어 있음을 가정한다. 상기 기준 빔 방향은 기지국과 사용자국 간에 최초에 설정되거나, 주기적으로 재설정되거나, 필요한 경우 재설정 될 수 있다. 예를 들어, 상기 장치는 다수의 후보 방향들로 빔 방향을 설정하며 훈련용 기준 신호를 반복적으로 송신하고, 빔 방향이 일치하는 후보 방향을 선택할 수 있다. 추가적으로, 상기 장치는 더 좁은 폭의 빔을 사용하기 위하여 빔의 폭을 재조정(refinement)할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제1실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 고정 기법의 수행 절차를 도시하고 있다.
상기 도 10을 참고하면, 장치는 1001단계에서 적어도 하나의 동작 인식 센서를 통해 사용자의 이동이나 움직임에 따른 상기 장치의 이동 및 움직임에 대한 물리적 값들을 측정한다. 예를 들어, 상기 적어도 하나의 동작 인식 센서는 상기 도 5을 참고하여 설명한 가속도 센서, 지자기 센서, 자이로 센서, 고도 센서, GPS 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 물리적 값들은 시간의 변화에 따라 발생하는 3차원 방향(x축, y축, z축)에서의 기울어짐, 회전 또는 이동으로 발생하는 절대적인 각도 값, 회전각도 값, 위치 값 중 적어도 하나를 포함한다. 구체적으로, 상기 물리적 값들은 움직임 및 이동 중 적어도 하나에 의해 발생하는 3차원 공간에서의 움직임 또는 이동의 방향, 움직임 또는 이동의 거리, 움직임 또는 이동의 속도, 움직임 또는 이동의 가속도, 기울어짐의 방향, 기울어짐의 각도, 기울어짐의 각속도, 기울어짐의 각가속도, 회전의 방향, 회전의 각도, 회전의 각속도, 회전의 각가속도, 북쪽(N)을 기준한 수평 방향에서의 장치의 현재 방향, 방향의 변화, 위치 좌표, 위치 좌표의 변화, 고도, 고도의 변화 중 적어도 하나를 포함한다.
이어, 상기 장치는 1003단계로 진행하여 상기 적어도 하나의 동작 인식 센서를 통해 측정된 물리적 값들에 대한 기준 값 대비 차이 값을 산출한다. 여기서, 상기 기준 값은 빔의 기준 방향에 대응하는 물리적 값들을 의미한다. 즉, 상기 장치는 상기 1001단계에서 측정된 이동 또는 움직임으로 인해 상기 기준 값으로부터 상기 각도, 회전각도, 위치 등의 물리적 값들이 얼마나 변화하였는지 산출한다. 예를 들어, 상기 장치는 하기 <수학식 2>과 같이 편차(deviation)의 값을 계산할 수 있다.
Figure pat00002
상기 <수학식 2>에서, 상기 D는 편차, 상기 V는 적어도 하나의 동작 인식 센서를 통해 측정된 값, 상기 R은 기준 값을 의미한다.
다른 예로, 상기 장치는 하기 <수학식 3>과 같이 편차의 값을 계산할 수 있다.
Figure pat00003
상기 <수학식 3>에서, 상기 D는 편차, 상기 V는 적어도 하나의 동작 인식 센서를 통해 측정된 값, 상기 R은 기준 값, 상기 f()는 상기 편차값의 처리가 용이하도록 (V-R)의 값을 가공하기 위한 함수를 의미한다. 예를 들어, 상기 f()는 다음과 같이 정의될 수 있다. 상기 (V-R)은 음의 실수가 될수 있으므로, 언제나 의미 있는 D 값을 유도하기 위해서, 상기 f()는 상기 D를 언제나 양의 실수로 만드는 절대값을 취하는 함수가 될 수 있다. 다른 예로, 상기 D 값을 확률적인 표준 편차 값이 되도록하기 위하여, 상기 f()는 (V-R)에 대한 제곱값을 구하는 함수일 수 있다. 또 다른 예로, 상기 f()는 V 및 R 각각의 제곱의 차이값의 제곱근 구하는 함수일 수 있다.
이후, 상기 장치는 1005단계로 진행하여 상기 1003단계에서 산출된 차이 값을 이용하여 빔의 불일치가 발생하는지 판단한다. 예를 들어, 상기 D 값이 0인 경우, 빔 방향의 불일치는 발생하지 않는다. 또한, D 값이 0이 아니더라도, 변화 크기가 미세하면, 빔 방향의 불일치는 발생하지 아니할 수 있다. 즉, 상기 D 값이 임계값 D'를 초과하지 아니하는 경우, 상기 장치는 빔 방향의 불일치가 발생하지 아니하였다 판단할 수 있다. 예를 들어, 상기 D 값의 물리적인 변화량에 대한 파라미터를 (a, b, c)라고 하고, 임계값 D’값의 물리적인 변화량에 대한 파라미터를 (a', b', c')라고 하면, a≥a', b≥b', c≥c' 중 적어도 하나가 만족할 경우에만 빔 방향에 대한 불일치가 발생한 것으로 판단될 수 있다. 상기 (a, b, c) 값은 사용국에서 사용 가능한 센서의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 상기 3차원 방향의 물리적 변화 값은 수평(x축, y축) 및 수직(z축)의 방향에서의 각도, 각속도, 각가속도, 회전각도, 회전각속도, 회전각속도, 이동거리, 이동속도, 이동가속도 등의 형태로 측정될 수 있다. 또한, 상기 (a, b, c) 값이 기준 값과 다른 종류의 물리적인 값을 가질 경우, 상기 (a, b, c) 값을 실제 빔 방향을 나타내는 값으로 변환하는 절차가 필요하다. 예를 들어, 상기 (a, b, c) 값이 시간의 변화량의 값으로 주어지는 경우, 상기 장치는 적분 연산을 통하여 새로운 (a1, b1, c1)값으로 변환할 수 있다.
만일, 상기 빔의 불일치가 발생하면, 상기 장치는 1007단계로 진행하여 빔의 불일치를 보상하기 위한 빔 제어 파라미터를 산출한다. 다시 말해, 상기 장치는 상기 1003단계에서 산출한 차이 값을 빔포밍을 제어할 수 있는 값으로 변환한다. 이때, 상기 빔 제어 파라미터의 구체적인 형태는 빔포밍 방식에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 빔 제어 파라미터는 디지털단에서 사용되는 복소수로 구성되는 빔포밍 행렬, 빔포밍 벡터 중 적어도 하나가 될 수 있다. 또는, 상기 빔 제어 파라미터는 상기 빔포밍 행렬 또는 벡터를 인덱스 값으로 매핑시킨 송신단의 프리코딩(precoding) 코드북 인덱스값 또는 수신단의 포스트코딩(postcoding) 코드북(codebook)의 인덱스값이 될 수 있다. 다른 예로, 아날로그 빔포밍이 수행되는 경우, 상기 빔 제어 파라미터는 안테나별 위상 및 크기 값이 될 수 있다. 또 다른 예로, 안테나를 물리적으로 움직이는 빔포밍이 수행되는 경우, 상기 빔 제어 파라미터는 회전량, 기울기량 등의 물리적인 자세 제어(attitude control) 값이 될 수 있다. 또 다른 예로, 사전에 각 빔 방향에 대응되는 안테나들, 안테나 묶음들 또는 안테나 어레이(array)들이 구비되어 있고, 각 빔 방향에 대하여 빔의 인덱스 또는 안테나의 인덱스가 할당된 경우, 상기 빔 제어 파라미터는 상기 빔의 인덱스 및 상기 안테나의 인덱스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 빔 제어 파라미터는 물리적인 변화 값을 입력 변수로 하는 함수의 결과값으로 해석될 수 있다. 구체적으로, 기준 방향에서의 빔 제어 파라미터를 W라 표현하면, W = [w1,…, wN]으로 표현될 수 있다. 즉, N개의 안테나 또는 N개의 안테나 그룹별로 각각 빔포밍을 통해 빔을 형성할 경우, 상기 W는 N개의 벡터값으로 표현될 수 있다. 상기 벡터값은 상술한 빔 제어 파라미터가 된다. 상기 빔 제어 파라미터는 상기 <수학식 1> 및 상기 <수학식 2>의 D 값을 입력 변수로 취하는 함수 값에 의해서 결정될 수 있다. 즉, 상기 빔 제어 파라미터는 하기 <수학식 4>와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00004
상기 <수학식 4>에서, 상기 W는 빔 제어 파라미터, 상기 D는 센서에서 측정된 값 및 기준 값 간 편차, 상기 f()는 상기 D로부터 상기 W를 산출하는 함수이다. 상기 f()는 빔포밍 방식 및 사용자국에서 사용가능한 센서의 종류에 따라 다양하게 정의될 수 있다.
상기 빔 제어 파라미터를 산출한 후, 상기 장치는 1009단계로 진행하여 상기 빔 제어 파라미터를 이용하여 빔 방향을 제어한다. 다시 말해, 상기 장치는 상기 1007단계에서 산출된 빔 제어 파라미터를 빔포밍에 적용한다. 이에 따라, 상기 장치는 상기 1005단계에서 판단된 빔 불일치를 해소할 수 있다.
상기 도 10에 도시되지는 아니하였으나, 상기 장치는 상기 1001단계에서 움직임 및 이동의 측정에 앞서 기준 방향을 설정할 수 있다. 예를 들어, 상기 장치는 빔 훈련 절차를 통해 상기 기준 방향을 설정할 수 있다. 예를 들어, 상기 장치는 다수의 후보 방향들로 빔 방향을 설정하며 훈련용 기준 신호를 반복적으로 송신하고, 빔 방향이 일치하는 후보 방향을 선택할 수 있다. 추가적으로, 상기 장치는 더 좁은 폭의 빔을 사용하기 위하여 빔을 재조정할 수 있다.
상기 도 10에 도시되지는 아니하였으나, 상기 장치는 상기 1001단계에서 움직임 및 이동의 측정에 앞서 상기 움직임 또는 상기 이동이 발생하는지 여부를 판단할 수 있다. 이 경우, 상기 움직임 또는 상기 이동이 발생하면, 상기 장치는 상기 1001단계 내지 상기 1009단계를 진행한다.
도 11은 본 발명의 제2실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 고정 기법의 수행 절차를 도시하고 있다.
상기 도 11을 참고하면, 장치는 1101단계에서 적어도 하나의 동작 인식 센서를 통해 사용자의 이동이나 움직임에 따른 상기 장치의 이동 및 움직임에 대한 물리적 값들을 측정한다. 예를 들어, 상기 적어도 하나의 동작 인식 센서는 상기 도 5을 참고하여 설명한 가속도 센서, 지자기 센서, 자이로 센서, 고도 센서, GPS 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 시간의 변화에 따라 발생하는 3차원 방향(x축, y축, z축)에서의 기울어짐, 회전 또는 이동으로 발생하는 절대적인 각도 값, 회전각도 값, 위치 값 중 적어도 하나를 포함한다. 구체적으로, 상기 물리적 값들은 움직임 및 이동 중 적어도 하나에 의해 발생하는 3차원 공간에서의 움직임 또는 이동의 방향, 움직임 또는 이동의 거리, 움직임 또는 이동의 속도, 움직임 또는 이동의 가속도, 기울어짐의 방향, 기울어짐의 각도, 기울어짐의 각속도, 기울어짐의 각가속도, 회전의 방향, 회전의 각도, 회전의 각속도, 회전의 각가속도, 북쪽(N)을 기준한 수평 방향에서의 장치의 현재 방향, 방향의 변화, 위치 좌표, 위치 좌표의 변화, 고도, 고도의 변화 중 적어도 하나를 포함한다.
이어, 상기 장치는 1103단계로 진행하여 상기 적어도 하나의 동작 인식 센서를 통해 측정된 물리적 값들에 대한 기준 값 대비 차이 값을 산출한다. 여기서, 상기 기준 값은 빔의 기준 방향에 대응하는 물리적 값들을 의미한다. 즉, 상기 장치는 상기 1101단계에서 측정된 이동 또는 움직임으로 인해 상기 기준 값으로부터 상기 각도, 회전각도, 위치 등의 물리적 값들이 얼마나 변화하였는지 산출한다. 예를 들어, 상기 장치는 상기 <수학식 2> 또는 상기 <수학식 3>과 같이 편차의 값을 계산할 수 있다.
이어, 상기 장치는 1105단계로 진행하여 빔의 불일치를 보상하기 위한 빔 제어 파라미터를 산출한다. 다시 말해, 상기 장치는 상기 1103단계에서 산출한 차이 값을 빔포밍을 제어할 수 있는 값으로 변환한다. 이때, 상기 빔 제어 파라미터의 구체적인 형태는 빔포밍 방식에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 빔 제어 파라미터는 디지털단에서 사용되는 복소수로 구성되는 빔포밍 행렬, 빔포밍 벡터 중 적어도 하나가 될 수 있다. 또는, 상기 빔 제어 파라미터는 상기 빔포밍 행렬 또는 벡터를 인덱스 값으로 매핑시킨 송신단의 프리코딩(precoding) 코드북 인덱스값 또는 수신단의 포스트코딩(postcoding) 코드북(codebook)의 인덱스값이 될 수 있다. 다른 예로, 아날로그 빔포밍이 수행되는 경우, 상기 빔 제어 파라미터는 안테나별 위상 및 크기 값이 될 수 있다. 또 다른 예로, 안테나를 물리적으로 움직이는 빔포밍이 수행되는 경우, 상기 빔 제어 파라미터는 회전량, 기울기량 등의 물리적인 자세 제어(attitude control) 값이 될 수 있다. 또 다른 예로, 사전에 각 빔 방향에 대응되는 안테나들, 안테나 묶음들 또는 안테나 어레이(array)들이 구비되어 있고, 각 빔 방향에 대하여 빔의 인덱스 또는 안테나의 인덱스가 할당된 경우, 상기 빔 제어 파라미터는 상기 빔의 인덱스 및 상기 안테나의 인덱스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 빔 제어 파라미터를 산출한 후, 상기 장치는 1107단계로 진행하여 상기 빔 제어 파라미터를 이용하여 빔 방향을 제어한다. 다시 말해, 상기 장치는 상기 1107단계에서 산출된 빔 제어 파라미터를 빔포밍에 적용한다. 이에 따라, 상기 장치는 상기 1105단계에서 판단된 빔 불일치를 해소할 수 있다.
상기 도 11에 도시되지는 아니하였으나, 상기 장치는 상기 1101단계에서 움직임 및 이동의 측정에 앞서 기준 방향을 설정할 수 있다. 예를 들어, 상기 장치는 빔 훈련 절차를 통해 상기 기준 방향을 설정할 수 있다. 예를 들어, 상기 장치는 다수의 후보 방향들로 빔 방향을 설정하며 훈련용 기준 신호를 반복적으로 송신하고, 빔 방향이 일치하는 후보 방향을 선택할 수 있다. 추가적으로, 상기 장치는 더 좁은 폭의 빔을 사용하기 위하여 빔을 재조정할 수 있다.
상기 도 11에 도시되지는 아니하였으나, 상기 장치는 상기 1101단계에서 움직임 및 이동의 측정에 앞서 상기 움직임 또는 상기 이동이 발생하는지 여부를 판단할 수 있다. 이 경우, 상기 움직임 또는 상기 이동이 발생하면, 상기 장치는 상기 1101단계 내지 상기 1109단계를 진행한다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 고정 기법을 수행하는 장치의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 장치는 메모리(memory)(1210), 센싱부(1220), 프로세서(1230), 통신인터페이스(communication interface)(1240), 빔포밍부(1250)를 포함하여 구성된다.
상기 메모리(1210)는 상기 장치가 동작하는데 필요한 프로그램, 마이크로 코드, 설정 정보, 시스템 정보, 트래픽 데이터 등을 저장한다. 특히, 상기 메모리(1210)는 빔 고정 기법을 위한 값들을 저장한다. 구체적으로, 상기 메모리(1210)는 기준 방향에 관한 물리적인 값들, 예를 들어, 기울기의 방향, 기울기의 각도, 회전 각도 값, 위치 좌표 값, 고도 중 적어도 하나를 저장할 수 있다. 또한, 상기 메모리(1210)는 상기 센싱부(1220)에 의해 측정되는 값들, 예를 들어, 3차원 공간에서의 움직임 또는 이동의 방향, 움직임 또는 이동의 거리, 움직임 또는 이동의 속도, 움직임 또는 이동의 가속도, 기울어짐의 방향, 기울어짐의 각도, 기울어짐의 각속도, 기울어짐의 각가속도, 회전의 방향, 회전의 각도, 회전의 각속도, 회전의 각가속도, 북쪽(N)을 기준한 수평 방향에서의 장치의 현재 방향, 방향의 변화, 위치 좌표, 위치 좌표의 변화, 고도, 고도의 변화 중 적어도 하나를 저장할 수 있다. 또한, 상기 메모리(1210)는 빔 파라미터를 산출하기 위한 함수, 룩업 테이블(look-up table) 등을 저장할 수 있다.
상기 센싱부(1220)는 적어도 하나의 동작 인식 센서를 포함하며, 상기 적어도 하나의 동작 인식 센서를 통해 상기 장치의 이동 및 움직임을 나타내는 물리적 값들을 측정하고, 측정 결과를 상기 프로세서(1230)로 제공한다. 상기 센싱부(1220)는 가속도센서(1221), 자이로센서(1222), 지자기센서(1223), 고도센서(1224), GPS모듈(1225) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 도 12은 상기 가속도센서(1221), 상기 자이로센서(1222), 상기 지자기센서(1223), 상기 고도센서(1224), 상기 GPS모듈(1225) 모두가 포함되는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 일부 적어도 하나의 센서가 배제될 수 있다. 상기 물리적 값은 3차원 방향(x축, y축, z축)에서의 기울어짐, 회전 또는 이동으로 발생하는 절대적인 각도 값, 회전각도 값, 위치 값 또는 상기 값들의 시간의 변화량 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 프로세서(1230)는 상기 장치의 전반적인 동작을 제어한다. 즉, 상기 프로세서(1230)는 상기 메모리(1210)의 읽기/쓰기 동작을 제어하고, 상기 센싱부(1220)로부터 제공되는 측정 결과를 처리하고, 상기 통신인터페이스(1240)로 송신 데이터를 제공하고, 상기 통신인터페이스(1240)로부터 제공되는 수신 데이터를 처리하고, 상기 빔포밍부(1250)의 빔포밍을 제어한다. 특히, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 프로세서(1230)는 빔 고정 기법을 수행한다. 상기 빔 고정 기법을 위해, 상기 프로세서(1230)는 빔고정부(1232) 및 빔포밍제어부(1234)를 포함한다.
상기 빔고정부(1232)는 빔의 기준 방향을 설정하고, 빔의 기준 방향이 유지되도록 빔 고정 절차를 수행한다. 구체적으로, 상기 빔고정부(1232)는 빔 방향이 일치하는 때의 정보, 즉, 기준 값을 결정한다. 상기 빔고정부(1232)는 상기 기준 값을 결정하기 위해 상기 센싱부(1220)로부터 절대적인 위치나 방향 값을 얻거나, 또는 상기 기준 값을 '0'으로 설정할 수 있다. 그리고, 상기 빔고정부(1232)는 상기 센싱부(1220)으로부터 제공되는 측정 결과를 이용하여 장치의 이동, 움직임, 기울임, 회전 등을 인식하고, 상기 기준 값 대비 차이 값을 산출한다. 여기서, 상기 기준 값은 빔의 기준 방향에 대응하는 물리적 값을 의미한다. 예를 들어, 상기 빔고정부(1232)는 상기 <수학식 2>과 같이 편차의 값을 계산할 수 있다. 이후, 상기 빔고정부(1232)는 상기 차이 값을 이용하여 빔 방향을 기준 방향에 일치시키는 새로운 빔 제어 파라미터를 산출하고, 상기 빔 제어 파라미터를 상기 빔포밍제어부(1234)로 제공한다. 예를 들어, 상기 빔 제어 파라미터는 상기 <수학식 4>와 같이 산출될 수 있다. 상술한 동작에서, 상기 빔고정부(1232)는 일정 시간 간격에 따라 주기적으로 상기 차이 값을 산출하거나, 움직임 또는 이동이 발생하는 때에만 상기 차이 값을 산출할 수 있다. 또한, 상기 빔고정부(1232)는 상기 차이 값 산출 후 빔의 불일치 여부를 판단하고, 상기 빔의 불일치가 발생한 경우에만 상기 새로운 빔 제어 파라미터의 산출 여부를 판단할 수 있다. 상기 빔포밍제어부(1234)는 상기 빔고정부(1232)로부터 제공되는 빔 제어 파라미터에 따라 상기 빔포밍부(1250)를 제어한다.
상기 통신인터페이스(1240)는 시스템의 물리 계층 규격에 따라 송신 비트열을 기저대역 신호로, 기저대역 신호를 수신 비트열로 변환한다. 상기 통신인터페이스(1240)는 채널코딩(channel coding) 및 디코딩(decoding), 데이터 변조(modulation) 및 복조, 다중안테나 매핑을 위한 프리코딩, 포스트 코딩(Post coding), A/D(Analog/Digital convertor), D/A(Digital/Analog convertor), FFT(Fast Fourier Transform), IFFT(Inverse Fast Fourier Transform), 디지털 빔포밍 등의 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, OFDM(Orthgonal Frequency Division Multiplexing) 방식에 따르는 경우, 데이터 송신 시, 상기 통신인터페이스(1240)는 송신 비트열을 부호화 및 변조함으로써 복소 심벌들을 생성하고, 상기 복소 심벌들을 부반송파들에 매핑한 후, IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산 및 CP(Cyclic Prefix) 삽입을 통해 OFDM 심벌들을 구성한다.
상기 빔포밍부(1250)는 다수의 구성 요소들을 포함하며, 각 구성 요소는 각 안테나 경로에서 신호의 위상 및 크기를 조절한다. 즉, 상기 빔포밍부(1250)는 상기 프로세서(1230)로부터 제공되는 안테나별 신호의 위상 및 크기 값에 따라 각 안테나 경로로 송신되는 신호의 위상 및 크기를 조절함으로써, 빔포밍을 수행한다. 상기 도 12에서, 각 안테나에 대응하는 경로는 1개로 도시되었고, 각 경로에 상기 빔포밍부(1250)의 구성 요소들도 안테나당 1개로 도시되었다. 하지만, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 각 안테나에 대하여 송신 경로 및 수신 경로가 별도로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 빔포밍부(1250)의 구성 요소들은 안테나 당 2개씩 존재할 수 있다.
상기 도 12에 도시되지 아니하였으나, 상기 장치는 상대방 장치와의 빔 훈련을 수행하는 빔훈련부를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 장치의 빔의 기준 방향을 결정하는 경우, 상기 빔훈련부는 다수의 후보 방향들로 빔 방향을 설정하며 훈련용 기준 신호를 반복적으로 송신하고, 상대방 장치로부터 피드백되는 방향을 기준 방향으로 선택할 수 있다. 반대로, 상대방 장치의 빔의 기준 방향을 결정하는 경우, 상기 빔훈련부는 상대방 장치에서 송신되는 다수의 훈련용 기준 신호를 수신하고, 가장 좋은 통신 품질을 가지는 하나의 훈련용 기준 신호의 코드 값을 상대방 장치로 통지할 수 있다. 추가적으로, 상기 빔훈련부는 더 좁은 폭의 빔을 사용하기 위하여 빔을 재조정할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 빔훈련부는 상기 빔고정부(1232)의 동작에 앞서, 상기 빔 훈련을 통해 기준 방향을 설정할 수 있다.
상기 도 12은 아날로그 빔포밍을 수행하는 실시 예에 따르는 장치의 블록 구성을 도시하고 있다. 본 발명의 실시 예에 따라, 빔포밍은 디지털 빔포밍, 안테나를 물리적으로 움직이는 빔포밍, 사전에 정의된 각 빔 방향에 대응되는 안테나들, 안테나 묶음들 또는 안테나 어레이(array)들 중 하나를 선택하는 빔포밍 등이 적용될 수 있다. 상기 디지털 빔포밍의 경우, 상기 빔포밍부(1250)는 생략될 수 있으며, 상기 프로세서(1240)는 송신 신호에 코드북을 곱함으로써 빔포밍을 수행할 수 있다. 상기 안테나를 물리적으로 움직이는 빔포밍의 경우, 상기 빔포밍부(1250)의 구성 요소들 각각은 안테나의 위치 및 각도를 제어할 수 있다. 상기 사전에 정의된 각 빔 방향에 대응되는 안테나들, 안테나 묶음들 또는 안테나 어레이(array)들 중 하나를 선택하는 빔포밍의 경우, 상기 빔포밍부(1250)는 상기 프로세서(1240)에 의해 선택된 안테나 그룹으로 신호를 송신/수신하도록 제어한다.
상술한 바와 같이 사용자국에서 빔 고정을 수행하는 경우, 기지국은 상기 빔 고정을 수행하지 아니하는 사용자국에 비하여 빔 훈련을 드물게 수행할 수 있다. 즉, 상기 기지국은 빔 고정을 수행하는 사용자국 및 빔 고정을 수행하지 아니하는 사용자국을 구분할 필요가 있다. 상기 기지국이 특정 사용자국이 빔 고정을 수행하는지 여부를 알기 위해, 제어 정보 교환 절차가 요구된다. 예를 들어, 사용자국에서 빔 고정 기법이 지원되는지 여부는 사용자국에 대한 능력협상(Capability negation) 절차를 통해서 상기 기지국으로 알려질 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국 및 사용자국 간 시그널링을 도시하고 있다. 상기 도 13을 참고하면, 1301단계에서, 사용자국(1320)은 빔 고정 기법이 지원되는지 여부를 지시하는 정보를 포함하는 능력 정보를 기지국(1310)으로 송신한다. 구체적으로, 상기 사용자국(1320)은 이동 및 움직임으로 인한 빔 방향의 변화를 보상함으로써 빔 방향을 기준 방향으로 유지하도록 제어하는 빔 고정 기법을 지원함을 알리는 제어 메시지를 생성하고, 상기 제어 메시지를 상기 기지국(1310)으로 송신한다. 예를 들어, 상기 빔 고정 기법이 지원되는지 여부를 지시하는 정보는 하기 <표 1>과 같이 구성될 수 있다.
인덱스 비트수 내용
빔고정능력 1 0: 빔고정 가능
1: 빔고정 불가능
다른 예로, 상기 빔 고정 기법이 지원되는지 여부를 지시하는 정보는 하기 <표 2>와 같은 보다 구체적인 항목들을 더 포함할 수 있다.
인덱스 비트수 내용
빔 고정 능력 시간 xx 기지국 및 사용자국 간 빔의 빔 방향의 불일치가 발생할 경우 보상이 수행되기까지의 소요 시간
방향 해상도 xx 3차원 공간에서 사용자국의 기울어짐이나 회전으로 발생하게 되는 각도의 측정 가능 해상도
속도 해상도 xx 사용자국의 움직임 따른 속도에 대한 해상도
1303단계에서, 상기 능력 정보를 수신한 상기 기지국(1310)는 상기 능력 정보를 수신하였음을 통지하는 확인(acknowledge) 메시지를 상기 사용자국(1320)으로 송신한다. 예를 들어, 상기 확인 메시지는 하기 <표 3>과 같이 구성될 수 있다.
인덱스 비트수 내용
빔고정능력확인 1 0: 빔고정 확인
1: 빔고정 확인불가
단, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 1303단계는 생략될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 도 13에 도시된 시그널링 절차를 통해, 상기 <표 1> 내지 상기 <표 3>의 예 보다 상세한 빔 고정 능력에 대한 정보가 교환될 수 있다. 예를 들어, 하기 <표 4>와 같은 동작 인식 센서에 대한 구체적인 성능을 나타내는 정보가 교환될 수 있다.
항목 비트수 내용
가속도 센서 1 가속도 센서 사용 가능/불능
자이로 센서 1 자이로 센서 사용 가능/불능
지자기 센서 1 지자기 센서 사용 가능/불능
고도 센서 1 고도 센서 사용 가능/불능
GPS 1 GPS 사용 가능/불능
나아가, 상기 <표 4>와 같은 정보에서 사용 가능한 것으로 표시된 경우, 하기 <표 5> 내지 하기 <표 9>와 같은 해당 동작 인식 센서에 대한 상세 정보가 더 포함될 수 있다.
항목 비트수 내용
가속도 센서의 축 xx 1축, 2축, 3축 센서 여부
자이로 센서의 축 방향 xx x축, y축, z축 또는 수직/수평 방향
각도 해상도 xx 축의 방향에서의 기울어짐으로 인해 발생하게 되는 각도/각속도/각가속도에 대한 해상도
가속도 해상도 xx 축의 방향에서의 사용자국의 움직임에 따른 가속도/위치변화값/속도에 대한 해상도
항목 비트수 내용
자이로 센서의 축 xx 1축, 2축, 3축 센서 여부
자이로 센서의 축 방향 xx x축(pitch), y축(roll), z축(yaw) 또는 수직/수평 방향
회전 각속도 해상도 xx 축의 방향에서의 회전으로 인해 발생하게 되는 회전각속도/회전각/회전각가속도에 대한 해상도
항목 비트수 내용
지자기 센서의 회전각 해상도 xx 북쪽(north)을 기준으로 수평 방향으로 되는 회전각/회전각속도/회전각가속도에 대한 해상도
항목 비트수 내용
고도 센서의 고도 해상도 xx 해수면을 기준으로 수직 방향에서의 고도에 대한 해상도
항목 비트수 내용
GPS의 위치값 해상도 xx 수직/수평 방향에서의 GPS 위치값/이동속도/이동가속도에 대한 해상도
상기 <표 1> 내지 상기 <표 9>에 나타난 항목들 중 적어도 하나가 하나의 메시지를 구성할 수 있다. 즉, 상기 기지국(1310) 또는 상기 사용자국(1320)은 상기 <표 1> 내지 상기 <표 9>에 나타난 항목들 전부 또는 일부를 송신하기 위해 적어도 하나의 제어 메시지를 송신할 수 있다. 예를 들어, 상기 사용자국(1320)은 센서에 대한 정보만을 포함하는 메시지를 송신할 수 있다.
나아가, 상기 도 13에 도시되지 아니하였으나, 상기 기지국(1310)은 상술한 시그널링을 통해 상기 사용자국(1320)이 빔 고정 기법을 지원함을 확인하고, 상기 사용자국(1320)에 대한 빔 훈련 절차의 주기를 조절할 수 있다. 이 경우, 상기 사용자국(1320)의 빔 훈련 주기는 상기 빔 고정 기법을 지원하지 아니하는 사용자국의 빔 훈련 주기보다 길 수 있다.
이 경우, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 빔 훈련 절차의 주기를 조절하기 위해, 상기 기지국(1310)은 상기 주기를 알리는 메시지를 송신할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라 빔 고정 기법이 지원되는 경우를 위한 주기가 미리 정의되어 있는 경우, 상기 기지국(1310) 및 상기 사용자국(1320)은 별도의 시그널링 없이 상기 빔 훈련 절차의 주기를 조절할 수 있다.
상기 도 13에 도시된 바와 같은 시그널링을 위해, 상기 기지국(1310)는 상기 <표 1> 내지 상기 <표 9> 중 적어도 하나와 같은 정보를 포함하는 메시지를 생성 및 해석하는 제어부, 상기 메시지를 송신하는 송수신부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 단말(1320)는 상기 <표 1> 내지 상기 <표 9> 중 적어도 하나와 같은 정보를 포함하는 메시지를 생성 및 해석하는 제어부, 상기 메시지를 송신하는 송수신부를 포함할 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.

Claims (40)

  1. 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 수행하는 장치에 있어서,
    상기 장치의 이동 및 움직임 중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 물리적 값을 측정하는 적어도 하나의 동작 인식 센서와,
    상기 적어도 하나의 물리적 값에 대한 기준 값 대비 차이 값을 산출하고, 상기 차이 값을 이용하여 상대방 장치와 빔 방향을 일치시키기 위한 빔 제어 파라미터를 결정한 후, 상기 빔 제어 파라미터에 따라 빔 방향을 조절하도록 제어하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 물리적 값은, 3차원 공간에서의 움직임 또는 이동의 방향, 움직임 또는 이동의 거리, 움직임 또는 이동의 속도, 움직임 또는 이동의 가속도, 기울어짐의 방향, 기울어짐의 각도, 기울어짐의 각속도, 기울어짐의 각가속도, 회전의 방향, 회전의 각도, 회전의 각속도, 회전의 각가속도, 북쪽(N)을 기준한 수평 방향에서의 장치의 현재 방향, 방향의 변화, 위치 좌표, 위치 좌표의 변화, 고도, 고도의 변화 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 동작 인식 센서는, 가속도 센서, 자이로 센서, 지자기 센서, 고도 센서, GPS 모듈 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 장치의 이동 및 움직임 중 적어도 하나가 발생하면, 상기 차이 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 차이 값을 산출한 후, 상기 빔 방향의 불일치가 발생하였는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    각 안테나 경로로 송신될 신호열에 상기 빔 제어 파라미터에 의해 지시되는 빔포밍 벡터 또는 빔포밍 행렬을 곱함으로써 빔포밍을 수행하는 통신 인터페이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 빔 제어 파라미터에 의해 지시되는 안테나별 신호의 위상 및 크기 값에 따라 각 안테나 경로로 송신되는 신호의 위상 및 크기를 조절함으로써 빔포밍을 수행하는 빔포밍부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 빔 제어 파라미터에 의해 지시되는 각 안테나의 자세 제어 값에 따라 각 안테나의 신호 방사 방향을 조절함으로써 빔포밍을 수행하는 빔포밍부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 상기 빔 제어 파라미터에 의해 지시되는 안테나 그룹이 활성화되도록 제어하는 빔포밍부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 기준 방향의 빔 제어 파라미터 및 상기 변화량을 입력 변수로 하는 미리 정의된 규칙에 따라 상기 빔 제어 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 기준 방향의 빔 제어 파라미터 대비 상기 변화량에 따른 빔 제어 파라미터를 정의한 매핑 테이블을 이용하여 상기 새로운 빔 제어 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    빔 훈련을 통해 기준 방향을 설정하는 빔 훈련부를 더 포함하며,
    상기 프로세서는, 상기 기준 방향에 대응되는 적어도 하나의 물리적 값을 상기 기준 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 수행하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 동작 인식 센서를 이용하여 상기 장치의 이동 및 움직임 중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 물리적 값을 측정하는 과정과,
    상기 적어도 하나의 물리적 값에 대한 기준 값 대비 차이 값을 산출하는 과정과,
    상기 차이 값을 이용하여 상대방 장치와 빔 방향을 일치시키기 위한 빔 제어 파라미터를 결정하는 과정과,
    상기 빔 제어 파라미터에 따라 빔 방향을 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 물리적 값은, 3차원 공간에서의 움직임 또는 이동의 방향, 움직임 또는 이동의 거리, 움직임 또는 이동의 속도, 움직임 또는 이동의 가속도, 기울어짐의 방향, 기울어짐의 각도, 기울어짐의 각속도, 기울어짐의 각가속도, 회전의 방향, 회전의 각도, 회전의 각속도, 회전의 각가속도, 북쪽(N)을 기준한 수평 방향에서의 장치의 현재 방향, 방향의 변화, 위치 좌표, 위치 좌표의 변화, 고도, 고도의 변화 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 동작 인식 센서는, 가속도 센서, 자이로 센서, 지자기 센서, 고도 센서, GPS 모듈 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 이동 및 상기 움직임 중 적어도 하나가 발생하는지 판단하는 과정을 더 포함하며,
    상기 차이 값은, 상기 이동 및 상기 움직임 중 적어도 하나가 발생하면 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 차이 값을 산출한 후, 상기 빔 방향의 불일치가 발생하였는지 여부를 판단하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 빔 방향을 조절하는 과정은,
    각 안테나 경로로 송신될 신호열에 상기 빔 제어 파라미터에 의해 지시되는 빔포밍 벡터 또는 빔포밍 행렬을 곱하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 빔 방향을 조절하는 과정은,
    상기 빔 제어 파라미터에 의해 지시되는 안테나별 신호의 위상 및 크기 값에 따라 각 안테나 경로로 송신되는 신호의 위상 및 크기를 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 빔 방향을 조절하는 과정은,
    상기 빔 제어 파라미터에 의해 지시되는 각 안테나의 자세 제어 값에 따라 각 안테나의 신호 방사 방향을 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 빔 방향을 조절하는 과정은,
    상기 빔 제어 파라미터에 의해 지시되는 안테나 그룹이 활성화시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 빔 제어 파라미터를 결정하는 과정은,
    기준 방향의 빔 제어 파라미터 및 상기 변화량을 입력 변수로 하는 미리 정의된 규칙에 따라 상기 빔 제어 파라미터를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 빔 제어 파라미터를 결정하는 과정은,
    기준 방향의 빔 제어 파라미터 대비 상기 변화량에 따른 빔 제어 파라미터를 정의한 매핑 테이블을 이용하여 상기 새로운 빔 제어 파라미터를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제13항에 있어서,
    빔 훈련을 통해 기준 방향을 설정하는 과정과,
    상기 기준 방향에 대응되는 적어도 하나의 물리적 값을 상기 기준 값으로 설정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 무선 통신 시스템에서 사용자국의 동작 방법에 있어서,
    상기 사용자국의 이동 및 움직임을 측정하기 위한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 포함하는 제1제어 메시지를 생성하는 과정과,
    상기 제1제어 메시지를 기지국으로 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제어 메시지는, 빔 방향의 불일치가 발생할 경우 보상이 수행되기까지의 소요 시간, 3차원 공간에서 상기 사용자국의 기울어짐이나 회전으로 발생하게 되는 각도의 측정 가능 해상도, 상기 사용자국의 움직임 따른 속도에 대한 해상도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 사용자국의 이동 및 움직임으로 인한 빔 방향의 변화를 보상함으로써 빔 방향을 기준 방향으로 유지하도록 제어하는 빔 고정 기법을 지원함을 알리는 제2제어 메시지를 송신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 제1제어 메시지는, 상기 사용자국에 구비된 센서의 종류, 구비된 센서의 측정 해상도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 무선 통신 시스템에서 기지국의 동작 방법에 있어서,
    사용자국의 이동 및 움직임을 측정하기 위한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 포함하는 제1제어 메시지를 수신하는 과정과,
    상기 제1제어 메시지를 통해 상기 사용자국에서 사용 가능한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 획득하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 제1제어 메시지는, 빔 방향의 불일치가 발생할 경우 보상이 수행되기까지의 소요 시간, 3차원 공간에서 상기 사용자국의 기울어짐이나 회전으로 발생하게 되는 각도의 측정 가능 해상도, 상기 사용자국의 움직임 따른 속도에 대한 해상도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 사용자국이 상기 사용자국의 이동 및 움직임으로 인한 빔 방향의 변화를 보상함으로써 빔 방향을 기준 방향으로 유지하도록 제어하는 빔 고정 기법을 지원함을 알리는 제2제어 메시지를 수신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 제1제어 메시지는, 상기 사용자국에 구비된 센서의 종류, 구비된 센서의 측정 해상도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 무선 통신 시스템에서 사용자국 장치에 있어서,
    상기 사용자국의 이동 및 움직임을 측정하기 위한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 포함하는 제1제어 메시지를 생성하는 제어부와,
    상기 제1제어 메시지를 기지국으로 송신하는 송수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 제어 메시지는, 빔 방향의 불일치가 발생할 경우 보상이 수행되기까지의 소요 시간, 3차원 공간에서 상기 사용자국의 기울어짐이나 회전으로 발생하게 되는 각도의 측정 가능 해상도, 상기 사용자국의 움직임 따른 속도에 대한 해상도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 사용자국의 이동 및 움직임으로 인한 빔 방향의 변화를 보상함으로써 빔 방향을 기준 방향으로 유지하도록 제어하는 빔 고정 기법을 지원함을 알리는 제2제어 메시지를 생성하고,
    상기 송수신부는 상기 제2메시지를 송신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 제1제어 메시지는, 상기 사용자국에 구비된 센서의 종류, 구비된 센서의 측정 해상도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 무선 통신 시스템에서 기지국 장치에 있어서,
    사용자국의 이동 및 움직임을 측정하기 위한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 포함하는 제1제어 메시지를 수신하는 송수신부와,
    상기 제1제어 메시지를 통해 상기 사용자국에서 사용 가능한 적어도 하나의 동작 인식 센서에 대한 정보를 획득하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 제1제어 메시지는, 빔 방향의 불일치가 발생할 경우 보상이 수행되기까지의 소요 시간, 3차원 공간에서 상기 사용자국의 기울어짐이나 회전으로 발생하게 되는 각도의 측정 가능 해상도, 상기 사용자국의 움직임 따른 속도에 대한 해상도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 송수신부는, 상기 사용자국이 상기 사용자국의 이동 및 움직임으로 인한 빔 방향의 변화를 보상함으로써 빔 방향을 기준 방향으로 유지하도록 제어하는 빔 고정 기법을 지원함을 알리는 제2제어 메시지를 수신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  40. 제37항에 있어서,
    상기 제1제어 메시지는, 상기 사용자국에 구비된 센서의 종류, 구비된 센서의 측정 해상도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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