KR100580762B1 - 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성 방법 - Google Patents

이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성 방법 Download PDF

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KR100580762B1 KR1020030051532A KR20030051532A KR100580762B1 KR 100580762 B1 KR100580762 B1 KR 100580762B1 KR 1020030051532 A KR1020030051532 A KR 1020030051532A KR 20030051532 A KR20030051532 A KR 20030051532A KR 100580762 B1 KR100580762 B1 KR 100580762B1
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Abstract

본 발명은 FDD(Frequency Division Duplex) 방식의 CDMA(Code-Division Multiple Access) 이동통신 시스템에서 업링크 빔 형성 가중치 벡터를 이용하여 최적의 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 구함으로써 보다 효율적인 다운링크 빔 형성이 가능하도록 한 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명은 CDMA 이동통신 시스템에서 업링크 및 다운링크의 어레이 응답 벡터를 고려하여 주파수 보정 행렬을 구하고, 이러한 주파수 보정 행렬을 업링크 빔 형성 가중치 벡터에 적용하여 다운링크 빔 형성을 위한 가중치 벡터를 구함으로써, 시스템의 다운링크 캐리어 주파수 특성에 맞는 다운링크 빔 형성이 가능해 지고, 따라서 스마트 안테나 시스템의 다운링크 성능 및 용량 증대 효과를 얻을 수 있게 된다.

Description

이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성 방법{Method For Downlink Beamforming In The Mobile Communication System}
도 1은 일반적인 CDMA 시스템에서의 업링크 수신 블록 및 다운링크 송신 블록을 개략을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 CDMA 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성을 위한 시스템 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 CDMA 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성 동작을 도시한 순서도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 업링크 채널 12 : 업링크 수신 블록
12-1 : 역확산부 12-2 : 심볼 레벨 빔 형성부
12-3 : 빔 형성 가중치 갱신부 12-4 : 레이크 수신부
14 : 다운링크 채널 20 : 다운링크 송신 블록
21 : FC 처리부 22 : 신호 송신부
23 : 빔 형성 가중치 적용부 24 : 칩 레벨 신호 전송부
본 발명은 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성에 관한 것으로, 특히 FDD(Frequency Division Duplex) 방식의 CDMA(Code-Division Multiple Access) 이동통신 시스템에서 업링크 빔 형성 가중치 벡터를 이용하여 최적의 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 구함으로써 보다 효율적인 다운링크 빔 형성이 가능하도록 한 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이동통신 시스템에서 정보(언어, 이미지 또는 기타 데이터)는 기지국으로부터 이동국(MS ; Mobile Station) 방향으로의 다운링크 및 이동국으로부터 기지국 방향으로의 업링크를 통해 송수신되며, 이때 송수신되는 신호에는 필요한 정보가 실린 신호 이외에 잡음이 실린 다수의 간섭신호가 함께 존재하며, 간섭신호에 의한 통신왜곡의 정도는 신호 전력 대 모든 간섭신호 전력의 합에 의해 결정되므로, 신호 레벨이 간섭신호 각각의 레벨보다 현저히 높은 경우에도 간섭신호의 개수가 많으면 간섭신호의 전체 전력이 커져서 통신왜곡이 발생하게 된다.
따라서, 종래의 이동통신 시스템에서는 필요한 신호를 선택적으로 송수신하고 간섭신호의 영향을 최소화시키기 위해 여러 안테나 소자로 구성된 어레이(Array)를 사용하는 스마트 안테나를 적용하고 있는데, 이때 선택적인 신호 송수신을 위해 안테나 어레이에 수신되는 신호들의 입사각에 따라 가중치를 달리하여 수신하게 되며, 이때의 복소수 가중치를 가중치 벡터라고 한다.
그리고, 이러한 스마트 안테나를 이동통신 시스템에 적용함에 있어, TDD(Time Division Duplex) 방식의 이동통신 시스템에서는 업링크 및 다운링크의 주파수가 같기 때문에 다운링크에서 얻은 채널 정보를 그대로 업링크에 이용하고, 업링크에서 구한 가중치 벡터를 그대로 다운링크에 적용할 수 있다.
하지만, FDD(Frequency Division Duplex) 방식의 이동통신 시스템에서는 업링크와 다운링크의 주파수가 다르고, 이 주파수에 따른 가중치 벡터의 채널 정보도 서로 다르기 때문에 업링크에서 구한 가중치 벡터를 다운링크에 그대로 적용시키는 경우 최적의 빔 패턴을 형성하는데 어려움이 발생한다.
한편으로, 일반적인 기지국 CDMA(Code-Division Multiple Access) 시스템의 구성을 살펴보면, 첨부된 도면 도 1에 도시된 바와 같이 업링크 수신 블록(12)과 다운링크 송신 블록(13)을 구비하여 이루어지는데, 여기서 업링크 수신 블록(12)은 이동국으로부터 전송된 신호를 기지국 수신기 및 업링크 채널(11)을 통해 수신받아 신호를 검출하는 블록으로서, 역확산부(Despreading Block)(12-1)는 이동국으로부터 업링크 채널(11)을 통해 수신된 확산(spread) CDMA 신호를 안테나 별로 역확산 처리하고, 이렇게 역확산된 신호에 대해 심볼 레벨 빔 형성부(12-2)에서 소정의 빔 형성 가중치를 적용하여 핑거(Finger)별로 수신 빔(업링크 빔)을 형성하며, 이후에 레이크 수신부(12-4)에서 레이크 결합(Rake combining)을 하게 된다. 이때 빔 형성 가중치 갱신부(Beamforming Weight Update Block)(12-3)는 빔 형성 알고리즘으로 최적의 빔 형성 가중치를 구하여 심볼 레벨 빔 형성부(12-2)에 제공한다.
그리고, 다운링크 송신 블록(13)은 기지국에서 이동국으로의 다운링크 신호 를 다운링크 채널(14)을 통해 송신 처리하는 블록으로서, 빔 형성 가중치 적용부(13-2)는 업링크 수신 블록(12)에서 구한 빔 형성 가중치를 칩 레벨 신호 전송부(13-3)에 제공해 줌으로써 신호 송신부(13-1)에 의해 만들어진 칩 레벨(chip level) 신호에 그대로 적용하여 다운링크 채널(14)을 통해 이동국으로 송신한다.
전술한 이동통신 시스템에서 업링크 가중치를 다운링크에 그대로 적용하여 다운링크 빔 형성을 수행하는데 있어, 종래에는 DCCM(Downlink Channel Covariance Matrix) 행렬을 이용함으로써 다운링크 빔 형성을 위한 가중치 벡터를 결정할 수 있지만, 실제 FDD 모드로 동작하는 기지국(Base Station)에서 다운링크 빔 형성을 위한 가중치 벡터를 얻는 데 필요한 DCCM 행렬을 구하기가 쉽지 않다는 문제점이 있다.
그리고, UCCM(Uplink Channel Covariance Matrix) 행렬을 DCCM 행렬로 대체하여 사용할 수도 있는데, 여기서 UCCM은 트레이닝(training)이나 블라인드(blind) 방법으로 구한 업링크 채널 응답을 시간 평균(Time-averaging )함으로써 계산할 수 있다. 하지만, UCCM 행렬을 DCCM 행렬로 대체하여 사용하는 경우 그때 구한 다운링크 빔 형성 가중치 벡터의 메인 빔은 FDD 모드에 의한 주파수 차이 때문에 요구된 사용자 시그널의 방향에 대해 DOA(Direction Of Arrival angle) 이동을 가지고 빔이 형성되는 문제점이 있으며, 이때 UCCM에 대해서 신호 대 잡음비를 최대화하는 기준(criterion)이 적용된다면 원하지 않는 신호 방향에 대해 다운링크 널 빔(Downlink Null Beam)이 형성되지 않아 성능 저하를 초래하게 되는 문제점이 있다.
또한, UCCM 행렬로부터 DCCM 행렬을 추정(estimation)하는 방법도 있는데, 여기서 DCCM 행렬은 복잡하게 구해진 일정한 FC(Frequency Calibration) 행렬을 사용함으로써 적용할 수 있는 특정한 주파수 보정 처리(Frequency calibration processing)를 통하여 UCCM 행렬에 대한 관련식을 구할 수 있으며, 이때 FC 행렬은 업링크와 다운링크 캐리어 주파수(carrier frequency), 기지국 안테나 어레이 기하학(BS antenna array geometry), 셀 섹터화(cell sectorization)에 의해 결정되지만, 추정된 다운링크 채널 응답이 존재하더라도 유효 다운링크 빔 형성(Efficient downlink beamforming) 알고리즘이 부족하고, 다운링크 빔 형성 가중치를 구하는데 있어 추정된 다운링크 채널 행렬에 대해 계산량이 많은 고유 분해(eigen-decomposition)를 수행해야 하는 단점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, CDMA 이동통신 시스템에서 업링크 빔 형성 가중치 벡터에 업링크 및 다운링크의 어레이 응답 벡터를 고려한 주파수 보정 행렬을 적용하여 다운링크 빔 형성을 위한 가중치 벡터를 구할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 업링크 빔 형성 가중치 벡터에 주파수 보정 행렬을 적용하여 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 구함으로써, 다운링크 캐리어 주파수 특성에 맞는 다운링크 빔 형성이 가능하게 하고, 나아가 스마트 안테나 시스템의 다운링크 성능 및 용량 증대가 가능하게 하는데 있다.
삭제
삭제
삭제
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 다운링크 어레이 응답행렬에 대응하는 대각행렬을 곱하여 얻은 결과에, 업링크 어레이 응답행렬에 대응하는 대각행렬을 곱하여 얻은 결과의 역행렬을 곱하여 주파수 보정 행렬을 구하는 과정과; 상기 구한 주파수 보정 행렬을 업링크 빔 형성 가중치 벡터에 곱하여 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 구하는 과정과; 상기 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 칩 레벨 신호에 곱하여 다운링크 빔을 형성한 후에 이를 다운링크 채널을 통해 이동국으로 송신하는 과정을 포함하는 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성 방법을 제공하는데 있다.
이때, 상기 주파수 보정 행렬은, 업링크 및 다운링크 각각의 캐리어 주파수에 의한 어레이 응답 벡터를 고려하여 업링크 및 다운링크의 캐리어 주파수 차이에 의한 어레이 응답 성분이 표현된 주파수 보정 행렬인 것을 특징으로 한다.
삭제
또한,상기 다운링크 어레이 응답행렬은 '
Figure 112005077043471-pat00032
'이고, 상기 업링크 어레이 응답행렬은 '
Figure 112005077043471-pat00033
'으로서, 각각 신호의 방향각 함수인 '
Figure 112005077043471-pat00034
' 및 '
Figure 112005077043471-pat00035
'으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 여기서, 'LS'는 샘플수, 'λD'와 'λU'는 각 링크의 파장, 'P'는 빔 형성 안테나의 갯수, 'z'는 빔형성 안테나간 거리, '
Figure 112005077043471-pat00036
'는
Figure 112005077043471-pat00037
, '
Figure 112005077043471-pat00038
'는
Figure 112005077043471-pat00039
임.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 FDD 방식의 CDMA 이동통신 시스템에서는 업링크 빔 형성 가중치 정보 및 주파수 보정 행렬(Frequency Calibration matrix)을 이용하여 다운링크 빔 형성을 위한 가중치 벡터 즉, 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 구해서 스마트 안테나 시스템의 다운링크 송신 블록에 적용하고자 하는데, 이를 위한 CDMA 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성을 위한 시스템 구성은 첨부한 도면 도 2에 도시한 바와 같이 업링크 수신 블록(12)과 다운링크 송신 블록(20)을 구비하여 이루어진다.
여기서, 업링크 수신 블록(12)은 단말기로부터 전송된 신호를 기지국 수신기 및 업링크 채널(11)을 통해 수신하여 신호를 검출하는 블록으로서, 도 1에 도시된 종래의 업링크 수신 블록(12)과 동일한 내부 구성 및 기능을 수행하므로, 본 발명에서는 그 설명을 생략하기로 한다.
그리고, 다운링크 송신 블록(20)은 업링크 빔 형성 가중치를 주파수 보정 행렬을 이용하여 다운링크 빔 형성 가중치 벡터로 변환하기 위한 주파수 보정 처리 기능을 수행하는 FC(Frequency Calibration) 처리부(21)를 포함하며, 이외에 신호 송신부(22)와 빔 형성 가중치 적용부(23) 및 칩 레벨 신호 전송부(24)를 포함하는 구성을 갖는다.
즉, 본 발명에서 다운링크 송신 블록(20)의 FC 처리부(21)는 FDD 방식과 같이 업링크 캐리어 주파수와 다운링크 캐리어 주파수가 다른 경우에 업링크 빔 형성 가중치 벡터를 다운링크 빔 형성 가중치 벡터로 그대로 사용하게 되면 다운링크에서의 빔 형성이 틀어지기 때문에 이러한 주파수 차이로 인한 빔 형성의 틀어짐을 보상하는 기능을 수행하는데, 이를 위해 업링크와 다운링크 각각의 캐리어 주파수에 의한 어레이 응답 벡터(array response vector)를 고려하여 업링크와 다운링크의 캐리어 주파수 차이에 의한 어레이 응답 성분을 표현하는 주파수 보정 행렬을 구한 후에 해당되는 주파수 보정 행렬에 업링크 빔 형성 가중치 벡터를 곱하여 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 구한다.
신호 송신부(22)는 기지국에서 이동국으로 신호를 전송하기 위해 소정의 칩 레벨 신호를 생성하여 칩 레벨 신호 전송부(24)로 전달해 주며, 빔 형성 가중치 적용부(23)는 FC 처리부(21)에서 구한 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 칩 레벨 신호에 적용하도록 칩 레벨 신호 전송부(24)에 제공해 준다.
칩 레벨 신호 전송부(24)는 신호 송신부(22)로부터 전달되는 칩 레벨 신호에 빔 형성 가중치 적용부(23)로부터 제공받은 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 적용하여 즉, 칩 레벨 신호에 대해 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 곱셈 연산하여 다운링크 빔을 형성한 후에 이를 다운링크 채널(14)을 통해 이동국으로 송신한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 CDMA 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성 동작을 첨부한 도면 도 3을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 업링크 수신 블록(12)의 빔 형성 가중치 갱신부(12-3)에서는 빔 형성 알고리즘을 이용하여 최적의 빔 형성 가중치를 구하게 되고, 이렇게 구해진 업링크 빔 형성 가중치 벡터를 심볼 레벨 빔 형성부(12-2)로 전달해 줌으로써 핑거별 수신 빔이 되는 업링크 빔을 형성하는데 적용하는 한편, 다운링크 송신 블록(20)으로 전달해 주게 된다(스텝 S31).
이때, 다운링크 송신 블록(20)은 업링크 수신 블록(12)으로부터 전달받은 업링크 빔 형성 가중치에 대해 주파수 보정 행렬을 이용한 주파수 보정 처리를 수행함으로써 다운링크 성능 향상을 위한 다운링크 빔 형성 가중치 벡터로 변환하게 된다.
즉, 다운링크 송신 블록(20)의 FC 처리부(21)는 업링크 수신 블록(12)의 빔 형성 가중치 갱신부(12-3)로부터 업링크 빔 형성 가중치를 전달받게 되면, 우선 업링크 빔 형성 가중치를 다운링크 빔 형성 가중치로 변환하기 위한 주파수 보정 행렬을 구하게 되는데, 이를 위해 업링크 및 다운링크 각각의 캐리어 주파수에 의한 어레이 응답 벡터(array response vector)를 고려하여 업링크와 다운링크의 캐리어 주파수 차이에 의한 어레이 응답 성분이 표현되는 주파수 보정 행렬을 구하게 된다(스텝 S32).
이후, FC 처리부(21)는 업링크 수신 블록(12)으로부터 전달받은 업링크 빔 형성 가중치에 앞에서 구한 주파수 보정 행렬을 적용함으로써 다운링크 캐리어 주파수에 맞는 빔 형성을 위한 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 구하게 되며(스텝 S33), 이렇게 구한 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 빔 형성 가중치 적용부(23)를 통해 칩 레벨 신호 전송부(24)로 전달해 주게 된다(스텝 S34).
이에, 다운링크 송신 블록(20)의 칩 레벨 신호 전송부(24)에서는 신호 송신부(22)에서 이동국으로 신호를 전송하기 위해 생성한 칩 레벨 신호에 FC 처리부(21)에서 구한 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 적용하여 즉, 칩 레벨 신호에 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 곱하여 다운링크 빔을 형성한 후에 이를 다운링크 채널(14)을 통해 이동국으로 송신해 주게 된다(스텝 S35).
여기서, 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 구하는 동작에 대해 보다 상세히 설명하면, 먼저 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 구하기 위해서는 균등 선형 어레이(Uniform linear array)에 대한 업링크 빔 형성 가중치를 다운링크 빔 형성 가중치로 변환하기 위한 주파수 보정 행렬을 구해야 하는데, 이는 '
Figure 112003027438214-pat00009
'를 이용하여 구하게 된다('AD'는 다운링크 어레이 응답행렬, 'F'는 주파수 보정 행렬, 'AU'는 업링크 어레이 응답행렬을 의미함).
즉, '
Figure 112003027438214-pat00010
'로부터 주파수 보정 행렬 'F'는 '
Figure 112003027438214-pat00011
' 즉, 다운링크 어레이 응답행렬 'A D '에 대각행렬 '
Figure 112003027438214-pat00012
'을 곱하여 얻은 결과에 업링크 어레이 응답행렬 'AU'에 대각행렬 '
Figure 112003027438214-pat00013
'을 곱하여 얻은 결과의 역행렬을 곱하여 구하게 된다.
여기서, 다운링크 어레이 응답행렬 'AD'은 '
Figure 112005077043471-pat00014
'이고, 업링크 어레이 응답행렬 'AU'은 '
Figure 112005077043471-pat00015
'으로서, 각각 신호의 방향각 함수인 '
Figure 112005077043471-pat00016
' 및 '
Figure 112005077043471-pat00017
'으로 이루어져 있으며(여기서, 아래첨자 'D'와 'U'는 다운링크와 업링크를 의미하고, 'LS'는 샘플수, 'λD'와 'λU'는 다운링크와 업링크의 파장(wavelength)을 의미하고, 'P'는 빔 형성 안테나의 갯수를 의미하고, 'z'는 빔 형성 안테나간 거리이며, 각 신호의 방향각 함수 aU, aD는
Figure 112005077043471-pat00040
,
Figure 112005077043471-pat00041
이다), 방향각의 일정 범위에서 소정개수의 샘플을 사용하여 '
Figure 112005077043471-pat00020
'를 만족하는 주파수 보정 행렬 'F'를 구하게 된다.
그리고, 이렇게 구한 주파수 보정 행렬 'F'는 업링크와 다운링크의 캐리어 주파수 차이에 의한 어레이 응답 성분을 표현하는 것임을 알 수 있으며, 이를 업링크 수신 블록에서 구한 업링크 빔 형성 가중치 벡터에 적용함으로써 다운링크 캐리어 주파수에 맞는 빔 형성을 위한 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 구하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 CDMA 이동통신 시스템에서 업링크 빔 형성 가중치 벡터에 업링크 및 다운링크의 어레이 응답 벡터를 고려한 주파수 보정 행렬을 적용 하여 다운링크 빔 형성을 위한 가중치 벡터를 구함으로써, 다운링크 캐리어 주파수 특성에 맞는 다운링크 빔 형성이 가능해 지고, 따라서 스마트 안테나 시스템의 다운링크 성능 및 용량 증대 효과를 얻을 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성 방법에 있어서,
    다운링크 어레이 응답행렬에 대응하는 대각행렬을 곱하여 얻은 결과에, 업링크 어레이 응답행렬에 대응하는 대각행렬을 곱하여 얻은 결과의 역행렬을 곱하여 주파수 보정 행렬을 구하는 과정과;
    상기 구한 주파수 보정 행렬을 업링크 빔 형성 가중치 벡터에 곱하여 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 구하는 과정과;
    상기 다운링크 빔 형성 가중치 벡터를 칩 레벨 신호에 곱하여 다운링크 빔을 형성한 후에 이를 다운링크 채널을 통해 이동국으로 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 다운링크 어레이 응답행렬은 '
    Figure 112005077043471-pat00021
    '이고, 상기 업링크 어레이 응답행렬은 '
    Figure 112005077043471-pat00022
    '으로서, 각각 신호의 방향각 함수인 '
    Figure 112005077043471-pat00023
    ' 및 '
    Figure 112005077043471-pat00024
    '으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서의 다운링크 빔 형성 방법.
    여기서, 'LS'는 샘플수, 'λD'와 'λU'는 각 링크의 파장, 'P'는 빔 형성 안테나의 갯수, 'z'는 빔형성 안테나간 거리,
    '
    Figure 112005077043471-pat00042
    '는
    Figure 112005077043471-pat00043
    ,
    '
    Figure 112005077043471-pat00044
    '는
    Figure 112005077043471-pat00045
    임.
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