KR20050106657A - Ｏｆｄｍ／ｔｄｄ 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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KR20050106657A
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최인경
권동승
황승구
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Abstract

본 발명은 모든 부반송파가 공간 공분산을 갖는 OFDM 시스템 및 채널 가역성을 갖는 TDD 시스템에 있어서, OFDM/TDD 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 하향링크를 통한 빔 형성에 필요한 정보의 궤환을 없애고, 하향링크의 모든 부반송파의 파일롯들을 이용하여 고유빔 형성을 위한 공간 공분산 행렬을 얻음으로써, 통신 시스템의 복잡도를 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 OFDM/TDD 시스템은 부반송파별 공간 공분산 행렬 선택기를 사용하여 상향링크의 공간 공분산을 하향링크에서 빠른 시간 내에 구할 수 있으므로 종래 기술에서 요구되는 궤환 장치를 사용하지 않아도 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 최적 고유빔의 선택이 부정확하여 랜덤하게 발생하는 에러는 수신기 후단에 있는 채널 디코더에 의해 대부분 복구할 수 있다.

Description

ＯＦＤＭ／ＴＤＤ 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법 {A smart antenna system for forming an eigenbeam for uplink in OFDM/TDD systems, and a method thereof}
본 발명은 OFDM/TDD 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 모든 부반송파가 공간 공분산(spatial covariance)을 갖는 직교주파수 분할 다중화(OFDM) 시스템과 채널 가역성(reciprocity)을 갖는 시분할 다중화(TDD) 시스템에 있어서, OFDM/TDD 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
언제, 어디서나, 어떤 종류의 데이터라도 원하는 상대방과의 송수신을 가능하게 해주는 이동통신 시스템을 완벽하게 구현하기 위해서, 전세계적으로 통일된 단일 표준안으로 동작하고, 현재의 이동 통신 시스템보다 훨씬 높은 수준의 서비스를 제공하는 차세대(3rd Generation) 이동통신 시스템이 상용화되고 있다.
이러한 차세대 이동통신 시스템은 현재 서비스 중인 음성신호뿐 아니라, 영상 및 기타 데이터를 높은 신뢰도로 송수신하게 된다. 또한, 서비스가 다양해짐에 따라 송수신 데이터의 대역폭은 현재보다 훨씬 넓은 밴드를 차지하게 되며, 또한 이동 통신망 자체의 수요도 더욱 증가할 것으로 예상된다.
따라서 차세대 이동통신 시스템의 가장 중요한 기술적 과제는 가능한 좁은 대역폭을 사용하여 보다 많은 데이터를 신뢰성 있게 전송하는 기술을 제시할 수 있어야 한다.
그렇지만, 사용 대역폭의 축소와 신뢰도의 증대는 동시에 달성할 수 없으므로 지금까지 제시된 기존의 기술로는 차세대 이동통신에서 대두될 용량 및 신뢰도 문제를 해결할 수 없었다.
최근 수년간 안테나의 빔 패턴을 조정하여 간섭과 잡음을 억제함으로써, 통신 시스템에서의 용량 증대와 신뢰도 향상을 동시에 달성하는 새로운 기술이 활발히 연구 중이다. 소위, 스마트 안테나 기술이라고 불려지는 이 기술은 차세대 이동통신 시스템의 핵심기술로 부각되고 있다.
이러한 스마트 안테나 기술은 기지국이 무선통신 단말기 가입자에게 최적의 빔을 설정해줌으로써, 전파 간섭을 줄여 통신 용량을 증대시키고, 통신 품질을 향상시켜주는 기술이라고 할 수 있다.
예를 들어, 기지국에 설치된 스마트 안테나 시스템은 1) 사무실과 같은 고정된 목표, 2) 개인 및 인공위성과 같은 저속 이동 중인 목표, 및 3) 차량 및 열차 등과 같은 고속 이동 중인 목표들의 각각의 스피드에 적응적으로 대처하여 최적의 빔 패턴을 계속적으로 제공하여, 상기 목표물 방향으로는 최대의 이득을 제공하고, 여타의 방향으로는 상대적으로 훨씬 작은 이득을 줌으로써, 그만큼 간섭을 억제하는 효과를 내게 된다. 즉, 이러한 스마트 안테나 시스템은 이동통신 시스템의 용량을 증대시키고 및 통신의 신뢰도를 향상시키게 된다.
따라서 이러한 스마트 안테나 기술은 많은 데이터를 신뢰성 있게 보내야 하는 차세대 통신 방식인 W-CDMA 및 CDMA2000 등에 적용되어야 할 최신 기술이라 할 수 있다.
이제까지 대부분의 송신 스마트 안테나는 하향링크를 위한 연구가 대부분이었다. 일반적으로 폐루프(closed-loop) 하향링크 빔 형성 기술을 적용하기 위해서는 기지국이 하향링크의 순시 채널을 미리 알고 있어야 한다.
그런데 주파수 전이중(Frequency Division Duplex: FDD) 모드에서는 상향 및 하향 채널의 주파수 대역이 서로 다르기 때문에, 이동 단말기가 순시 채널정보를 기지국으로 궤환시켜야만 한다. 이때 필요한 많은 궤환 정보량은 폐루프 빔 형성 기술의 장애가 될 수 있다.
종래의 블라인드(blind) 빔 형성 기술은 상향 및 하향링크의 전파환경과 공간적 통계 특성이 유사하다는 가정 하에, 상향 채널을 측정하여 적응적으로 하향링크의 빔을 형성하는 기술이다. 이러한 블라인드 빔 형성 기술은 채널의 가역성을 이용하므로 궤환 정보가 필요하지 않은 반면에, 빔 형성 벡터가 순시 채널의 변이를 따르지 않으므로 다이버시티 이득을 상실하게 된다.
상기 공간 다이버시티 이득을 얻기 위해서는 하향링크의 순시 채널 정보를 반드시 궤환해야 하는데, 송신 안테나 수가 증가할수록 궤환 정보량은 더 늘어나고, 또한 상기 순시 채널의 변이를 추적하기 위해서는 궤환률도 높아지기 때문에 송신 안테나 수가 많거나 이동체의 이동속도가 높은 경우에는, 전술한 빔 형성 기술을 적용하기에는 상당한 어려움이 있다. 최근 이러한 문제를 완화하기 위한 여러 가지 기술들이 제안되고 있다.
한편, 종래 기술로서, 대한민국 특허출원번호 제1999-43679호(1999. 10. 09 출원)에는 "이동통신 시스템에서 송신 안테나 다이버시티 제어 장치 및 방법"이 개시되어 있는데, 폐루프 송신 안테나 다이버시티에서 적응적으로 가중치를 계산하여 송신 안테나 다이버시티를 수행하는 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
구체적으로, 상기 대한민국 특허출원번호 제1999-43679호의 발명은 최적의 가중치 벡터를 일정 기간동안 지속적으로 추적하고, 즉, 초기 하향채널의 상태를 검출하여 가중치 벡터를 구하고, 다음 하향 채널의 상태를 검출할 때에는 이미 구한 가중치 벡터를 이용하여 좀 더 정확한 가중치 벡터를 구함으로써, 채널의 상태에 따라 송신 안테나 다이버시티에 사용되는 모든 안테나 각각에 가변되는 가중치를 적용하고, 이전의 가중치를 이용해 현재의 가중치를 계산하는 적응형 가중치 계산을 수행하게 된다.
한편, 종래 기술로서, 대한민국 특허출원번호 제2000-11617호(2000. 03. 08 출원)에는 "이동통신 시스템에서 피드백 정보를 이용하는 반맹목적(blind) 방식의 송신 안테나 어레이 장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 이러한 송신 안테나 어레이 시스템의 장치 및 방법은 적어도 2개 이상의 안테나 소자와 그에 따른 가중치 벡터를 이용해, 원하는 특정 단말국으로의 적절한 송신빔을 기지국이 형성해줌으로써 가입자 용량을 증대하기 위한 것이다.
구체적으로, 대한민국 특허출원번호 제2000-11617호의 발명에 따른 기지국 장치는, 안테나 어레이를 통해 수신되는 역방향 신호를 처리하는 역방향 처리기; 수신되는 역방향 신호에서 순방향 페이딩 정보를 추출하는 순방향 페이딩 정보 인수기; 순방향 페이딩 정보와 수신된 역방향 신호를 이용하여 송신빔 형성을 위한 가중치 벡터를 생성하는 빔 형성 제어기; 및 상기 가중치 벡터에 의해 송신 메시지를 송신빔으로 형성하여, 상기 안테나 어레이에 출력하는 순방향 처리기로 구성된다. 또한, 단말국 장치는 순방향 신호를 수신하여 처리하는 순방향 처리기; 수신된 순방향 신호의 각 경로별 순방향 페이딩 정보들을 추정하는 순방향 페이딩 추정기; 추정된 각 경로별 순방향 페이딩 정보들을 결합하여 부호화하는 순방향 페이딩 부호기; 및 부호화된 순방향 페이딩 정보를 송신 메시지와 함께 다중화하여 상기 기지국으로 궤환하는 역방향 처리기로 구성된다.
따라서, 대한민국 특허출원번호 제2000-11617호의 발명은 다중경로를 가지는 이동통신 시스템에서 피드백 지연시간이 작거나 클 경우 단말기의 이동속도에 따라 기본형(예측형) 빔 형성 방법과 맹목적 순방향 빔 형성 방법을 선택하는 혼합형 순방향 빔 형성 방식을 사용함으로써, 순방향 페이딩 정보를 단말기로부터 궤환 받아 보다 신뢰성 있는 송신빔을 형성하여 용량을 증대시키고, 단말기의 송신 전력을 절약할 수 있다.
한편, 종래 기술로서, 2001년에 간행된 European Trans. Telecomm.지의 제12권의 365 내지 378 페이지에는 "Exploiting the Short-term and Long-term Channel Properties in Space and Time: Eigenbeam forming Concepts for the BS in WCDMA"라는 명칭의 논문이 게재되어 있다.
이 선행 논문은 고유빔 형성의 개념에 의하여, 기지국에 적응 안테나를 갖는 CDMA 시스템의 시공간 송수신기 구조를 개시하고 있는데, 상기 고유빔 형성의 개념은 장기(long-term) 채널 성질을 이용함으로써, 프로세싱 차원을 줄일 뿐 아니라 하향링크에서 공간 공분산 행렬의 평균을 구하거나, 또는 상향링크에서 유사한 순시 탭의 공간 공분산 행렬을 고유 분할함으로써, 공간과 시간상에서 탈상관 다이버시티 브랜치(decorrelated diversity branches)를 얻게 된다.
한편, 종래 기술에 따른 미합중국 특허출원번호 제2003-144032호(2003. 07. 31 출원)에는 "BEAM FORMING METHOD"라는 명칭의 발명이 개시되어 있다. 이러한 빔 형성 방법은, 고유빔 형성의 개념에 의하여, 기지국에 적응 안테나를 갖는 CDMA 시스템의 시공간 송수신기 구조를 제안하고 있다.
구체적으로, 미합중국 특허출원번호 제2003-144032호의 발명에 따르면, 레이크 수신기의 특성인 장기 고유빔 형성과 단기 최적 결합의 단점을 제거하고 장점을 결합함으로써, 그 계산 복잡도가 낮아지게 되며, 또한, 고유 레이크(eigenrake)가 다양한 전파환경에 적응적이므로 안테나 수가 증가하여도 단기 프로세싱을 위한 피드백이 증가하지 않아도 되고, 채널의 장기 특성과 단기 특성을 동시에 이용하여 다이버시티 이득(diversity gain)과 간섭 완화 효과를 얻을 수 있다.
한편, 최근 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 표준안에 제안된 고유빔 형성(eigenbeam) 스마트 안테나 기술은 하향링크의 빔 형성을 위해 요구되는 정보를 상향링크를 통하여 궤환함으로써 실현될 수 있으며, 구체적인 내용은 다음과 같다.
먼저, 공간 채널 특성(Spatial channel property)은 장기 채널 특성(long- term channel property)과 단기 채널 특성(short-term channel property)으로 구분할 수 있다. 여기서, 상기 장기 채널 특성은 안테나 소자들간의 상관 (correlation), 지형지물, 단말기 위치 등에 따라 장기적으로 변하는 공간 채널 특성을 말하며, 상기 단기 채널 특성은 레일라이 페이딩(Rayleigh fading)에 의존하여 단기적으로 빨리 변하는 공간 채널 특성을 말한다.
일반적으로, 기지국이 송신한 직교(orthogonal) 파일롯을 이용하여 구해지는 단말기의 단기 공간 공분산 행렬(Short-term spatial covariance matrix)은 다음 수학식 1과 같이 구할 수 있다. 즉, 단기 공간 공분산 행렬( R ST )은,
여기서, 은 n번째 순시 탭(temporal tap)의 채널 벡터로서, 이 되며, 이때, L은 송신 안테나 수를 나타낸다.
또한, 장기 공간 공분산 행렬(Long-term spatial covariance matrix)은 다음의 수학식 2와 같이 구할 수 있다. 즉, 장기 공간 공분산 행렬( R LT )은,
이 되며, 여기서, 는 포겟팅 팩터(forgetting factor)를 나타낸다.
전술한 장기 공간 공분산 행렬( R LT )은 고유 분할(eigen-decomposition)에 의해 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
여기서, 로서 고유치을 엘리먼트로 갖는 대각선 행렬이며, 또한, 상기 이고, v L은 λL에 대응하는 고유벡터를 나타낸다.
또한, 적은 량의 궤환이나 계산 복잡도를 빨리 줄이기 위해 L개의 고유벡터 중 개의 큰 고유치에 해당하는 고유벡터를 고유빔(Eigen-beam) 또는 고유 모드(Eigen-mode)라고 정의한다. 이러한 고유빔 중에서 단말기의 수신 전력 이 최대가 되게 하는 고유빔을 선택하게 된다.
상기 3GPP의 WCDMA 시스템에서는 DPCCH(Dedicated Physical Control Channel) 채널을 통해 1500bps의 궤환 속도에 맞게 단말기로부터 기지국으로 한 프레임에 한 비트씩의 고유빔을 전송하게 되고, 만일 고유 모드가 2개라면 나머지 매 슬롯마다 고유 모드 중 어느 것을 선택할 것인가를 결정하여, 그 결과를 단말기로부터 기지국으로 전송하게 된다.
하지만, 이러한 3GPP 방식을 이용할 때, OFDM 방식은 각 부반송파마다 다른 빔 형성 벡터를 가지므로 필요한 궤환 정보가 크게 증가하기 때문에 실질적으로 효율적인 통신 시스템 구현이 불가능하다는 문제점이 있다.
전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, OFDM 시스템의 모든 부반송파가 동일한 공간 공분산을 갖는다는 점과 TDD 시스템은 채널 가역성을 갖는다는 점을 이용하여 통신 시스템의 복잡도를 줄일 수 있는 OFDM/TDD 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, OFDM/TDD 시스템에서 부반송파별 공간 공분산 행렬 선택기를 사용하여 하향링크에서 상향링크의 공간 공분산을 빠른 시간 내에 구함으로써 종래 기술에서 요구되는 궤환 장치를 사용하지 않아도 되는 OFDM/TDD 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 직교주파수 분할 다중화(OFDM)/시분할 다중화(TDD) 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치는,
각각의 OFDM 심볼을 기지국 수신단으로 전송하거나, 기지국 송신단으로부터 전송되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 다중 안테나;
상기 다중 안테나를 통해 소정 개수만큼 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 각각 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하며, 상기 채널 추정 결과를 이용하여, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 단말기 수신단; 및
직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하고, 상기 단말기 수신단의 채널 추정 결과에 따른 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 빔 가중치를 발생시켜, 고유빔이 형성된 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 단말기 송신단
을 포함하여 구성되는 특징이 있다.
여기서, 상기 단말기 송신단은, 상기 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하는 직렬/병렬(S/P) 변환기; 상기 병렬 신호를 상기 다중 안테나 수만큼 복사하는 신호 복사기; 상기 채널 추정 결과에 따라 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 고유빔 가중치를 발생하는 빔 가중치 발생기; 상기 신호 복사기의 출력에 상기 빔 가중치 발생기로부터 발생된 빔 가중치를 각각 곱하여 출력하는 빔 가중치 곱셈기; 및 상기 소정 개수의 병렬 신호를 입력하여 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 복수의 역퓨리에 변환기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 빔 가중치 발생기는, 채널 추정 결과에 따른 각 파일롯별 채널 행렬을 입력하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 발생하는 파일롯별 공간 공분산 행렬 발생기; 하나의 부반송파에 존재하는 소정 개수의 파일롯을 이용하여, 상기 파일롯별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각각의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 발생하는 부반송파별 공간 공분산 행렬 발생기; 하나의 사용자에게 수신되는 소정 개수의 하향링크 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 갖는 것을 이용하여, 상기 부반송파별 공간 공분산 행렬을 각각 입력하여 단기 공간 공분산 행렬을 발생하는 단기 공간 공분산 행렬 발생기; 상기 단기 공간 공분산 행렬을 입력하여 장기 공간 공분산 행렬을 출력하는 장기 공간 공분산 행렬 발생기; 전체 부반송파별 공간 공분산 행렬에서 자신의 상향링크에 할당된 부반송파만의 공간 공분산 행렬을 선택하는 부반송파별 공간 공분산 행렬 선택기; 상기 장기 공간 공분산 행렬을 입력하여, 각각의 고유빔(eigenbeam)으로 분할하여 출력하는 고유 분할기; 및 상기 분할된 고유빔과 상기 상향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하는 빔 가중치 선택기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 단기 공간 공분산 행렬은, 수신되는 패킷의 길이가 짧은 경우에 상기 장기 공간 공분산 행렬과 동일해지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 고유 분할기의 고유빔은 소정 개수의 고유벡터 중 큰 고유치에 해당하는 고유벡터로 정의되며, 복수의 고유빔 중에서 단말기의 수신 전력이 최대가 되게 하는 고유빔으로 분할되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 단말기 수신단은, 상기 다중 안테나를 통해 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 상기 안테나 수만큼 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호를 출력하는 복수의 퓨리에 변환기; 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하는 채널 추정기; 상기 채널 추정기의 결과를 이용하여 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 소정 개수의 검파된 병렬 신호를 출력하는 신호 검파기; 상기 검파된 병렬 신호를 일련의 직렬 신호로 변환하여 출력하는 병렬/직렬(P/S) 변환기; 및 상기 직렬로 변환된 신호를 디코딩하여 출력하는 채널 디코더를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 채널 추정기는 빔 형성 가중치 계산을 위하여 각 부반송파별 각 파일롯의 채널 행렬을 출력하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 OFDM/TDD 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치는,
단말기 송신단으로부터 송신되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하거나, 각각의 OFDM 심볼을 단말기 수신단으로 각각 전송하는 다중 안테나;
상기 단말기 송신단으로부터 각각 고유빔을 형성하여 송신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 기지국 수신단; 및
각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하고, 복수의 사용자 신호가 다중화된 N개의 병렬 신호로 입력되는 상기 다중 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하여, 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 기지국 송신단
를 포함하여 구성되는 특징이 있다.
여기서, 상기 기지국 수신단은, 상기 다중 안테나를 통해 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 상기 다중 안테나 수만큼 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호를 출력하는 복수의 퓨리에 변환기; 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 소정 개수의 검파된 병렬 신호를 출력하는 신호 검파기; 상기 검파된 병렬 신호를 일련의 직렬 신호로 변환하여 출력하는 P/S 변환기; 및 상기 직렬로 변환된 신호를 디코딩하여 출력하는 채널 디코더를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 채널 디코더는, 단말기의 이동 속도가 빨라서 최적 고유빔 선택이 부정확해지는 경우, 랜덤하게 발생하는 에러를 복구하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기지국 송신단은, 각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하는 복수의 S/P 변환기; 복수의 사용자 신호가 다중화되어 N개의 병렬 신호로 입력되는 경우, 상기 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하는 신호 복사기; 및 상기 N개의 병렬 신호를 각각 입력하여 각각의 OFDM 심볼을 생성하는 복수의 역퓨리에 변환기를 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 직교주파수 분할 다중화(OFDM)/시분할 다중화(TDD) 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법은,
a) 하향링크를 통해 기지국 송신단으로부터 전송되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 단계;
b) 상기 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 각각 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하는 단계;
c) 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하는 단계;
d) 상기 채널 추정 결과에 따른 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 빔 가중치를 발생시키는 단계; 및
e) 상기 각각의 빔 가중치에 따라 고유빔을 형성하고, 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 상향링크를 통해 기지국 수신단으로 전송하는 단계
를 포함하여 이루어지는 특징이 있다.
여기서, 상기 d) 단계는, ⅰ) 상기 채널 추정 결과에 따른 각 파일롯별 채널 행렬을 입력하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계; ⅱ) 하나의 부반송파에 존재하는 소정 개수의 파일롯을 이용하여, 상기 파일롯별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각각의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계; ⅲ) 하나의 사용자에게 수신되는 소정 개수의 하향링크 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 갖는 것을 이용하여, 상기 부반송파별 공간 공분산 행렬을 각각 입력하여 단기 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계; ⅳ) 상기 단기 공간 공분산 행렬을 입력하여 장기 공간 공분산 행렬을 출력하는 단계; ⅴ) 전체 부반송파별 공간 공분산 행렬에서 자신의 상향링크에 할당된 부반송파만의 공간 공분산 행렬을 선택하는 단계; ⅵ) 상기 장기 공간 공분산 행렬을 입력하여, 각각의 고유빔 (eigenbeam)으로 분할하여 출력하는 단계; 및 ⅶ) 상기 분할된 고유빔과 상기 상향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 ⅰ) 단계는, 수학식 을 이용하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 구하며, 여기서, 는 부반송파(k)의 번째 파일롯을 이용하여 정의되는 상향 MIMO 채널 행렬()의 순시 공간 공분산 행렬인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 ⅱ) 단계는 한 부반송파에 존재하는 개의 파일롯을 이용하여 수학식 와 같이 정의되는 부반송파 k의 공간 공분산 행렬을 구하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 ⅲ) 단계는 한 사용자에 수신되는 하향링크 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 가지므로, 수학식 을 이용하여 단기 공간 공분산 행렬( R ST )을 구하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 ⅳ) 단계는 수학식 를 이용하여 장기 공간 공분산 행렬( R LT )을 구하며, 여기서, 는 프레임 수이며, 는 포겟팅 팩터(forgetting factor)인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 ⅵ) 단계는 수학식 를 이용하여 고유 분할을 수행하며, 여기서,로서 고유치(eigenvalue)를 요소로 갖는 대각선 행렬이며, 이고, v L은 λL에 대응하는 고유벡터인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 ⅶ) 단계는, 한 사용자에게 할당된 U개의 상향링크 중에서 u번째 부반송파가 실제적으로 모든 N개의 부반송파 c라면, 부반송파 c의 기지국 수신 전력을 최대가 되게 하는 고유빔이 U개의 상향링크 중에서 u번째 부반송파의 최적 빔이 되도록, 수학식 를 이용하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 직교주파수 분할 다중화(OFDM)/시분할 다중화(TDD) 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법은,
a) 단말기 송신단으로부터 전송되는 고유빔이 형성된 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 단계;
b) 상기 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 출력하는 단계;
c) 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 단계;
d) 각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하는 단계;
e) 복수의 사용자 신호가 다중화된 N개의 병렬 신호로 입력되는 복수의 기지국 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하여, 각각의 OFDM 심볼을 생성하는 단계; 및
f) 상기 각각의 OFDM 심볼을 단말기 수신단으로 각각 전송하는 단계
를 포함하여 이루어지는 특징이 있다.
여기서, 상기 c) 단계는, 상기 단말기의 이동 속도가 빨라서 최적 고유빔 선택이 부정확해지는 경우, 랜덤하게 발생하는 에러를 복구하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, OFDM/TDD 시스템의 모든 부반송파가 동일한 공간 공분산을 갖는다는 점과 TDD 시스템이 채널 가역성을 갖는다는 점을 이용하여 하향링크를 통한 빔 형성을 위한 정보의 궤환을 없애고, 고유빔 형성을 위한 공간 공분산 행렬은 하향링크의 모든 부반송파의 파일롯들을 이용하여 얻음으로써 시스템 복잡도를 줄일 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 OFDM/TDD 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 시스템에서는 L개의 단말기 안테나 수, M개의 기지국 안테나 수, 및 N개의 유효 부반송파 수에 대해 고려한다. 일반적으로, OFDM(또는 OFDMA) 시스템에서는 한 사용자에 할당된 하향 부반송파(sub-carrier) 그룹과 상향 부반송파 그룹이 다른 경우가 대부분이다.
본 발명의 실시예에서는 한 사용자에게 하향링크로 D개의 부반송파가 할당되었다고 가정하며, 이때, 각 부반송파는 주파수 다이버시티를 이용하기 위하여 일정 간격으로 배치되며, 연속적이지 않는 것이 일반적이다. 또한, 하향링크에서는 자신의 부반송파와 더불어 다른 사용자에게 할당된 부반송파도 동일한 경로를 통하여 단말기로 수신되는데, 즉, 전체 N개의 부반송파가 단말기에 수신된다. 또한, 상향링크는 한 사용자에게 U개의 부반송파가 할당된다고 가정한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에서, 부반송파(k)의 단말기 안테나()에서 기지국 안테나(m) 사이의 MIMO(Multi Input Multi Output) 채널을 다음과 같이 정의한다.
여기서, 상기 는 부반송파(k)의 단말기 안테나()에서 기지국 안테나(m) 사이의 주파수 영역 채널 응답이며, 이것은 부반송파(k)의 기지국 안테나(m)에서 단말기 안테나 () 사이의 주파수 영역 채널 응답에서 얻을 수 있다.
따라서 상기 단말기 안테나()와 기지국 안테나(m) 사이에 P개의 다중 경로를 가진 채널 임펄스 응답(CIR)을 로 정의하면, 주파수 영역 채널 응답()은 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기서, 상기 채널 에서 다른 경로간의 상관 관계가 없다고 가정할 때, 다음의 수학식 6과 같은 관계가 성립된다.
여기서, 는 채널 임펄스 응답(CIR)의 전력 지연 프로파일(power delay profile)이며,
이 된다.
한편, 상기 채널()의 공간 공분산 행렬은 다음 수학식 8과 같이 정의할 수 있다.
따라서 각 부반송파의 채널 행렬()의 공간 공분산 행렬()은 다음 수학식 9와 같이 주어질 수 있다.
전술한 수학식 9에서 각 부반송파의 채널 행렬()의 공간 공분산 행렬 ()은 임의의 부반송파 k에 함수가 아닌 것을 보여준다. 다시 말하면, OFDM 시스템에서는 부반송파마다 각기 다른 주파수 선택적 페이딩을 겪게 되므로, 각 부반송파마다 서로 다른 채널 특성을 갖게 되지만, 공간 공분산 행렬은 모든 부반송파에 동일하다는 사실을 얻을 수 있다.
결론적으로, 전술한 바와 같이 공간 공분산 행렬은 모든 부반송파에 동일하여 모든 부반송파를 평균함으로 정확한 추정치를 구할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에서, 부반송파(k)의 번째 파일롯(preamble, midamble, pilot symbol 등)을 이용하여, 다음의 수학식 10과 같이 정의된 상향 MIMO 채널 행렬을 구할 수 있다.
또한, 상기 는 상기 의 순시 공간 공분산 행렬로서 다음의 수학식 11과 같이 정의될 수 있다.
또한, 한 부반송파에 존재하는 개의 파일롯을 이용하여 다음의 수학식 12와 같이 정의되는 부반송파 k의 공간 공분산 행렬을 구할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 한 사용자에 수신되는 N개의 하향링크 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 가지므로, 다음의 수학식 13과 같이 단기 공간 공분산 행렬( R ST )을 구할 수 있다. 즉, 상기 단기 공간 공분산 행렬( R ST )은,
이 된다.
마찬가지로, 장기 공간 공분산( R LT )은 3GPP WCDMA 시스템과 동일하게 다음의 수학식 14와 같이 구해진다. 즉, 상기 장기 공간 공분산 행렬( R LT )은,
이 되는데, 여기서, 는 프레임 수이며, 상기 는 번째 프레임에서 구해지는 단기 공간 공분산 행렬이다. 만일 패킷의 길이가 아주 짧다면 는 0으로 둘 수 있고, 결과적으로 가 된다.
또한, 고유 모드는 다음의 수학식 15와 같이 고유 분할을 수행하여 얻어진다.
여기서,로서 고유치(eigenvalue)를 엘리먼트로 갖는 대각선 행렬이며, 이고, v L은 λL에 대응하는 고유벡터이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 3GPP 표준안과 다르게 궤환이 없으므로 L개의 고유벡터 모두를 고유 모드로 정의할 수 있다.
이때, 한 사용자에게 할당된 U개의 상향링크 중에서 u번째 부반송파가 실제적으로 모든 N개의 부반송파 c라면, 다음과 같이 부반송파 c의 기지국 수신 전력을 최대가 되게 하는 고유빔이 U개의 상향링크 중에서 u번째 부반송파의 최적 빔이 된다.
이때, 하향링크 프레임에서 구해진 최적 상향 빔은 프레임의 상향링크에서 활용될 수 있다.
또한, 코히어런트 시간(coherent time)이 적으면 틀린 고유빔이 선택될 수 있으며, 이때 잘못된 고유빔 선택에 의한 에러는 랜덤성을 가지지만, 후단에 있는 채널 디코더에 의해 대부분 수정할 수 있다.
이하, 전술한 본 발명의 원리를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템의 기지국을 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템의 단말기를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1 및 도 2를 각각 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템의 기지국은 M개의 안테나(140-1, 140-2, …, 140-M)를 구비하며, 단말기는 L개의 안테나(250-1, 250-2, …, 250-L)를 구비하며, 상기 기지국 및 단말기는 각각 송신단 및 수신단으로 이루어지게 된다.
도 1에서, 상기 기지국 송신단은 직렬-병렬(S/P) 변환기(110-1, …, 110-M), 신호 복사기(120), 송신 안테나 수(M)만큼의 역퓨리에 변환기(Inverse Fast Fourier Transformer: IFFT)(130-1, 130-2, …, 130-M)를 구비한다. 또한, 상기 기지국 수신단은 수신안테나 수(M)만큼의 퓨리에 변환기(Fast Fourier Transformer: FFT)(160-1, 160-2, …, 160-M), 신호 검파기(Detector)(170), 병렬-직렬(P/S) 변환기(180) 및 채널 디코더(190)를 구비한다. 또한, 기지국 안테나 (140-1, 140-2, …, 140-M)는 각각의 안테나 스위치(150-1, 150-2, …, 150-M)를 통해 하향 통신 시에는 기지국 송신단에 접속되고, 상향 통신 시에는 기지국 수신단에 접속된다.
도 2에서, 단말기 송신단은 직렬-병렬 변환기(210), 신호 복사기(220), 빔 가중치 곱셈기(230), 안테나 수(L)만큼의 역퓨리에 변환기(240-1, 240-2, …, 240-L)를 구비한다. 또한, 단말기 수신단은 단말기 안테나 수(L) 만큼의 퓨리에 변환기(270-1, 270-2, …, 270-L), 채널 추정기(290), 신호 검파기(280), 병렬 직렬 (P/S) 변환기(320) 및 채널 디코더(330)를 구비한다. 또한, 단말기 안테나(250-1, 250-2, …, 250-L)는 각각의 안테나 스위치(260-1, 260-2, …, 260-L)를 통해 하향 통신 시에는 단말기 수신단에 접속되고, 상향 통신 시에는 단말기 송신단에 접속된다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 기지국 송신단의 S/P 변환기(110-1, …, 110-M)는 입력된 채널 부호화된 심볼들을 D개의 병렬(parallel) 신호로 변환하는 역할을 한다.
이때, 여러 사용자의 신호가 다중화되어 N개의 병렬 신호가 입력된다고 가정하면, 상기 신호 복사기(120)는 상기 다중화된 N개의 병렬 신호를 기지국 안테나 수(M)만큼 복사하게 된다. 또한, 각각의 역퓨리에 변환기(130-1, 130-2, …, 130-M)는 상기 N개의 병렬 신호를 각각 입력하여 하나의 OFDM 심볼을 생성하게 된다.
이후, 상기 신호 복사기(120)로부터 출력되는 OFDM 심볼들(121-1, 121-2, …, 121-M)은 상기 각각의 역퓨리에 변환기(130-1, 130-2, …, 130-M)를 거쳐 기지국 안테나(140-1, 140-2, …, 140-M)를 통하여 전송된다.
전술한 과정을 거친 후에, 도 2에 도시된 L개의 단말기 안테나(250-1, 250-2 …, 250-L)를 통해 수신되며, 이후 각각 L개의 퓨리에 변환기(270-1, 270-2, …, 270-L)가 병렬 신호(271-1, 271-2, …, 271-M)를 출력하게 된다.
이와 같이 퓨리에 변환된 신호는 채널 추정기(290)와 신호 검파기(280)에 입력되는데, 상기 신호 검파기(280)는 상기 채널 추정기(290)의 결과를 이용하여 자기만의 D개의 검파된 신호를 출력한다.
이와 같이 검파된 신호는 병렬-직렬 변환기(320)를 거쳐 일련의 직렬 신호를 출력하고, 상기 직렬 신호는 채널 디코더(330)를 거쳐 최종 결과 신호(Decoded data)를 출력하게 된다.
여기서, 상기 채널 추정기(290)는 빔 형성 가중치 계산을 위하여 각 부반송파의 각 파일롯마다 채널 행렬을 출력한다. 예를 들면, 상기 채널 추정기(290)는 부반송파 k의 번째 파일롯으로부터 수학식 10의 채널 행렬 을 추정하게 된다.
한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템에서 단말기의 빔 가중치 발생기(310)의 구조를 보여주고 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 빔 가중치 발생기(310)는 파일롯별 공간 공분산 행렬 발생기(311), 부반송파별 공간 공분산 행렬 발생기(312), 단기 공간 공분산 행렬 발생기(313), 장기 공간 공분산 행렬 발생기(314), 고유 분할기(315), 부반송파별 공간 공분산 선택기(316) 및 빔 가중치 선택기(317)로 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 빔 가중치 발생기(310)에서, 상기 각 부반송파의 각 파일롯별 채널 행렬로부터 상기 파일롯별 공간 공분산 행렬 발생기(311)를 통하여 수학식 11의 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 구하게 된다.
이후, 상기 각 부반송파의 각 파일롯별 공간 공분산 행렬은 상기 부반송파별 공간 공분산 행렬 발생기(312)에 입력되어 전술한 수학식 12에 의해 부반송파별 순시 공간 공분산 행렬을 출력한다.
이때, 각 부반송파별 공간 공분산 행렬은 단기 공간 공분산 행렬 발생기(313)를 통하여 전술한 수학식 13에 의해 단기 공간 공분산 행렬을 발생하고, 이후 상기 장기 공간 공분산 행렬 발생기(314)를 통하여 전술한 수학식 14에 의해 장기 공간 공분산 행렬을 출력하게 된다.
만일 수학식 12에서 을 0이라 하면, 결과적으로 가 되는데, 이 경우 상기 장기 공간 공분산 행렬과 상기 단기 공간 공분산 행렬을 분리할 필요가 없게 된다.
다음으로, 상기 고유 분할기(315)는 상기 장기 공간 공분산 행렬을 수신하여 전술한 수학식 15에 의해 L개의 고유빔을 출력하게 된다.
또한, 부반송파별 공간 공분산 선택기(316)는 N개의 채널별 공간 공분산 행렬에서 한 사용자의 상향링크에 할당된 U개의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 출력하게 된다.
이때, 상기 고유 분할기(315)로부터 출력되는 고유빔과 상기 부반송파별 공간 공분산 선택기(316)로부터 출력되는 부반송파별 공간 공분산 행렬을 상기 빔 가중치 선택기(317)에 입력하여 전술한 수학식 16에 의하여 부반송파별 빔 가중치 (311-1),(311-2), (311-L)을 출력하게 된다.
도 2를 다시 참조하면, 상기 단말기 송신단의 S/P 변환기(210)는 직렬로 입력된 채널 부호화된 심볼들을 U개의 병렬 신호로 변환하는 역할을 하고, 상기 신호 복사기(220)는 상기 U개의 병렬 신호를 단말기 안테나 수(L)만큼 복사하는 역할을 하며, 또한, 상기 빔 가중치 곱셈기(230)는 상기 신호 복사기(220)의 출력에 빔 가중치를 곱하는 역할을 한다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템에서 단말기의 빔 가중치 곱셈기의 내부를 보여주고 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 빔 가중치 곱셈기에서, 각각의 역퓨리에 변환기(240-1, 240-2, …, 240-L)는 U개의 신호를 입력하여 하나의 OFDM 심볼을 생성하게 되며, 상기 OFDM 심볼들은 기지국 안테나(250-1, 250-2, …, 250-L)를 통하여 전송되게 된다.
상기 과정을 거쳐 전송된 OFDM 심볼들은, 도 1에 도시된 바와 같이, M개의 기지국 안테나(140-1, 140-2 …, 140-M)를 통해 수신된 후, 각 M개의 퓨리에 변환기(160-1, 160-2, …, 160-M)가 병렬 신호(161-1, 161-2, …, 161-M)를 출력하게 된다.
이와 같이 퓨리에 변환된 신호는 신호 검파기(170)에 입력되며, 상기 검파된 신호는 병렬-직렬 변환기(180)를 거쳐 일련의 직렬 신호를 출력하고, 이후 상기 직렬 신호는 채널 디코더(190)를 거쳐 최종 결과 신호(Decoded data)를 출력하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 하향링크 신호를 이용하여 구해진 신호가 상향링크 전송시 빔 형성에 이용되는데, 이때, 코히어런트 시간(coherent time)이 너무 짧거나 또는 길면, 잘못된 고유빔 선택에 의해 에러를 발생시킬 수 있다.
이와 같이 발생된 에러는 랜덤성을 가질 수 있지만, 후단에 있는 채널 디코더(190)에 의해 대부분 수정할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, OFDM/TDD 시스템의 모든 부반송파가 공간 공분산을 갖는다는 점과 TDD 시스템이 채널 가역성을 갖는다는 점을 이용하여, 하향링크를 통한 빔 형성에 필요한 정보의 궤환을 없애고, 하향링크의 모든 부반송파의 파일롯들을 이용하여 고유빔 형성을 위한 공간 공분산 행렬을 구하게 된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, OFDM 시스템의 모든 부반송파가 동일한 공간 공분산을 갖는다는 점과 TDD 시스템이 채널 가역성(reciprocity)을 갖는다는 점을 이용하여 통신 시스템의 복잡도를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, OFDM/TDD 시스템에서 부반송파별 공간 공분산 행렬 선택기를 사용하여 상향링크의 공간 공분산을 하향링크에서 빠른 시간 내에 구할 수 있으므로 종래의 기술에서 요구되는 궤환 장치를 사용하지 않아도 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 최적 고유빔의 선택이 부정확하여 랜덤하게 발생하는 에러는 수신기 후단에 있는 채널 디코더에 의해 대부분 복구할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템의 기지국 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템의 단말기 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템에서 단말기의 빔 가중치 발생기의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템에서 단말기의 빔 가중치 곱셈기의 블록도이다.

Claims (21)

  1. 직교주파수 분할 다중화(OFDM)/시분할 다중화(TDD) 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템에 있어서,
    각각의 OFDM 심볼을 기지국 수신단으로 전송하거나, 기지국 송신단으로부터 전송되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 다중 안테나;
    상기 다중 안테나를 통해 소정 개수만큼 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 각각 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하며, 상기 채널 추정 결과를 이용하여, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 단말기 수신단; 및
    직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하고, 상기 단말기 수신단의 채널 추정 결과에 따른 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 빔 가중치를 발생시켜, 고유빔이 형성된 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 단말기 송신단
    을 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단말기 송신단은,
    상기 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하는 직렬/병렬(S/P) 변환기;
    상기 병렬 신호를 상기 다중 안테나 수만큼 복사하는 신호 복사기;
    상기 채널 추정 결과에 따라 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 고유빔 가중치를 발생하는 빔 가중치 발생기;
    상기 신호 복사기의 출력에 상기 빔 가중치 발생기로부터 발생된 빔 가중치를 각각 곱하여 출력하는 빔 가중치 곱셈기; 및
    상기 소정 개수의 병렬 신호를 입력하여 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 복수의 역퓨리에 변환기
    를 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 빔 가중치 발생기는,
    채널 추정 결과에 따른 각 파일롯별 채널 행렬을 입력하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 발생하는 파일롯별 공간 공분산 행렬 발생기;
    하나의 부반송파에 존재하는 소정 개수의 파일롯을 이용하여, 상기 파일롯별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각각의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 발생하는 부반송파별 공간 공분산 행렬 발생기;
    하나의 사용자에게 수신되는 소정 개수의 하향링크 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 갖는 것을 이용하여, 상기 부반송파별 공간 공분산 행렬을 각각 입력하여 단기 공간 공분산 행렬을 발생하는 단기 공간 공분산 행렬 발생기;
    상기 단기 공간 공분산 행렬을 입력하여 장기 공간 공분산 행렬을 출력하는 장기 공간 공분산 행렬 발생기;
    전체 부반송파별 공간 공분산 행렬에서 자신의 상향링크에 할당된 부반송파만의 공간 공분산 행렬을 선택하는 부반송파별 공간 공분산 행렬 선택기;
    상기 장기 공간 공분산 행렬을 입력하여, 각각의 고유빔(eigenbeam)으로 분할하여 출력하는 고유 분할기; 및
    상기 분할된 고유빔과 상기 상향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하는 빔 가중치 선택기
    를 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단기 공간 공분산 행렬은, 수신되는 패킷의 길이가 짧은 경우에 상기 장기 공간 공분산 행렬과 동일해지는 것을 특징으로 하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 고유 분할기의 고유빔은 소정 개수의 고유벡터 중 큰 고유치에 해당하는 고유벡터로 정의되며, 복수의 고유빔 중에서 단말기의 수신 전력이 최대가 되게 하는 고유빔으로 분할되는 것을 특징으로 하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단말기 수신단은,
    상기 다중 안테나를 통해 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 상기 안테나 수만큼 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호를 출력하는 복수의 퓨리에 변환기;
    상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하는 채널 추정기;
    상기 채널 추정기의 결과를 이용하여 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 소정 개수의 검파된 병렬 신호를 출력하는 신호 검파기;
    상기 검파된 병렬 신호를 일련의 직렬 신호로 변환하여 출력하는 병렬/직렬 (P/S) 변환기; 및
    상기 직렬로 변환된 신호를 디코딩하여 출력하는 채널 디코더
    를 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 채널 추정기는 빔 형성 가중치 계산을 위하여 각 부반송파별 각 파일롯의 채널 행렬을 출력하는 것을 특징으로 하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치.
  8. OFDM/TDD 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템에 있어서,
    단말기 송신단으로부터 송신되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하거나, 각각의 OFDM 심볼을 단말기 수신단으로 각각 전송하는 다중 안테나;
    상기 단말기 송신단으로부터 각각 고유빔을 형성하여 송신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 기지국 수신단; 및
    각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하고, 복수의 사용자 신호가 다중화된 N개의 병렬 신호로 입력되는 상기 다중 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하여, 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 기지국 송신단
    을 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기지국 수신단은,
    상기 다중 안테나를 통해 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 상기 다중 안테나 수만큼 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호를 출력하는 복수의 퓨리에 변환기;
    상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 소정 개수의 검파된 병렬 신호를 출력하는 신호 검파기;
    상기 검파된 병렬 신호를 일련의 직렬 신호로 변환하여 출력하는 P/S 변환기; 및
    상기 직렬로 변환된 신호를 디코딩하여 출력하는 채널 디코더
    를 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 채널 디코더는, 단말기의 이동 속도가 빨라서 최적 고유빔 선택이 부정확해지는 경우, 랜덤하게 발생하는 에러를 복구하는 것을 특징으로 하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 기지국 송신단은,
    각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하는 복수의 S/P 변환기;
    복수의 사용자 신호가 다중화되어 N개의 병렬 신호로 입력되는 경우, 상기 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하는 신호 복사기; 및
    상기 N개의 병렬 신호를 각각 입력하여 각각의 OFDM 심볼을 생성하는 복수의 역퓨리에 변환기
    를 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치.
  12. OFDM/TDD 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법에 있어서,
    a) 하향링크를 통해 기지국 송신단으로부터 전송되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 단계;
    b) 상기 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 각각 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하는 단계;
    c) 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하는 단계;
    d) 상기 채널 추정 결과에 따른 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 빔 가중치를 발생시키는 단계; 및
    e) 상기 각각의 빔 가중치에 따라 고유빔을 형성하고, 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 상향링크를 통해 기지국 수신단으로 전송하는 단계
    를 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 d) 단계는,
    ⅰ) 상기 채널 추정 결과에 따른 각 파일롯별 채널 행렬을 입력하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계;
    ⅱ) 하나의 부반송파에 존재하는 소정 개수의 파일롯을 이용하여, 상기 파일롯별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각각의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계;
    ⅲ) 하나의 사용자에게 수신되는 소정 개수의 하향링크 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 갖는 것을 이용하여, 상기 부반송파별 공간 공분산 행렬을 각각 입력하여 단기 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계;
    ⅳ) 상기 단기 공간 공분산 행렬을 입력하여 장기 공간 공분산 행렬을 출력하는 단계;
    ⅴ) 전체 부반송파별 공간 공분산 행렬에서 자신의 상향링크에 할당된 부반송파만의 공간 공분산 행렬을 선택하는 단계;
    ⅵ) 상기 장기 공간 공분산 행렬을 입력하여, 각각의 고유빔(eigenbeam)으로 분할하여 출력하는 단계; 및
    ⅶ) 상기 분할된 고유빔과 상기 상향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하는 단계
    를 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 ⅰ) 단계는, 수학식 을 이용하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 구하며, 여기서, 는 부반송파(k)의 번째 파일롯을 이용하여 정의되는 상향 MIMO 채널 행렬()의 순시 공간 공분산 행렬인 것을 특징으로 하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계는 한 부반송파에 존재하는 개의 파일롯을 이용하여 수학식 와 같이 정의되는 부반송파 k의 공간 공분산 행렬을 구하는 것을 특징으로 하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 ⅲ) 단계는 한 사용자에 수신되는 하향링크 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 가지므로, 수학식 을 이용하여 단기 공간 공분산 행렬( R ST )을 구하는 것을 특징으로 하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 ⅳ) 단계는 수학식 를 이용하여 장기 공간 공분산 행렬( R LT )을 구하며, 여기서, 는 프레임 수이며, 는 포겟팅 팩터 (forgetting factor)인 것을 특징으로 하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 ⅵ) 단계는 수학식 를 이용하여 고유 분할을 수행하며, 여기서,로서 고유치(eigenvalue)를 요소로 갖는 대각선 행렬이며, 이고, v L은 λL에 대응하는 고유벡터인 것을 특징으로 하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 ⅶ) 단계는, 한 사용자에게 할당된 U개의 상향링크 중에서 u번째 부반송파가 실제적으로 모든 N개의 부반송파 c라면, 부반송파 c의 기지국 수신 전력을 최대가 되게 하는 고유빔이 U개의 상향링크 중에서 u번째 부반송파의 최적 빔이 되도록, 수학식 를 이용하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하는 것을 특징으로 하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법.
  20. OFDM/TDD 방식의 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법에 있어서,
    a) 단말기 송신단으로부터 전송되는 고유빔이 형성된 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 단계;
    b) 상기 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 출력하는 단계;
    c) 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 단계;
    d) 각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하는 단계;
    e) 복수의 사용자 신호가 다중화된 N개의 병렬 신호로 입력되는 복수의 기지국 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하여, 각각의 OFDM 심볼을 생성하는 단계; 및
    f) 상기 각각의 OFDM 심볼을 단말기 수신단으로 각각 전송하는 단계
    를 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 c) 단계는, 상기 단말기의 이동 속도가 빨라서 최적 고유빔 선택이 부정확해지는 경우, 랜덤하게 발생하는 에러를 복구하는 단계를 추가로 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법.
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