무선망에서 송신 다이버시티 및 빔형성을 위한 장치 및방법 document_id A220623034549

셀룰러망은 그 망의 무선 커버 영역(또는 셀)을 정의하는 일군의 기지국(BS:Base Station)을 포함한다. 기지국과 가입자국(SS:Subscriber Station)(또는 이동국(MS:Mobile Station), 이동 단말기(MT:Mobil Terminal) 등) 사이에는 비시선(NLOS:non-line-of-sight) 전파 경로가 존재하는 것이 보통인데, 이는 그 사이에 위치하는 자연물 및 인공물 때문이다. 따라서, 전파는 반사, 회절 및 산란을 통해 전파된다. 하향링크를 통해 가입자국에 (그리고 상향링크를 통해 기지국에) 도달하는 전파는 개별 전파의 위상이 다름에 따른 증감을 경험하게 된다. 이는, 셀룰러 무선망에서 보통 사용하는 높은 캐리어 주파수에서는 상이한 전파 지연에서의 작은 변화로도 개별 전파의 위상이 크게 변하기 때문이다. 가입자국이 이동중이거나 산란 환경에 변화가 있는 경우에는 복합 수신 신호의 진폭 및 위상에 일어나는 공간적 변이가 레일리(Rayleigh) 페이딩 또는 고속 페이딩으로 알려져 있는 시간 변이로서 나타나게 된다. 무선 채널의 이러한 시간 변이 속성으로 인해서, 원하는 비트 에러 또는 패킷 에러 신뢰성을 제공하기 위해서는 매우 높은 신호대 잡음비(SNR:signal-to-noise-ratio)가 필요해진다. 통상적인 무선망들은 여러 다이버시티 기법을 이용하여 고속 페이딩 효과에 대처한다. 다이버시티 기법은 수신기(예컨대 가입자국)에 동일한 정보 전달 신호의 다수의 페이딩된 복제물을 제공한다. 각각의 안테나 브랜치에서 독립적인 페이딩이 일어난다고 가정하면, 각각의 브랜치에서 순간 SNR이 특정 임계치 미만일 확률은 대략 pL이며, 여기서 p는 각각의 안테나 브랜치에서 순간 SNR이 동일 임계치 미만일 확률을 나타낸다. 통상적인 다이버시티 기법들은 일반적으로 공간, 각도, 편극화, 장(field), 주파수, 시간 및 다중 경로 다이버시티의 범주에 속한다. 공간 다이버시티는 다수의 송신 또는 수신 안테나를 이용하며, 이때 다이버시티 브랜치들이 상호 관련(correlation)이 거의 또는 전혀 없는 상태에서 페이딩을 경험하도록 다수의 안테나 간의 공간적 분리를 선택한다. 송신 다이버시티에서는 다수의 송신 안테나를 이용하여 수신기에 동일 신호의 다수의 서로 관련 없는 복제물을 제공한다. 통상적인 송신 다이버시티 방안들은 개방 루프 방안과 폐쇄 루프 방안으로 나눌수도 있다. 개방 루프 송신 다이버시티 방안에서는 수신기로부터의 피드백이 필요 없다. 한 가지 통상적인 폐쇄 루프 송신 다이버시티 방안에서는, 수신기가 수신하는 신호 전력을 최대화하기 위해서 송신기에 적용해야 하는 위상 및 진폭 조정을 수신기가 계산한다. 선택 송신 다이버시티(SDT:Selection Transmit Diversity)라고 하는 또 다른 통상적인 폐쇄 루프 송신 다이버시티 방안에서는 송신에 사용할 안테나에 대한 피드백을 수신기가 송신기에 제공한다. 송신 다이버시티 방안의 일례로서 알라무티(Alamouti) 2× 1 공간-시간 다이버시티(STD: space-time-diversity) 방안이 잘 알려져 있다. 이 접근에 따르면, 임의의 심볼 기간 중에 2개의 데이터 심볼이 2개의 송신 안테나로부터 동시에 송신된다. 제1 심볼 간격 동안 제1 안테나(ANT1) 및 제2 안테나(ANT2)로부터 송신되는 심볼들은 각각 s(1) 및 s(2)로 나타낸다. 그 다음 심볼 기간 동안 안테나(ANT1 및 ANT2)로부터 송신되는 심볼들은 각각 -s*(2) 및 s*(1)로 나타내며, 여기서 -s*(2)는 s(2)의 공액 복소수의 음의 값을 의미하고, s*(1)은 s(1)의 공액 복소수를 뜻한다. 가입자국에서의 신호 처리를 통해 원래의 신호, 즉 s(1) 및 s(2)가 복구된다. 가입자국의 수신기에서의 처리를 위해서는 순간 채널 이득 추정, 즉 g1(ANT1의 경우)과 g2(ANT2의 경우)가 필요함에 주목해야 한다. 따라서, 채널 이득 추정을 위해서는 별도의 파일럿 심볼이 안테나(ANT1 및 ANT2)에 필요하다. 직교 주파수 분할 다중화(OFDM; Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템에 흔히 이용하는 또 다른 다이버시티 기법으로 주파수 다이버시티가 있다. 주파수 다이버시티를 이용하는 OFDM 시스템의 경우, 특정 가입자국으로의 송신을 위해 할당된 서브캐리어들이 전체 스펙트럼에 걸쳐 균일하게 분포되어 있을 수 있다. 예를 들면, OFDM망이 N=512개 중 64개의 서브캐리어를 제1 가입자국에 할당한다면, OFDM망은 제1 서브캐리어부터 시작해서 매 8번째의 서브캐리어(SC: Subcarrier)를 제1 가입자국에 할당할 수 있다(즉, SC1, SC9, SC17,...,SC505). 주파수 다이버시티 기법은 높은 이동성의 사용자 및/또는 지연에 민감한 서비스에 이용하는 것이 일반적이다. 또 다른 일례로 통상적인 다이버시티 방안이 하이브리드 응답 요청(ARQ:Acknowledgement Request)에 의해 제공된다. 하이브리드 ARQ란 송신기가 중복되는 코딩된 정보를 조금씩 증가시키면서 보내는 재송신 방안이다. 하이브리드 ARQ에서는 먼저 송신기가 정보 패킷(P)에 대해 채널 코딩을 실시한후, 그 결과 얻게 되는 코딩된 비트 스트림을 더 작은 서브패킷(SP: Subpacket)으로 분할한다(즉, SP1, SP2, SP3, ...). 그러면 송신기는 제1 서브패킷(SP1)을 수신기로 송신한다. 수신기는 먼저 제1 서브패킷(SP1)을 이용하여 전체 정보 패킷을 복호하려는 시도를 한다. 복호에 실패하면 수신기는 서브패킷(SP1)을 저장하고 NACK(Negative Acknowledge) 신호를 송신기로 보낸다. NACK 신호를 수신한 송신기는 서브패킷(SP2)을 송신한다. 서브패킷(SP2)을 수신한 수신기는 서브패킷(SP2)을 이전에 저장한 서브패킷(SP1)과 조합하고 원래의 정보 패킷(P)을 연계 복호하려는 시도를 한다. 복호에 또다시 실패하면 수신기는 NACK 신호를 보내고, 송신기는 추가 서브패킷(예컨대 SP3, SP4, ...)을 송신한다. 어느 시점에서라도 정보 패킷(P)이 성공적으로 복호되면 수신기는 긍정응답(ACK: Acknowledge) 신호를 송신기로 보내는데, 그러한 성공적인 복호는, 예를 들면 성공적인 주기적 중복 검사(CRC: Cyclic Redundancy Check)에 의해 나타난다. 통상적인 망들은 빔형성 기법을 이용하여 다수의 가입자국에 송신하기도 한다. 가입자국 내의 수신기는 기지국의 송신 안테나에서 각각 사용하기 위한 복소 이득(g0, g1, ..., gP)을 추정한다. 기지국은 이들 가중치를 가입자국으로의 송신에 이용한다. 그러나, 복소 이득을 포함한 피드백 정보는 상당한 오버헤드를 나타내며, 망의 전체적인 시스템 스펙트럼 효율을 저하시킨다. 2006년 1월 6일자로 출원된 "직교 주파수 분할 다중화망에서 주파수 선택성을 송신에 도입하기 위한 방법 및 시스템"이란 제목의 미국 특허 출원 제 11/327,799호(이 출원의 내용을 본 명세서에 참고로 인용함)에는 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 무선 통신 시스템에서 인공적으로 다양성을 제공하기 위한 방법과 장치가 개시되어 있다. 상기 출원에 개시되어 있는 방법과 장치에서는, 제1 심볼로부터 복수 개의 지연된 심볼을 발생시키고 상이한 안테나로부터 이들 지연된 심볼을 각각 송신함으로써 인공적으로 다양성을 제공한다. 각각의 지연된 심볼을 상이한 이득 계수에 의해 스케일링할 수도 있다. 적응식 주기적 지연 다이버시티(ACDD: Adaptive Cyclic Delay Diversity) 방안에서는 가입자국의 채널 프로파일, 변위 및 기타 요인에 따라서 가입자국마다 지연값이 다를 수 있다. 예를 들면, 주파수 다이버시티 혜택이 필요한 고속 가입자국에 대해서는 큰 지연값을 선택하고, 주파수 선택적 다중 사용자 스케줄링의 혜택을 받을 가능성이 있는 저속 가입자국에 대해서는 작은 지연값을 채택할 수 있다. 또한, 채널이 이미 충분히 주파수 선택적이라면, 도플러 값이 큰 가입자국을 위한 주파수 다이버시티 모드 송신의 경우에도 작은 지연값이 충분할 수 있다. (P+1)개의 송신 안테나를 이용하는 적응식 주기적 지연 다이버시티 송신기를 구현하는 예시적인 기지국의 경우, 각각의 가입자국에 대한 안테나 (ANT1 내지 ANTP) 상의 주기적 지연값을 각각 Dm1, Dm2, DmP로 나타낼 수 있다. 비지연 신호(Dm0=0)를 제1 안테나(ANT0)로부터 송신한다. 더 일반적인 형태로, 상이한 송신 안테나에서 송신되는 신호들에 상이한 복소 이득(g0, g1, ... gP)을 적용할 수도 있다. 상이한 안테나에서 동일한 OFDM 심볼을 송신하면 주파수 선택적 페이딩이 인공적으로 제공된다. 이 주파수 선택성을 통해서 저속 내지 중속 가입자국을 위한 주파수 선택적 다중 사용자 스케줄링을 이용하거나, 고속 가입자국을 위한 주파수 다이버시티를 이용할 수 있다. 적응식 주기적 지연 다이버시티를 이용하는 경우, 가입자국 수신기에서의 수신은 단일 송신 안테나로부터의 다중 경로 송신과 유사하다. 서브캐리어 k 상의 복합 채널 응답 Hmc(k)은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, Hmn(k)는 안테나 n 상의 가입자국 m에 대한 채널 응답을 나타내며, k는 서브캐리어 지수이다. 이 경우, 복소 안테나 이득(g0, g1, ... gP)은 모두 단위값이라고 가정한다. 대안으로서, 적응식 주기적 지연 다이버시티 조작을 주파수 영역에서 직접 실행할 수도 있다. 안테나 p로부터 가입자국 m으로 송신되는 서브캐리어 k에 하기 수학식 2로 정의되는 가중치를 적용할 수 있으며, 여기서 DmP는 가입자국 m에 대한 안테나 p 상의 주기적 지연값을 나타낸다. OFDM망에서의 자원 분할의 일례로서, 총 512개의 OFDM 서브캐리어를 8개의 군(또는 서브밴브)으로, 즉 각 군에 64개씩 나눌 수 있다. 하나 이상의 이들 서브밴드에 주어진 가입자국을 할당할 수 있다. 적응식 주기적 지연 다이버시티의 예시적인 실시 예로서, 제1 OFDM 심볼의 512개의 서브캐리어를 위상 천이가 없는(즉, 지연이 없는) 제1 안테나로부터 송신하고, 상기 제1 OFDM 심볼의 512개의 서브캐리어를 샘플 기간 1회만큼 지연시켜 제2 안테나로부터 송신할 수 있다. 1회의 샘플 지연의 결과 하기 수학식 3과 같은 가중치가 k번째 서브캐리어에 적용된다. 제1 캐리어에 2π/N의 위상 천이가 적용되고, 최종 서브캐리어에 2π의 위상 천이가 적용되며, 이때 N=512이다. 따라서, 각각의 서브캐리어에 적용되는 위상 천이는 서브캐리어 지수에 선형적으로 비례한다(즉, 서브캐리어 1로부터 서브캐리어 512까지). 전체 대역폭에 걸쳐 2π/N부터 2π까지 완전한 위상 천이 사이클이 일어남에 주목하기 바란다. 위상 천이는 한 서브캐리어에서 다음 서브캐리어까지 2π/N씩 증가한다. 제2 안테나로부터 송신되는 서브밴드에 적용되는 위상 천이는 2πM/N의 증가율로 일어나며, 여기서 M은 한 서브밴드 내의 서브캐리어의 개수이다. D개의 샘플이 주기적으로 지연되는 경우, 전체 대역폭에 걸쳐 2π/N 부터 2π까지 D 사이클의 위상 천이가 일어난다. 주기적 지연 다이버시티가 제공하는 혜택은 상이한 서브캐리어에 상이한 무작위 위상 천이를 적용함으로써 이룰 수 있다. 수신기가 주파수 다이버시티의 혜택을 얻게 되는데, 왜냐하면 적용되는 무작위 위상 천이에 따라 여러 서브캐리어가 증감되면서 조합되기 때문이다. 주기적 지연 다이버시티뿐만 아니라 공간-시간 다이버시티와 같은 다른 형태의 송신 다이버시티 방안도 안테나 또는 채널이 서로 관련되어 있는 경우에는 성능 저하를 겪게 되는데, 왜냐하면 이용할 수 있는 채널에 다양성이 거의 또는 전혀 존재하지 않기 때문이다. 또한, 적응식 주기적 지연 다이버시티의 경우 다수의 안테나로부터의 송신이 지연되어 도입되는 주파수 선택성 때문에 송신 다양성이 없는 단일 안테나로부터의 송신에 비해 성능 손실이 일어날 수 있다. ACDD는 실제로 공간 다양성 또는 안테나 다양성을 주파수 다양성으로 바꾸어준다는 사실에 주목해야 한다. 서로 관련된 안테나로 인해서 공간적 다양성 또는 안테나 다양성이 존재하지 않는다면 ACDD가 주파수 다양성을 전혀 생성할 수 없게 된다. 그러나, 다수의 안테나로부터의 송신이 지연되면 주파수 다양성이 없는 주파수 선택성이 생겨나며, 이는 성능 손실을 가져온다. 안테나의 상호 관련은 안테나들이 좁은 간격으로 위치해 있거나, 충분히 흩어져 있지 않거나, 또는 두 경우 모두에 해당할 때 생긴다.