코드북 기반의 빔포밍 기법을 적용하는 다중 입출력시스템에 있어서, 빔포밍 정보를 송신하는 방법 및 이동단말의 위치를 추적하는 방법 document_id A220623035911

최근 정보통신 서비스의 보편화와 다양한 멀티미디어 서비스들의 등장, 그리고 고품질 서비스의 출현 등으로 인해 무선통신 서비스에 대한 요구가 급속히 증대되고 있다. 이에 능동적으로 대처하기 위해서는 무엇보다도 통신 시스템의 용량이 증대되어야 하는데, 무선통신 환경에서 통신 용량을 늘리기 위한 방안으로는 가용 주파수 대역을 새롭게 찾아내는 방법과, 한정된 자원에 대한 효율성을 높이는 방법을 생각해 볼 수 있다. 이 중 한정된 자원에 대한 효율성을 높이는 방법으로 송수신기에 다수의 안테나를 장착하여 자원 활용을 위한 공간적인 영역을 추가로 확보함으로써 다이버시티 이득을 취하거나, 각각의 안테나를 통해 데이터를 병렬로 전송함으로써 전송 용량을 높이는 이른바 다중 안테나 송수신 기술이 최근 큰 주목을 받으며 활발하게 개발되고 있다. 다중 안테나 OFDM 시스템에서는 데이터의 전송 신뢰도를 높이기 위한 다양한 기술이 요구되는데, 이 중 공간 다이버시티 이득을 높이는 기법(scheme)으로는 시공간 부호(Space-Time Code; STC), 순환지연 다이버시티(Cyclic Delay Diversity; CDD) 등이 있다. 그리고, 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR)를 높이기 위한 기법으로는 빔 포밍(Beam Forming; BF), 프리코딩(Precoding) 등이 있다. 여기서, 빔 포밍 및 프리코딩은 송신단에서 피드백 정보를 이용할 수 있는 폐-루프 시스템에서 해당 피드백 정보를 통해 신호대잡음비를 최대화하기 위해 사용된다. MIMO 프리코딩 기법(Precoding scheme)은 폐-루프 방식으로 채널정보를 부분 또는 전부 기지국 또는 단말로 피드백 하여 통신 성능의 개선을 도모하는 다중 입출력 시스템 기법의 하나이다. 이는 특히 시속 30Km 이하의 저속 페이딩 (Slow fading) 환경에서 유리한 효과를 나타낸다. 폐-루프 시스템에서의 프리코딩 기법의 예로서, 채널 정보를 양자화(quantization)하여 피드백 하는 방식과 피드백 정보가 유한한 경우에 이용되는 코드북 기반의 프리코딩(codebook based precoding) 방식 등을 들 수 있다. 이 중 코드북 기반의 프리코딩은 송수신단에서 이미 알고 있는 프리코딩 행렬의 인덱스를 송신단으로 피드백 함으로써 신호대잡음비(SNR) 이득을 얻는 방식이다. 빔포밍 기법(Beam Forming scheme)의 예로서, 일반 빔포밍 방식, 코드북 기반의 빔포밍(codebook based Beam Forming) 방식 및 빔포밍과 MIMO 기법을 조합하여 이용하는 방식 등을 들 수 있다. 도 1은 빔포밍 기법의 예를 설명하기 위한 도면으로 빔포밍 기법을 이용하는 경우 각 안테나를 통해 형성되는 빔 패턴 형상을 나타낸다. 먼저 도 1의 (a)는 일반 빔포밍 기법을 이용하는 경우 각 안테나를 통해 형성되는 빔 형상을 나타낸다. 일반 빔포밍은 적응 빔포밍 방식으로서 전송 안테나의 빔포밍을 위한 가중치 벡터가 DoA (Direction of Arrival)에 따라 갱신된다. 예를 들어, 위너(Wiener) 방정식을 통해 획득할 수 있는 위너 해를 이용하여 최적 안테나 가중치를 구하여, 불필요한 방향에서 오는 신호를 제거하여 수신 SNR 성능을 높일 수 있다. 그리고, 도 1의 (b)는 코드북 기반의 빔포밍 기법을 이용하는 경우 각 안테나를 통해 형성되는 빔 형상을 나타낸다. 코드북 기반의 빔포밍은 도 1의 (b)에서 나타난 바와 같이 구성이 간단하며, 고정형 빔포밍에 해당될 수 있다. 이 기법은 동시에 많은 사용자에게 최적의 빔을 선택하게 하여 성능 향상을 도모할 수 있다. 이때 코드북의 예로는 DFT(Discrete Fourier Transform) 행렬에 기초하는 코드 북을 들 수 있다. 또한, 도 1의 (c)는 빔포밍과 MIMO 기법을 조합하여 이용하는 방식을 이용하는 경우 각 안테나를 통해 형성되는 빔 형상을 나타낸다. 특히 이 경우에는 도 1의 (c)에 나타난 바와 같이 X 형상으로 구성되는 X-pol 안테나를 사용하여 기존 MIMO 방식과 빔포밍을 동시에 지원하도록 할 수 있다. 상/하향 채널 전송을 각각 분리된 주파수 대역을 이용하는 주파수 분할 다중화 이중 방식(FDD duplex mode)에서는 안테나 가중치 계산을 위한 상/하향 채널간 특성에 차이가 있기 마련이다. 따라서, 빔포밍 방식을 적용하는 경우 정확한 채널 추정 결과에 기초하는 빔포밍을 위한 안테나 가중치 생성이 이루어지지 않기 때문에 이로 인한 이득손실이 발생할 수 있다. 아울러, 위에서 기술한 빔포밍 방식 중에서 특히 코드북 기반의 빔포밍 기법과 빔포밍과 MIMO 기법을 조합하여 이용하는 방식의 경우, 도 1의 (b) 및 (c)에서 확인할 수 있듯이 사용자의 이동성을 고려하면, 해당 빔에서 멀어져 신호가 없어지는 사각지대가 생길 수 있다. 그리고, 폐-루프 방식으로 단말에서 안테나 가중치를 기지국으로 피드백 하는 경우에는 과중한 오버헤드가 발생하는 점도 문제가 될 수 있다. 코드북을 기반으로 하여 피드백 오버헤드를 어느 정도 줄일 수 있을 것이나 채널정보를 양자화하는 데서 발생할 수 있는 양자화 오차 및 피드백 지연으로 인한 오류를 무시할 수는 없을 것이다. 이러한 코드북 사용의 한계를 완화하기 위해서 시간 또는 주파수 축의 채널 변동에 따라 코드북의 성분을 유연하게 변화시킴으로써 양자화 오차 또는 피드백 지연으로 인한 오류, 그리고 피드백 오버헤드를 줄이는 방법에 대한 연구가 최근에 이루어지고 있다.