METHOD AND DEVICE FOR ACQUIRING UPLINK SYNCHRONISM IN CONSIDERATION OF BEAM FORMING EFFECT IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM

이하의 기술은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 등과 같은 다양한 무선 통신 시스템에 사용될 수 있다. CDMA는 UTRA(universal terrestrial radio access)나 CDMA2000과 같은 무선 기술(radio technology)로 구현될 수 있다. TDMA는 GSM(global system for mobile communications)/GPRS(general packet radio service)/EDGE(enhanced data rates for GSM evolution)와 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. OFDMA는 IEEE(institute of electrical and electronics engineers) 802.11(Wi-Fi), IEEE 802.16(WiMAX), IEEE 802-20, E-UTRA(evolved UTRA) 등과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. IEEE 802.16m은 IEEE 802.16e의 진화로, IEEE 802.16e에 기반한 시스템과의 하위 호환성(backward compatibility)을 제공한다. UTRA는 UMTS(universal mobile telecommunications system)의 일부이다. 3GPP(3rd generation partnership project) LTE(long term evolution)은 E-UTRA(evolved-UMTS terrestrial radio access)를 사용하는 E-UMTS(evolved UMTS)의 일부로써, 하향링크에서 OFDMA를 채용하고 상향링크에서 SC-FDMA를 채용한다. LTE-A(advanced)는 3GPP LTE의 진화이다.

설명을 명확하게 하기 위해, LTE-A를 위주로 기술하지만 본 발명의 기술적 특징이 이에 제한되는 것은 아니다.

도 1은 셀룰러 시스템을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 셀룰러 시스템(10)은 적어도 하나의 기지국(11; BS; base station)을 포함한다. BS(11)는 특정한 지리적 영역(일반적으로 셀이라고 함)(15a, 15b, 15c)에 대해 통신 서비스를 제공한다. 셀은 다시 다수의 영역(섹터라고 함)으로 나누어질 수 있다. 단말(12; UE; user equipment)은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, MS(mobile station), MT(mobile terminal), UT(user terminal), SS(subscriber station), 무선기기(wireless device), PDA(personal digital assistant), 무선 모뎀(wireless modem), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. BS(11)는 일반적으로 UE(12)와 통신하는 고정된 지점을 말하며, eNB(evolved-NodeB), BTS(base transceiver system), 액세스 포인트(access point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.

UE는 통상적으로 하나의 셀에 속하는데, UE가 속한 셀을 서빙 셀(serving cell)이라 한다. 서빙 셀에 대해 통신 서비스를 제공하는 BS를 서빙 BS라 한다. 셀룰러 시스템은 서빙 셀에 인접하는 다른 셀을 포함한다. 서빙 셀에 인접하는 다른 셀을 인접 셀(neighbor cell)이라 한다. 인접 셀에 대해 통신 서비스를 제공하는 BS를 인접 BS라 한다. 서빙 셀 및 인접 셀은 UE를 기준으로 상대적으로 결정된다.

이 기술은 하향링크(DL; downlink) 또는 상향링크(UL; uplink)에 사용될 수 있다. 일반적으로 DL은 BS(11)에서 UE(12)로의 통신을 의미하며, UL은 UE(12)에서 BS(11)으로의 통신을 의미한다. DL에서 송신기는 BS(11)의 일부분이고, 수신기는 UE(12)의 일부분일 수 있다. UL에서 송신기는 UE(12)의 일부분이고, 수신기는 BS(11)의 일부분일 수 있다.

도 2는 3GPP LTE의 무선 프레임(radio frame)의 구조를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 무선 프레임은 10개의 서브프레임(subframe)으로 구성되고, 하나의 서브프레임은 2개의 슬롯(slot)으로 구성된다. 무선 프레임 내 슬롯은 #0부터 #19까지 슬롯 번호가 매겨진다. TTI(transmission time interval)는 데이터 전송을 위한 기본 스케줄링 단위이다. 3GPP LTE에서 하나의 TTI는 하나의 서브프레임이 전송되는 데에 걸리는 시간과 같을 수 있다. 하나의 무선 프레임의 길이는 10ms이고, 하나의 서브프레임의 길이는 1ms이고, 하나의 슬롯의 길이는 0.5ms일 수 있다.

하나의 슬롯은 시간 영역에서 복수의 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 심벌을 포함하고, 주파수 영역에서 복수의 부반송파를 포함한다. OFDM 심벌은 3GPP LTE가 하향링크에서 OFDMA를 사용하므로 하나의 심벌 구간을 표현하기 위한 것으로, 다중 접속 방식에 따라 다른 명칭으로 불릴 수 있다. 예를 들어, 상향링크 다중 접속 방식으로 SC-FDMA가 사용될 경우 SC-FDMA 심벌이라고 할 수 있다. 자원 블록(RB; resource block)는 자원 할당 단위로 하나의 슬롯에서 복수의 연속하는 부반송파를 포함한다. 상기 무선 프레임의 구조는 일 예에 불과한 것이다. 따라서 무선 프레임에 포함되는 서브프레임의 개수나 서브프레임에 포함되는 슬롯의 개수, 또는 슬롯에 포함되는 OFDM 심벌의 개수는 다양하게 변경될 수 있다. 3GPP LTE는 노멀(normal) CP(cyclic prefix)에서 하나의 슬롯은 7개의 OFDM 심벌을 포함하고, 확장(extended) CP에서 하나의 슬롯은 6개의 OFDM 심벌을 포함하는 것으로 정의하고 있다.

하이브리드 빔포밍(hybrid beamforming)의 필요성에 대해서 설명한다. 다중 안테나를 사용한 빔 형성 기술은 크게 빔 형성 가중치 벡터(weight vector) (또는 프리코딩 벡터(precoding vector))를 적용하는 위치에 따라 아날로그 빔 형성 기술(이하, 아날로그 빔포밍)과 디지털 빔 형성 기술(이하, 디지털 빔포밍)로 구분할 수 있다.

도 3은 아날로그 빔포머 및 RF 체인을 포함하는 전송부의 블록도이다. 아날로그 빔포밍은 초기 다중 안테나 구조에 적용된 대표적인 빔 형성 기법이다. 아날로그 빔포밍은 디지털 신호 처리가 완료된 아날로그 신호를 다수의 경로로 분기하고, 각 경로에서의 위상 쉬프트(PS; phase shift)와 전력 증폭(PA; power amplifier) 설정을 통하여 빔을 형성한다. 도 3을 참조하면, 아날로그 빔포밍에서 단일 디지털 신호로부터 파생된 아날로그 신호를 각 안테나에 연결된 PS와 PA가 처리한다. 즉, 아날로그 단에서 복소 가중치(complex weight)를 PS와 PA가 처리한다. 여기에서 RF(radio frequency) 체인은 베이스밴드(baseband) 신호가 아날로그 신호로 변환되는 처리 블록을 의미한다. 아날로그 빔포밍은 PS와 PA의 소자의 특성에 따라 빔의 정확도가 결정되고, 소자의 제어 특성상 협대역 전송 에 유리하다. 한편, 다중 스트림 전송을 구현하기 어려운 하드웨어 구조로 인하여 전송률 증대를 위한 다중화 이득이 상대적으로 작으며, 직교 자원 할당 기반의 사용자별 빔 형성이 어려운 특징이 있다.

도 4는 디지털 빔포머 및 RF 체인을 포함하는 전송부의 블록도이다. 아날로그 빔포밍과 달리, 디지털 빔포밍은 MIMO 환경에서 다이버시티와 다중화 이득을 최대화하기 위해 베이스밴드 처리를 이용하여 디지털 단에서 빔을 형성한다. 도 4를 참조하면, 프리코딩이 베이스밴드 처리에서 수행됨으로써 빔이 형성될 수 있다. RF 체인은 PA를 포함할 수 있다. 이에 따라 빔 형성을 위해 도출된 복소 가중치가 송신 데이터에 직접적으로 적용될 수 있다. 디지털 빔포밍은 사용자 별로 서로 다르게 빔을 형성할 수 있으므로, 동시에 다중 사용자 빔 형성을 지원할 수 있다. 또한, 디지털 빔포밍은 직교 자원이 할당된 사용자 별로 독립적인 빔 형성이 가능하여 스케줄링 유연성이 높아 시스템 목적에 부합하는 전송단 운용이 가능하다. 또한, 디지털 빔포밍은 광대역 전송 환경에서 MIMO-OFDM과 같은 기술을 적용할 경우, 부반송파 별로 독립적인 빔을 형성할 수 있다. 따라서, 디지털 빔포밍은 시스템 용량 증대와 강화된 빔 이득을 기반으로 단일 사용자의 최대 전송률을 극대화 할 수 있다. 따라서 3G/4G 시스템에서는 디지털 빔포밍 기반의 MIMO 기술이 도입되었다.

한편, 송수신 안테나의 개수가 크게 증가하는 거대 MIMO(massive multiple-input multiple-output)가 고려될 수 있다. 일반적인 셀룰러 시스템은 MIMO 환경에 적용되는 최대 송수신 안테나의 개수를 8개로 가정하나, 거대 MIMO 환경에서는 최대 송수신 안테나의 개수가 수십 또는 수백 개 이상으로 증가할 수 있다. 거대 MIMO 환경에서 기존의 디지털 빔포밍이 적용된다면, 수백 개의 송신 안테나에 대한 디지털 신호 처리를 베이스밴드 처리를 통해 수행해야 하므로 신호 처리의 복잡도가 매우 커지고, 송신 안테나의 개수만큼의 RF 체인이 필요하므로 하드웨어 구현의 복잡도가 매우 커진다. 또한, 모든 송신 안테나에 대해 독립적인 채널 추정이 필요하고, FDD(frequency division duplex) 시스템의 경우 모든 안테나로 구성된 거대한 MIMO 채널에 대한 피드백 정보가 필요하므로, 파일럿 및 피드백 오버헤드가 매우 커진다. 반면, 거대 MIMO 환경에서 기존의 아날로그 빔포밍이 적용된다면, 송신단의 하드웨어 복잡도는 상대적으로 낮은 반면, 다수 안테나를 이용한 성능 증가 정도가 미미하고, 자원 할당의 유연성이 떨어진다. 특히, 광대역 전송시 주파수 별로 빔을 제어하기가 매우 어렵다.

따라서 거대 MIMO 환경에서는 빔포밍 기술로 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍 중 어느 하나만을 사용하기보다는, 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍이 결합된 형태의 하이브리드 빔포밍이 요구된다. 즉, 아날로그 빔포밍의 특성에 따라 송신단의 하드웨어 구현의 복잡도를 낮추고, 디지털 빔포밍의 특성에 따라 수많은 개수의 송신 안테나를 이용한 빔 형성 이득이 최대가 될 수 있도록, 하이브리드 타입의 송신단 구조가 필요할 수 있다.

하이브리드 빔포밍에 대해서 설명한다. 상술한 바와 같이, 하이브리드 빔포밍은 거대 MIMO 환경에서 아날로그 빔포밍의 장점과 디지털 빔포밍의 장점을 취할 수 있는 송신단을 구성함에 목적이 있다.

도 5는 하이브리드 빔포머를 포함하는 전송부의 블록도이다. 도 5를 참조하면, 기본적으로 하이브리드 빔포밍은 아날로그 빔포밍을 통해 거친(coarse) 빔을 형성하고, 디지털 빔포밍을 통해 다중 스트림 혹은 다중 사용자 전송을 위한 빔이 형성될 수 있다. 즉, 하이브리드 빔포밍은 송신단의 구현 복잡도 또는 하드웨어 복잡도를 낮추기 위해서 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍을 동시에 취하는 구조를 갖게 된다.

하이브리드 빔포밍의 기술적 이슈는 다음과 같다.

(1) 아날로그/디지털 빔포밍 설계 최적화 어려움: 디지털 빔포밍은 동일한 시간-주파수 자원을 가지고 사용자 별로 독립적인 빔을 형성할 수 있으나, 아날로그 빔포밍은 동일한 시간-주파수 자원을 가지고 공통적인 빔을 형성해야 하는 한계가 있다. 따라서, RF 체인의 개수에 따른 최대 지원 가능한 랭크의 제약, RF 빔포머로 서브밴드 빔 제어의 어려움 및/또는 빔 형성 분해능(resolution/granularity)의 최적화의 어려움 등의 이슈가 발생할 수 있다.

(2) 공통 신호의 전송 방식 구체화 필요: 동일한 시간-주파수 자원에서 특정 방향으로만 빔을 형성하는 아날로그 빔포밍은 동시에 모든 단말 방향으로 다수의 빔을 형성할 수 없다. 따라서, 셀 내 모든 영역에 분포할 수 있는 모든 단말들에게 DL/UL 제어 채널, 참조 신호(reference signal), 방송 채널, 동기 신호 등을 동시에 전송하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 단말이 UL 상으로 PRACH(physical random access channel), PUCCH(physical uplink control channel) 및/또는 SRS(sounding RS) 등을 전송할 때에도 문제가 발생할 수 있다.

(3) 아날로그/디지털 빔 결정을 위한 추가 파일럿 및 피드백 설계 필요: 아날로그/디지털 빔에 대한 추정을 수행할 경우, 디지털 빔은 기존의 직교 파일럿 할당 방식을 그대로 이용하여 추정할 수 있지만, 아날로그 빔은 빔 후보의 개수만큼의 시간이 요구된다. 즉, 아날로그 빔의 추정에 소요되는 시간 지연이 큼을 의미하고, 이에 따라 시스템 손실이 발생할 수 있다. 또한, 디지털 빔과 아날로그 빔을 동시에 추정할 경우 복잡도가 크게 증가할 수 있다.

(4) 아날로그 빔 기반 SDMA(spatial division multiple access)와 FDMA 지원 어려움: 디지털 빔포밍이 다중 사용자/스트림을 위하여 자유롭게 빔을 형성할 수 있는 반면, 아날로그 빔포밍은 전체 전송 대역에 대해 동일한 빔을 형성하므로 수행하여 사용자별 또는 스트림별 독립적인 빔 형성이 어렵다. 특히 직교 주파수 자원 할당을 통한 FDMA(e.g. OFDMA) 지원이 어렵기 때문에, 주파수 자원 효율의 최적화가 어려울 수 있다.

상술한 하이브리드 빔포밍의 기술적 이슈 중, 이하에서 설명하는 본 발명은 하이브리드 빔포밍을 위한 아날로그/디지털 빔 설계를 최적화하는 방법을 제공할 수 있다.

타이밍 어드밴스(TA; timing advance)에 대해서 설명한다. 3GPP LTE에서 서로 다른 단말들로부터 수신되는 UL의 직교성을 유지하기 위해, 기지국의 수신기에서 서로 다른 단말로부터 수신되는 UL의 타이밍이 정렬된다. 즉, 기지국을 기준으로 UL 전송과 DL 전송이 시간 축에서 정렬될 수 있다. UL 전송의 타이밍 정렬은 셀 내의 단말들 간의 간섭을 회피할 수 있는 가장 기본적인 방법 중 하나이다. UL 전송의 타이밍 정렬을 구현하기 위해 단말의 UL 전송에 TA가 적용될 수 있다. 단말은 수신 DL 타이밍에 대응하여 TA 값을 설정할 수 있고, 이에 따라 서로 다른 단말 사이의 서로 다른 전파 지연(propagation delay)에 대응할 수 있다.

도 6은 TA가 적용되지 않는 UL 전송의 타이밍 정렬의 일 예를 나타낸다. 도 6을 참조하면, UE1은 상대적으로 기지국에 가까이에 위치하고 있어서 전파 지연(TP1)이 상대적으로 짧고, UE2는 기지국으로 멀리 있어서 전파 지연(TP2)이 상대적으로 길다(즉, TP1<TP2). 전파 지연의 기준은 단말이 수신하는 DL 심벌 타이밍이다. 기지국에서의 DL 심벌 타이밍을 T라고 가정하면, UE1에서 수신되는 DL 심벌 타이밍은 UE1의 전파 지연 TP1만큼 지연된 T+TP1이다. UE1이 지연 없이 UL 전송을 수행한다고 가정하면 UE1에서의 UL 심벌 타이밍은 T+TP1이고, 기지국에서 수신되는 UL 심벌 타이밍은 전파 지연 TP1만큼 다시 지연된 T+2*TP1이다. 마찬가지로, UE2에서 수신되는 DL 심벌 타이밍은 UE2의 전파 지연 TP2만큼 지연된 T+TP2이다. UE2가 지연 없이 UL 전송을 수행한다고 가정하면 UE2에서의 UL 심벌 타이밍은 T+TP2이고, 기지국에서 수신되는 UL 심벌 타이밍은 전파 지연 TP2만큼 다시 지연된 T+2*TP2이다. 즉, 기지국의 입장에서 UE1이 전송한 UL 전송과 UE2가 전송한 UL 전송의 타이밍이 2*(TP2-TP1)만큼 어긋난다.

도 7은 TA가 적용되는 UL 전송의 타이밍 정렬의 일 예를 나타낸다. TA를 적용함으로써 기지국에서 타이밍 정렬이 적절하게 이루어질 수 있다. TA의 적용을 위해 측정된 전파 지연을 왕복 지연(RTD; round trip-delay)으로 환산하여 적용하며, 그 값은 (전파 지연*2)이다. 도 7을 참조하면, 기지국에서의 DL 심벌 타이밍을 T라고 가정하면, UE1에서 수신되는 DL 심벌 타이밍은 UE1의 전파 지연 TP1만큼 지연된 T+TP1이다. UE1은 TP1*2의 크기를 가지는 TA 값을 적용하여, UE1에서의 UL 전송 타이밍은 T-TP1이 된다. 이에 따라 기지국에서 수신되는 UL 심벌 타이밍이 T가 되고, 기지국에서 DL 전송과 UL 수신이 정렬된다. 마찬가지로, UE2에서 수신되는 DL 심벌 타이밍은 UE2의 전파 지연 TP2만큼 지연된 T+TP2이다. UE2는 TP2*2의 크기를 가지는 TA 값을 적용하여, UE2에서의 UL 전송 타이밍은 T-TP2이 된다. 이에 따라 기지국에서 수신되는 UL 심벌 타이밍이 T가 되고, 기지국에서 DL 전송과 UL 수신이 정렬된다. 기지국으로부터 멀리 떨어져 전파 지연이 큰 단말일수록, 기지국에서의 타이밍 정렬을 위해 상대적으로 먼저 UL 전송을 수행해야 함을 알 수 있다.

초기 TA 절차를 위해, 단말은 기지국으로부터 전송되는 DL 전송에 대한 최초 수신기 동기화를 수행하고, 랜덤 액세스 절차를 이용하여 TA를 수행한다. 기지국은 단말이 전송하는 랜덤 액세스 프리앰블을 통해서 UL 타이밍을 측정하고, 랜덤 액세스 응답(RAR; random access respond)를 통해 UL 타이밍에 대응하는 초기 TA 명령(timing advance command)을 전송한다. 상기 TA 명령의 크기는 11비트일 수 있다.

또한, 상황에 따라 TA가 업데이트 될 수 있다. 기지국은 유용한 모든 UL 참조 신호(RS; reference signal)를 이용하여 TA 업데이트 명령을 수행할 수 있다. 즉, 기지국은 SRS, CQI(channel quality indicator), ACK/NACK(acknowledgement/non-acknowledgement) 등을 이용하여 TA 업데이트 명령을 수행할 수 있다. 일반적으로 넓은 대역폭을 통해 전송되는 UL RS를 이용할수록 타이밍 추정의 정확도가 높아지므로 SRS가 유리할 수 있으나, 셀 경계에 위치한 단말에 대해서는 전력 제한으로 인해 SRS를 이용하는 것에 제약이 있을 수 있다. 그러나, TA 업데이트는 기지국의 구현에 달려 있으므로, 표준에는 어떠한 제약도 기술되어 있지 않다.

도 8은 TA 업데이트를 위한 TA 명령의 적용의 일 예를 나타낸다. 도 8을 참조하면, TA 업데이트를 위한 TA 명령은 단말이 TA 명령을 수신하고 (5ms - RTT(round trip time)) 이후의 첫 UL 서브프레임을 전송할 때에 적용된다. 이는 TDD(time division duplex) 프레임 또는 하프 듀플렉스(half-duplex) FDD(frequency division duplex) 프레임에서 UL/DL 구성에 따라 해당 시간에 UL 서브프레임이 존재하지 않을 수 있기 때문이다. RTT는 전파 지연*2일 수 있다.

지금까지 3GPP LTE에서는 단말이 단일한 채널 특성을 가지는 옴니(omni) 안테나를 사용한다고 가정하였고, 이에 따라 단일한 채널 특성에 대해서만 UL 타이밍 정렬을 수행하였다. 그러나 하이브리드 빔포밍 등의 도입에 따라 단말이 많은 안테나를 사용하여 협대역 빔포밍을 수행할 경우, 각 빔이 겪는 스캐터링(scattering) 환경이 변화할 수 있고, 빔 별로 타이밍 어긋남의 비율도 달라질 수 있다. 이러한 특성은 밀리미터파(mmWave) 대역으로 갈수록 더욱 커진다. 밀리미터파 대역에서 빔포밍에 의한 스캐터의 분포가 바뀌고 거리에 따른 경로 감쇄가 더욱 크게 발생하기 때문이다. 밀리미터파 대역에서는 구현의 용이성과 베이스밴드의 복잡도를 고려하여 하이브리드 빔포밍 구조를 지향하므로, 상술한 빔 스캐닝 프로시저가 반드시 필요할 수 있다. 또한, 이러한 특성은 데이터와 UL RACH의 심벌 주기가 동일할수록 더욱 커질 수 있다.

도 9는 빔 별로 채널 특성이 변하는 것을 나타내는 개념도이다. 상술한 바와 같이 하이브리드 빔포밍에서는 시간 영역에서 빔 스캐닝을 수행하여야 한다. 그러나 빔포밍에 의한 방향이 특정 스캐터를 향함에 따라 다중 경로 특성이 변화하여 채널 특성이 변화할 수 있다. 도 9를 참조하면, 단말이 빔 #1, 빔 #2 및 빔 #3을 통해 UL 전송을 수행하고, 빔포밍의 방향에 따라 빔 벼로 다중 경로 특성이 변화한다. 따라서, 기지국은 빔 스캐닝을 수행할 때 빔 별로 서로 다른 채널 특성을 겪는다.

도 10은 빔 별 채널 특성이 서로 다른 것을 나타내는 개념도이다. 도 10을 참조하면, 빔 #1과 빔 #2의 채널 특성이 서로 다른 모양을 나타낸다. 특히, 각 빔 별로 전파 지연에 해당하는 TA 시점(τ₀)이 달라진다.

상술한 문제점, 즉 밀리미터파 대역에서 하이브리드 빔포밍 등의 도입에 따라 빔 별로 채널 특성이 달라져 타이밍 어긋남도 빔 별로 달라지는 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 빔 스캐닝 특성을 고려한 TA 절차를 제안한다. 즉, 본 발명은 빔 별 채널 특성의 변화를 고려한 빔 별 TA 절차를 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 하이브리드 빔포밍을 수행하는 아날로그 빔 스캐닝 절차의 특성을 고려하여, 각 빔 별 TA 값이 추정될 수 있다. 즉, 옴니 안테나를 기반으로 하는 기존의 TA 절차에 더해, 데이터 전송을 위하여 빔포밍 기반의 각 빔에 최적화된 TA 절차가 제안될 수 있다. 이하의 설명에서 빔포밍은 아날로그 빔포밍 또는 하이브리드 빔포밍인 것으로 가정하나, 본 발명은 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 일반적인 디지털 빔포밍, FD-MIMO (full-dimension MIMO) 등에도 적용이 가능하다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따라, 기지국은 UL 빔 스캐닝 시에 하나의 단말이 전송한 서로 다른 K개의 빔포밍이 적용된 시간 축의 서로 다른 K개의 프리앰블 또는 UL RS 별로 TA 값을 각각 추정한다. 즉, 기지국은 UL 빔 스캐닝 시에 빔포밍에 의해 채널의 특성이 변화하여 달라진 TA 값을 각 빔 별로 추정한다. 빔 별로 TA 값을 다르게 추정하는 이유는 아날로그 단의 특성상 반드시 빔 스캐닝 과정이 수반되어야 하기 때문이다. 기지국은 단말과의 빔 스캐닝에 대한 기본적인 약속을 통해서 빔 별로 UL 채널 지연 및 TA 값을 추정할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 단말이 기지국의 UL 빔 스캐닝을 위하여 전송하는 프리앰블의 일 예를 나타낸다. 도 11을 참조하면, 단말은 기지국의 UL 빔 스캐닝을 위하여, 서로 다른 4개의 빔포밍이 각각 적용된 서로 다른 4개의 프리앰블을 기지국으로 전송한다. 4개의 프리앰블은 시간 축에서 각각 서로 다른 서브프레임에서 전송된다. 또한, 각 프리앰블에는 이에 대응하는 개별적인 빔포밍 방향이 설정된다고 가정한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 별로 서로 다른 채널 특성 및 이에 따른 서로 다른 총 지연의 일 예이다. 도 11의 실시예에 따라 서로 다른 4개의 프리앰블이 각각 서로 다른 빔포밍이 적용되어 전송될 때, 빔 별로 채널 특성이 달라져 빔 별로 지연 프로파일(delay profile)이 달라질 수 있다. 도 12를 참조하면, 빔 별로 채널 특성이 서로 다르고, 이에 따라 빔 별로 지연 프로파일도 서로 달라짐을 알 수 있다.

표 1은 K개의 빔 인덱스에 각각 대응하는 총 지연 및 이에 대응하는 TA 값을 나타낸다.

기지국은 단말로부터 전송되는 서로 다른 K개의 프리앰블 또는 UL RS를 기반으로, 각 빔 별로 채널 지연 및 TA 값을 추정한다. 프리앰블 또는 UL RS의 검출이 시간 영역에서 이루어진다고 가정하면, 빔 K에서 출력을 최대화 하는 채널 지연 m_K^*를 수학식 1에 의해 구할 수 있다.

<수학식 1>

수학식 1에서, i는 시간 인덱스, m은 타이밍 오프셋, N은 시간 신호의 전체 길이(또는 OFDM 심벌 길이), L은 PDF(probability distribution function)에 의한 다중 경로 채널 지연 길이, Y[i]는 시간 i에서 수신한 신호, S[i]는 시간 i에서 전송한 신호를 나타낸다. 수학식 1을 통해 서로 다른 K개의 빔에 대한 개별적인 채널 지연 및 TA 값을 추정할 수 있고, 이에 따라 기지국을 단말에게 적합한 빔에 따른 TA 명령을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 기지국은 빔 별로 추정한 채널 지연 또는 TA 값을 기반으로 단말에 TA 명령을 수행할 수 있다. 보다 상세하게, 기지국은 빔 스캐닝에 따라 검출된 서로 다른 K개의 빔 중에서 적어도 하나의 빔의 채널 지연 또는 TA 값을 고려하여 TA 명령을 수행할 수 있다. 기지국은 다양한 기준으로 단말의 최종 TA 값을 결정할 수 있다. 기지국은 하나의 빔을 기반으로 단말의 최종 TA 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 기지국은 검출된 빔 중 가장 좋은 수신 품질을 갖는 빔의 TA 값을 기준으로 해당 단말의 최종 TA 값을 결정할 수 있다. 또는, 기지국은 복수의 빔을 기반으로 단말의 최종 TA 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 기지국은 검출된 빔 중 수신 빔의 신호 세기 또는 신호 품질이 일정 기준 이상인 여러 빔들의 TA 값들을 기준으로 해당 단말의 최종 TA 값을 결정할 수 있다. 이하 기지국이 단말의 최종 TA 값을 결정 또는 선택하는 다양한 실시예를 설명한다.

(1) 선택되는 빔에 대응하는 최종 TA 값 결정: 기지국은 검출된 빔 중 가장 좋은 수신 품질을 갖는 빔을 선택하고, 선택된 빔에 대응하는 TA 값을 최종 TA 값으로 결정할 수 있다. 즉, 최종 TA 값은 수학식 2로 결정될 수 있다.

<수학식 2>

예를 들어, K개의 빔 중 빔 #2의 수신 품질이 가장 좋다면, 최종 TA 값은 2*τ_beam,2로 결정될 수 있다.

(2) 기존 동기와 선택되는 빔에 대응하는 TA 값의 중간 값으로 최종 TA 값 결정: 기지국은 기존의 UL 동기화를 위하여 사용되는 TA 값인 2*τ_TA와 검출된 빔 중 가장 좋은 수신 품질을 갖는 빔의 TA 값인 2*τ_beam,K의 중간 값을 최종 TA 값으로 결정할 수 있다. 즉, 최종 TA 값은 수학식 3으로 결정될 수 있다.

<수학식 3>

(3) 수신 품질이 가장 좋은 빔의 TA 값과 수신 품질이 2번째로 좋은 빔의 TA 값의 중간 값으로 최종 TA 값 결정: 기지국은 수신 품질이 가장 좋은 빔의 TA 값인 2*τ_beam,best와 수신 품질이 2번째로 좋은 빔의 TA 값인 2*τ_beam,2nd의 중간 값으로 최종 TA 값을 결정할 수 있다. 즉, 최종 TA 값은 수학식 4로 결정될 수 있다.

<수학식 4>

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 별로 추정된 TA 값을 기반으로 최종 TA 값을 결정하는 것의 일 예를 나타낸다. 도 13을 참조하면, 서로 다른 K개의 빔 중 수신 품질이 가장 좋은 빔과 수신 품질이 2번째로 좋은 빔이 빔 #1과 빔 #2로 선택되었다고 가정하면, 최종 TA 값은 빔 #1의 TA 값과 빔 #2의 TA 값의 평균으로 결정된다.

(4) 특정 기준 이상의 수신 크기를 가지는 모든 빔의 TA 값의 평균값으로 최종 TA 값 결정: 기지국은 특정 기준 전력 P_threshold 이상의 수신 크기를 가지는 모든 빔을 선택하고, 해당하는 빔의 TA 값의 평균값으로 최종 TA 값을 결정할 수 있다. 즉, 최종 TA 값은 수학식 5로 결정될 수 있다.

<수학식 5>

수학식 5에서, KS는 선택된 전체 빔의 개수를 나타낸다. 또한, 수신 신호 전력에 따른 가중치를 두고 평균 TA이 도출될 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국에 의한 빔 별로 TA를 추정하는 방법을 나타낸다.

단계 S100에서, 기지국은 서로 다른 K개의 빔포밍이 적용된 K개의 프리앰블을 단말로부터 수신한다. 상기 K개의 프리앰블은 각각 서로 다른 서브프레임을 통해 수신될 수 있다. 또는, 상기 K개의 프리앰블은 동일한 서브프레임에서 연속적으로 수신될 수 있다. 상기 빔포밍은 아날로그 빔포밍, 디지털 빔포밍 또는 하이브리드 빔포밍중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

단계 S110에서, 기지국은 상기 K개의 프리앰블 별로 TA를 각각 추정한다. 상기 K개의 프리앰블 별로 TA를 추정하는 것은 상기 K개의 프리앰블 별로 채널 지연을 추정하는 것을 포함할 수 있고, 프리앰블 별로 채널 지연을 추정하기 위하여 상술한 수학식 1이 사용될 수 있다.

기지국은 상기 K개의 프리앰블 별로 추정된 TA를 기반으로 상기 단말의 최종 TA 값을 결정할 수 있다. 상기 단말의 최종 TA 값은 상기 K개의 프리앰블 중 선택된 하나의 프리앰블에 대응하는 TA 값을 기반으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 단말의 최종 TA 값은 상기 K개의 프리앰블 중 가장 좋은 수신 품질을 갖는 프리앰블에 대응하는 TA 값으로 결정될 수 있다. 상기 단말의 최종 TA 값은 기존 동기를 위하여 사용되던 TA 값과 상기 K개의 프리앰블 중 가장 좋은 수신 품질을 갖는 프리앰블에 대응하는 TA 값의 평균 값으로 결정될 수 있다. 또 다른 예로, 상기 단말의 최종 TA 값은 상기 K개의 프리앰블 중 2개 이상의 프리앰블에 대응하는 TA 값을 기반으로 결정될 수 있다. 상기 단말의 최종 TA 값은 상기 K개의 프리앰블 중 가장 좋은 수신 품질을 갖는 프리앰블에 대응하는 TA 값과 2번째로 좋은 수신 품질을 갖는 프리앰블에 대응하는 TA 값의 평균 값으로 결정될 수 있다. 상기 단말의 최종 TA 값은 상기 K개의 프리앰블 중 특정 기준 이상의 수신 품질을 갖는 프리앰블에 대응하는 TA 값의 평균 값으로 결정될 수 있다.

기지국은 상기 결정된 단말의 최종 TA 값을 포함하는 TA 명령을 상기 단말로 전송할 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 단말에 의한 TA를 적용하는 방법을 나타낸다.

단계 S200에서, 단말은 서로 다른 K개의 빔포밍이 적용된 K개의 프리앰블을 기지국으로 전송한다. 상기 K개의 프리앰블은 각각 서로 다른 서브프레임을 통해 전송될 수 있다. 또는, 상기 K개의 프리앰블은 동일한 서브프레임에서 연속적으로 수신될 수 있다. 상기 빔포밍은 아날로그 빔포밍, 디지털 빔포밍 또는 하이브리드 빔포밍중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

단계 S210에서, 단말은 상기 K개의 프리앰블을 기반으로 상기 기지국에 의해 결정된 최종 TA 값을 포함하는 TA 명령을 상기 기지국으로부터 수신하여 TA를 적용한다. 기지국은 본 명세서에서 설명한 다양한 방법에 의하여 상기 K개의 프리앰블을 기반으로 최종 TA 값을 결정할 수 있다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 TA 절차를 나타낸다.

단계 S300에서, 단말은 서로 다른 K개의 빔포밍이 적용된 K개의 프리앰블을 기지국으로 전송한다. 상기 K개의 프리앰블은 각각 서로 다른 서브프레임을 통해 전송될 수 있다. 또는, 상기 K개의 프리앰블은 동일한 서브프레임에서 연속적으로 수신될 수 있다. 상기 빔포밍은 아날로그 빔포밍, 디지털 빔포밍 또는 하이브리드 빔포밍중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

단계 S310에서, 기지국은 상기 수신된 K개의 프리앰블 별로 각각 TA를 추정한다. 상기 K개의 프리앰블 별로 TA를 추정하는 것은 상기 K개의 프리앰블 별로 채널 지연을 추정하는 것을 포함할 수 있고, 프리앰블 별로 채널 지연을 추정하기 위하여 상술한 수학식 1이 사용될 수 있다.

단계 S320에서, 단말은 K개의 프리앰블 별로 추정된 TA를 기반으로 최종 TA 값을 결정한다. 기지국은 본 명세서에서 설명한 다양한 방법에 의하여 최종 TA 값을 결정할 수 있다.

단계 S330에서, 기지국은 최종 TA 값을 포함하는 TA 명령을 단말로 전송한다.

상술한 본 발명에 대한 설명에서 복수의 빔이 하나의 안테나 어레이에서 전송되는 것으로 가정하였으나, 이는 예시에 불과하다. 상술한 본 발명은 일부 안테나 어레이 별로 하나의 빔을 전송하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다. 이 경우, 각 빔은 각 서브어레이(sub-array)의 전송 빔으로서 적용 가능하다.

또한, 상술한 본 발명은 임의의 송신기와 수신기의 조합에 적용될 수 있다. 송신기가 기지국, 수신기가 단말이라면 상술한 본 발명은 하향링크에 적용될 수 있다, 송신기가 단말, 수신기가 기지국이라면 상술한 본 발명은 상향링크에 적용될 수 있다, 송신기와 수신기가 모두 단말이라면, 사이드링크(side link)에 적용될 수 있다.

또한, 상술한 본 발명은 다중 안테나에 대한 아날로그 또는 디지털 프로세싱을 통한 빔포밍 혹은 프리코딩에 모두 적용될 수 있다. 상술한 본 발명이 광대역 시스템에 적용되는 경우, 광대역은 특정 주파수 영역(예를 들어, 서브밴드, 부반송파, 자원 블록 등)으로 나뉠 수 있고, 각 주파수 영역에 대해 별개의 피드백 정보 집합이 피드백 될 수 있다. 또는, 단말이 선택하거나 기지국이 지정한 특정 주파수 영역에 대해서만 피드백 정보가 전송될 수 있다. 상기 주파수 영역은 주파수 축에서 연속인 하나 이상의 영역으로 구성되거나 주파수 축에서 불연속인 하나 이상의 영역으로 구성될 수 있다.

도 17은 본 발명의 실시예가 구현되는 무선 통신 시스템의 블록도이다.

기지국(800)은 프로세서(processor; 810), 메모리(memory; 820) 및 송수신부(transceiver; 830)를 포함할 수 있다. 프로세서(810)는 본 명세서에서 설명된 기능, 과정 및/또는 방법을 구현하도록 구성될 수 있다. 무선 인터페이스 프로토콜의 계층들은 프로세서(810)에 의해 구현될 수 있다. 메모리(820)는 프로세서(810)와 연결되어, 프로세서(810)를 구동하기 위한 다양한 정보를 저장한다. 송수신부(830)는 프로세서(810)와 연결되어, 무선 신호를 전송 및/또는 수신한다.

단말(900)은 프로세서(910), 메모리(920) 및 송수신부(930)를 포함할 수 있다. 프로세서(910)는 본 명세서에서 설명된 기능, 과정 및/또는 방법을 구현하도록 구성될 수 있다. 무선 인터페이스 프로토콜의 계층들은 프로세서(910)에 의해 구현될 수 있다. 메모리(920)는 프로세서(910)와 연결되어, 프로세서(910)를 구동하기 위한 다양한 정보를 저장한다. 송수신부(930)는 프로세서(910)와 연결되어, 무선 신호를 전송 및/또는 수신한다.

프로세서(810, 910)은 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 메모리(820, 920)는 ROM(read-only memory), RAM(random access memory), 플래쉬 메모리, 메모리 카드, 저장 매체 및/또는 다른 저장 장치를 포함할 수 있다. 송수신부(830, 930)는 무선 주파수 신호를 처리하기 위한 베이스밴드 회로를 포함할 수 있다. 실시예가 소프트웨어로 구현될 때, 상술한 기법은 상술한 기능을 수행하는 모듈(과정, 기능 등)로 구현될 수 있다. 모듈은 메모리(820, 920)에 저장되고, 프로세서(810, 910)에 의해 실행될 수 있다. 메모리(820, 920)는 프로세서(810, 910) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서(810, 910)와 연결될 수 있다.

상술한 예시적인 시스템에서, 상술된 본 발명의 특징에 따라 구현될 수 있는 방법들은 순서도를 기초로 설명되었다. 편의상 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로 설명되었으나, 청구된 본 발명의 특징은 단계들 또는 블록들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 다른 단계와 상술한 바와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.