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(19) 대한민국특허청(KR) (12) 공개특허공보(A)

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(1)

(19) 대한민국특허청(KR) (12) 공개특허공보(A)

(11) 공개번호 10-2017-0129377 (43) 공개일자 2017년11월27일 (51) 국제특허분류(Int. Cl.)

H04B 7/06 (2017.01) H01Q 1/24 (2006.01) H01Q 21/06 (2006.01) H01Q 3/26 (2006.01) H04B 7/08 (2017.01)

(52) CPC특허분류

H04B 7/0617 (2013.01) H01Q 1/246 (2013.01)

(21) 출원번호 10-2016-0059981 (22) 출원일자 2016년05월17일 심사청구일자 2016년09월22일

(71) 출원인

한국전자통신연구원

대전광역시 유성구 가정로 218 (가정동) (72) 발명자

김준형

대전광역시 유성구 계룡로52번길 11, 유성세움펠 리피아 1412호

회빙

대전광역시 유성구 문지로 14, 과기원교수아파트 2-202

(뒷면에 계속) (74) 대리인

팬코리아특허법인 전체 청구항 수 : 총 19 항

(54) 발명의 명칭 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치 및 방법 (57) 요 약

본 발명은 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는, 미리 정해진 빔 특 성에 따라 빔을 방사하여 기지국의 신호를 고속 이동체 내의 이동 단말에 송신하는 안테나부, 기지국과 이동 단 말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 위치 탐색부, 상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주 기를 설정하는 빔 설정부, 및 상기 빔 설정부에 의해 설정된 빔 설정값에 기초하여 상기 이동 단말의 빔을 탐색 하는 빔 탐색부를 포함한다.

대 표 도

(2)

(52) CPC특허분류

H01Q 21/064 (2013.01) H01Q 3/26 (2013.01) H01Q 3/267 (2013.01) H04B 7/0691 (2013.01) H04B 7/0695 (2013.01) H04B 7/0897 (2013.01) (72) 발명자

김일규

충청북도 옥천군 옥천읍 향수2길 39-1 이훈

대전광역시 유성구 지족북로 33, 104-202

정현규

대전광역시 유성구 가정로 43, 삼성한울아파트 110-904

이 발명을 지원한 국가연구개발사업 과제고유번호 R0101-16-0244 부처명 미래창조과학부

연구관리전문기관 정보통신기술진흥센터 연구사업명 ETRI 통합과제

연구과제명 초연결 스마트 모바일 서비스를 위한 5G 이동통신 핵심기술 개발 기 여 율 1/1

주관기관 한국전자통신연구원 연구기간 2015.03.01 ~ 2016.02.29

(3)

명 세 서 청구범위 청구항 1

기지국에 구비된 장치로서,

미리 정해진 빔 특성에 따라 빔을 방사하여 기지국의 신호를 고속 이동체 내의 이동 단말에 송신하는 안테나부;

기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 위치 탐색부;

상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 파악된 속도 및 이동방향에 따 라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 빔 설정부; 및

상기 빔 설정부에 의해 설정된 빔 설정값에 기초하여 상기 이동 단말의 빔을 탐색하는 빔 탐색부 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 2

청구항 1에 있어서, 상기 안테나부는,

제1 타입의 위상 배열 안테나(phased-array antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워 크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 3

청구항 2에 있어서, 상기 빔 설정부는,

기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 위상 배열 안테나 구조의 안테나 엘리먼트의 수를 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 설정하고, 각 안테나 엘리먼트의 위상을 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 방향을 설정하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 4

청구항 3에 있어서, 상기 빔 설정부는,

기지국과 이동 단말 간 거리가 가까울수록 안테나 엘리먼트를 적게 선택하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 넓게 설정 하고, 기지국과 이동 단말 간 거리가 멀수록 안테나 엘리먼트를 많이 선택하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 좁게 설 정하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 5

청구항 1에 있어서, 상기 안테나부는,

제2 타입의 복수 혼 안테나(multiple horn antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워 크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 6

청구항 5에 있어서, 상기 빔 설정부는,

(4)

기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 혼 안테나의 수를 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 커버리지를 설정하고, 빔 탐 색 그룹 내 혼 안테나의 위치를 조절하여 빔 방향을 설정하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 7

청구항 1에 있어서, 상기 빔 설정부는,

빔 탐색 그룹 중 상기 이동 단말의 이동 방향과 동일한 방향 및 반대 방향의 빔 탐색 그룹을 선택하되, 상기 이 동 단말의 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹을 더 선택하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크 의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 8

청구항 1에 있어서, 상기 위치 탐색부는,

TDoA(Time delay of arrival) 신호를 이용하여 기지국 및 이동 단말 간 거리를 탐색하는 것을 특징으로 하는 이 동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 9

청구항 1에 있어서, 상기 위치 탐색부는,

기지국과 이동 단말 간 하향링크 제어 채널을 이용해 상기 기지국 및 이동 단말 간 거리에 대한 2bit 거리 인덱 스를 상기 이동 단말로 송신하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 10

고속으로 이동하는 고속 이동체 내의 이동 단말에 구비된 장치로서,

미리 정해진 빔 특성에 따라 빔을 방사하여 기지국의 신호를 수신하는 안테나부;

기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 위치 탐색부;

상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 파악된 속도 및 이동방향에 따 라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 빔 설정부; 및

상기 빔 설정부에 의해 설정된 빔 설정값에 기초하여 상기 기지국의 빔을 탐색하는 빔 탐색부 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 11

청구항 10에 있어서, 상기 빔 설정부는,

빔 탐색 그룹 중 상기 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일한 방향 및 반대 방향의 빔 탐색 그룹을 선택하되, 상기 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹을 더 선택하는 것을 특징으로 하는 이동무선 백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 12

청구항 10에 있어서, 상기 위치 탐색부는,

TDoA(Time delay of arrival) 신호를 이용하여 기지국 및 이동 단말 간 거리를 탐색하며, 상향링크 제어 채널을 이용해 상기 기지국 및 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향에 대한 정보를 상향링크 제어 채널을 통해 상기

(5)

기지국으로 송신하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 13

기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 단계;

상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 안테나의 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 상기 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 단계; 및

상기 설정된 빔 설정값에 기초하여 빔 탐색을 수행하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 방법.

청구항 14

청구항 13에 있어서, 상기 안테나는,

제1 타입의 위상 배열 안테나(phased-array antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워 크의 빔 포밍 통신 방법.

청구항 15

청구항 14에 있어서, 상기 설정하는 단계는,

기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 위상 배열 안테나 구조의 안테나 엘리먼트의 수를 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 설정하는 단계; 및

각 안테나 엘리먼트의 위상을 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 방향을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하 는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 방법.

청구항 16

청구항 15에 있어서, 상기 설정하는 단계는,

기지국과 이동 단말 간 거리가 가까울수록 안테나 엘리먼트를 많이 선택하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 넓게 설정 하고, 기지국과 이동 단말 간 거리가 멀수록 안테나 엘리먼트를 적게 선택하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 좁게 설 정하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 방법.

청구항 17

청구항 13에 있어서, 상기 안테나는,

제2 타입의 복수 혼 안테나(multiple horn antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워 크의 빔 포밍 통신 장치.

청구항 18

청구항 17에 있어서, 상기 설정하는 단계는,

기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 혼 안테나의 수를 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 커버리지를 설정하는 단계;

빔 탐색 그룹 내 혼 안테나의 위치를 조절하여 빔 방향을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동무 선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 방법.

(6)

청구항 19

청구항 13에 있어서, 상기 설정하는 단계는,

빔 탐색 그룹 중 상기 이동 단말의 이동 방향과 동일한 방향 및 반대 방향의 빔 탐색 그룹을 선택하되, 상기 이 동 단말의 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹을 더 선택하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크 의 빔 포밍 통신 방법.

발명의 설명 기 술 분 야

본 발명은 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치 및 방법에 관한 것이다.

[0001]

배 경 기 술

KTX 고속철, 기차, 지하철 등과 같은 고속 이동체 내에는 기지국과 탐승객의 단말 사이에서 이동무선백홀 역할 [0002]

을 하는 이동 단말이 배치되며, 해당 이동 단말은 이동무선백홀 네트워크를 통해 기지국의 데이터를 수신하여 고속 이동체 내부의 탑승객 단말들에게 Wi-Fi나 펨토 셀(femto cell) 등의 기술로 인터넷 서비스를 제공한다.

현재 셀룰러 이동통신을 포함한 대부분의 무선통신시스템이 성능향상을 위해 빔포밍(beamforming) 기술을 도입 [0003]

하고 있다. 하지만 고속 이동체를 위한 이동무선백홀 시스템의 경우 이동 단말이 고속으로 이동하기 때문에 빔 포밍이 이동 단말의 이동속도를 따라가지 못할 경우 수신 신호의 크기가 크게 감쇄되기 때문에, 고속 이동체 내 의 이동 단말과 기지국이 빔포밍 기술을 이용하여 통신하기 위해서는 기지국과 이동 단말에서의 빔포밍 수행속 도가 극도로 빨라져야 한다.

특히, 넓은 주파수 대역의 활용이 가능한 SHF/EHF 등의 높은 주파수 대역은 전파경로 손실과 대기 감쇄 등으로 [0004]

일반 셀룰러 주파수 대역보다 샤프(sharp)한 빔포밍이 필요하며, 이런 빔이 고속의 이동체를 속도를 따라가지 못할 경우 성능 감쇄는 크게 증대될 수 있다.

선행기술문헌 특허문헌

(특허문헌 0001) 국내 공개특허공보 제2009-0116079호 [0005]

발명의 내용 해결하려는 과제

본 발명의 목적은, 고속이동체를 위한 이동무선백홀 네트워크의 특징을 적절히 활용하여 고속의 이동속도에 적 [0006]

응할 수 있는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 [0007]

과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

과제의 해결 수단

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장치는, 기지국에 구비된 장치로서, 미리 정해진 빔 특성에 따라 [0008]

빔을 방사하여 기지국의 신호를 고속 이동체 내의 이동 단말에 송신하는 안테나부, 기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 위치 탐색부, 상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 빔 설정부, 및 상기 빔 설정부에 의해 설정된 빔 설정값에 기초하여 상기 이동 단말의 빔을 탐색하는

(7)

빔 탐색부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 안테나부는, 제1 타입의 위상 배열 안테나(phased-array antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 한다.

[0009]

상기 빔 설정부는, 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 위상 배열 안테나 구조의 안테나 엘리먼트의 수를 조절 [0010]

하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 설정하고, 각 안테나 엘리먼트의 위상을 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 방향을 설정 하는 것을 특징으로 한다.

상기 빔 설정부는, 기지국과 이동 단말 간 거리가 가까울수록 안테나 엘리먼트를 적게 선택하여 빔 탐색 그룹의 [0011]

빔 폭을 넓게 설정하고, 기지국과 이동 단말 간 거리가 멀수록 안테나 엘리먼트를 많이 선택하여 빔 탐색 그룹 의 빔 폭을 좁게 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기 안테나부는, 제2 타입의 복수 혼 안테나(multiple horn antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 한다.

[0012]

상기 빔 설정부는, 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 혼 안테나의 수를 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 커버리지 [0013]

를 설정하고, 빔 탐색 그룹 내 혼 안테나의 위치를 조절하여 빔 방향을 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기 빔 설정부는, 빔 탐색 그룹 중 상기 이동 단말의 이동 방향과 동일한 방향 및 반대 방향의 빔 탐색 그룹을 [0014]

선택하되, 상기 이동 단말의 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹을 더 선택하는 것을 특징으로 한다.

상기 위치 탐색부는, TDoA(Time delay of arrival) 신호를 이용하여 기지국 및 이동 단말 간 거리를 탐색하는 [0015]

것을 특징으로 한다.

상기 위치 탐색부는, 기지국과 이동 단말 간 하향링크 제어 채널을 이용해 상기 기지국 및 이동 단말 간 거리에 [0016]

대한 2bit 거리 인덱스를 상기 이동 단말로 송신하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치는, 고속으로 이동하는 고속 이동체 내 [0017]

의 이동 단말에 구비된 장치로서, 미리 정해진 빔 특성에 따라 빔을 방사하여 기지국의 신호를 수신하는 안테나 부, 기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 위치 탐색부, 상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹 의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 빔 설정부, 및 상기 빔 설정부에 의해 설정된 빔 설정값에 기초하여 상기 기지국의 빔을 탐색하는 빔 탐색부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 빔 설정부는, 빔 탐색 그룹 중 상기 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일한 방향 및 반대 방향의 빔 탐색 [0018]

그룹을 선택하되, 상기 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹을 더 선택하는 것을 특징으 로 한다.

상기 위치 탐색부는, TDoA(Time delay of arrival) 신호를 이용하여 기지국 및 이동 단말 간 거리를 탐색하며, [0019]

상향링크 제어 채널을 이용해 상기 기지국 및 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향에 대한 정보를 상향링크 제 어 채널을 통해 상기 기지국으로 송신하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 [0020]

파악하는 단계, 상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 안테나의 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 상기 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 단계, 및 상기 설정된 빔 설정값에 기초하여 빔 탐색을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

발명의 효과

본 발명에 따르면, 고속 이동체 내의 이동 단말을 위한 이동무선백홀 네트워크에서 네트워크의 특징을 적절히 [0021]

이용하여 기지국과 고속 이동체 내의 이동 단말이 효율적이고 신속하게 빔포밍을 수행하도록 함으로써 고속으로 이동하는 고속 이동체 내의 이동 단말에 고성능의 빔포밍 기술 기반 이동무선백홀 서비스를 제공할 수 있는 이 점이 있다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치가 적용된 통신 시스템을 도시한 도면이다.

[0022]

도 2는 본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치에 적용되는 안테나 타입을 도

(8)

시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나의 빔 설정 동작을 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치에 적용되는 안테나 타입을 도 시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나의 빔 설정 동작을 도시한 도면이다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치의 거리에 따른 빔 특성 변화를 도시한 도면이 다.

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치의 속도에 따른 빔 특성 변화를 도시한 도면이 다.

도 11은 본 발명에 따른 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치가 적용된 시스템의 동작을 설명하는데 참조되는 도면 이다.

도 12는 본 발명에 따른 이동무선백홀 빔 포밍 통신 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호 [0023]

를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한 다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 [0024]

있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소 의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용 어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들 은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정 의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치가 적용된 통신 시스템을 도시한 도면이다.

[0025]

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 통신 시스템은 이동 단말(20) 및 기지국(30)을 포함할 수 있다.

[0026]

이동 단말(20)은 고속으로 이동하는 무선 중계 장치로서, 고속철, 기차 및 지하철과 같은 고속 이동체(10)에 설 [0027]

치되어 기지국(30)과 통신하며 기지국(30)으로부터의 이동무선백홀 데이터를 고속 이동체(10) 내부의 사용자 단 말들에 서비스하는 역할을 한다.

기지국(30)은 이동 단말(20)과 이동무선백홀 네트워크를 통해 신호를 송수신하며, 이동 단말(20)에 의해 요청된 [0028]

데이터를 이동무선백홀 네트워크를 통해 이동 단말(20)로 제공할 수 있다.

기지국(30)은 복수 개 구비될 수 있으며, 고속 이동체(10)의 철로 주변에 복수 개의 기지국(30)이 각각 일정한 [0029]

거리 단위로 배치될 수 있다. 이때, 고속 이동체(10)는 철로를 따라 정해진 일 방향으로만 이동한다. 따라서, 하나의 고속 이동체(10)에는 고속 이동체(10)의 이동방향과 반대 방향에 위치한 제1 기지국(D-RU#m)과 신호를 송수신하는 제1 이동 단말(T-RU#1)이 고속 이동체(10)의 후방에 설치될 수 있으며, 고속 이동체(10)의 이동방향 에 위치한 제2 기지국(D-RU#m+1)과 신호를 송수신하는 제2 이동 단말(T-RU#2)이 고속 이동체(10)의 전방에 설치 될 수 있다.

따라서, 고속 이동체(10)가 제1 기지국 및 제2 기지국 사이의 구간을 통과하는 경우, 제1 이동 단말은 제1 기지 [0030]

국과 신호를 송수신할 수 있으며, 제2 이동 단말은 제2 기지국과 신호를 송수신할 수 있다.

도 1에서, 제1 이동 단말 및 제2 이동 단말 사이의 거리는 dTRU, 제1 이동 단말 및 제2 이동 단말의 높이는 [0031]

hTRU, 이동 단말과 기지국 간 수평 거리는 dDRU_track, 각 기지국 사이의 거리는 dDRU이고, 이동 단말의 진행 방향은 x축으로 정의할 수 있다.

(9)

물론, 실시 형태에 따라 고속 이동체(10)의 중간 위치에도 하나 이상의 이동 단말(20)이 설치될 수 있음은 당연 [0032]

한 것이다. 다만, 본 발명의 실시예에서는 고속 이동체(10)의 전방 및 후방에 각각 제1 이동 단말 및 제2 이동 단말이 설치된 구조를 기준으로 설명하고자 한다.

여기서, 고속 이동체(10)는 고속으로 이동함에 따라 고속 이동체(10)에 설치된 이동 단말(20) 또한 고속으로 이 [0033]

동한다. 따라서, 이동 단말(20)과 기지국(30)은 이동무선백홀 링크의 성능을 높이기 위해 빔 포밍 기술을 이용 하여 통신을 수행한다.

본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치는 기지국(30) 및/또는 이동 단말(20) 내에 구비되 [0034]

어 고속 이동체(10)의 거리, 속도 및 이동방향 등에 따라 빔 포밍 특성을 제어하여 빔의 커버리지를 조절하도록 한다. 이로써, 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치는 고속 이동체(10)의 속도에 대응하여 기지국(30)과 이동 단말(20) 간의 신호 송수신 특성을 향상시키도록 한다.

이에, 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치에 대한 세부 구성은 도 2의 실시예를 참조하여 더욱 상세히 [0035]

설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치의 구성을 도시한 도면이다.

[0036]

본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치(100)는 이동 단말 및/또는 기지국 각각의 내부 제 [0037]

어 유닛들과 일체로 형성될 수 있으며, 별도의 장치로 구현되어 별도의 연결 수단에 의해 이동 단말 및/또는 기 지국 각각에 연결될 수도 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치(100)는 제어부(110), 안테나부 [0038]

(120), 통신부(130), 저장부(140), 위치 탐색부(150), 빔 설정부(160) 및 빔 탐색부(170)를 포함할 수 있다.

여기서, 제어부(110)는 본 발명에 따른 빔 포밍 통신 장치(100)의 각 부간에 전달되는 신호를 처리할 수 있다.

안테나부(120)는 미리 정해진 특성에 따라 빔을 방사하여 신호를 송신 및/또는 수신하는 역할을 한다. 이때, 안 [0039]

테나부(120)의 빔 방사 구조는 빔 설정부(160)에 의해 조절될 수 있다. 통신부(130)는 이동 단말 또는 기지국과 의 통신 인터페이스를 지원하며, 안테나부(120)를 통해 신호를 송수신하는 역할을 한다.

여기서, 안테나부(120)는 두 가지 타입으로 구현 가능하다. 일 예로서, 안테나부(120)는 도 3과 같이 제1 타입 [0040]

의 위상 배열 안테나(phased-array antenna) 구조로 구현될 수 있다. 이때, 안테나부(120)의 빔 폭 및 빔의 커 버리지는 빔 설정부(160)에 의해 조절될 수 있다.

빔 설정부(160)는 위상 배열 안테나의 안테나 엘리먼트들을 그룹핑 한다. 이때, 빔 설정부(160)는 거리에 따라 [0041]

그룹에 속하는 안테나 엘리먼트들의 개수를 다르게 구성하여 해당 그룹에 속한 안테나 엘리먼트들을 통해 빔폭 및 빔의 커버리지를 조절할 수 있다. 여기서, 안테나 엘리먼트를 그룹핑 시에 선택되는 안테나 엘리먼트들의 개 수는 이동 단말과 기지국 간 거리에 따라 달라질 수 있다.

제1 타입의 위성 배열 안테나는 송신에 사용되는 안테나 엘리먼트의 수가 많을수록 빔 폭을 좁게 형성할 수 있 [0042]

다. 따라서, 빔 설정부(160)는 이동 단말과 기지국간 거리가 먼 경우, 많은 수의 안테나 엘리먼트들을 포함하도 록 그룹핑하여 해당 그룹의 안테나 엘리먼트들에 의해 좁고 긴 형태의 빔이 형성되도록 할 수 있다.

한편, 제1 타입의 위성 배열 안테나는 송신에 사용되는 안테나 엘리먼트의 수가 적을수록 빔 폭을 넓게 형성할 [0043]

수 있다. 따라서, 빔 설정부(160)는 이동 단말과 기지국간 거리가 가까운 경우, 적은 수의 안테나 엘리먼트들을 포함하도록 그룹핑하여 해당 그룹의 안테나 엘리먼트들에 의해 넓고 짧은 형태의 빔이 형성되도록 할 수 있다.

제1 타입의 위성 배열 안테나 구조에서 거리(d)에 따라 안테나 엘리먼트들을 그룹핑하는 동작에 대한 실시예는 [0044]

도 4를 참조하도록 한다.

도 4를 참조하면, 거리(d)가 'd > a2 > a1' 인 경우에 그룹핑 된 그룹(Group 1)의 빔 개수가 'a2 > d > a1'인 [0045]

경우에 그룹핑 된 그룹(Group 2)의 빔 개수 보다 많은 것을 확인할 수 있으며, 거리(d)가 'a2 > d > a1' 인 경 우에 그룹핑 된 그룹(Group 2)의 빔 개수가 'a2 > a1 > d'인 경우에 그룹핑 된 그룹(Group 3)의 빔 개수 보다 많은 것을 확인할 수 있다.

이때, 빔 설정부(160)는 그룹에 속한 안테나 엘리먼트들의 위상(phase)을 조절하는 것으로써 빔의 방향을 제어 [0046]

하여 이동 단말 또는 기지국과 통신을 수행하는 것이 가능하게 된다.

다른 예로서, 안테나부(120)는 도 5와 같이 제2 타입의 복수 혼 안테나(multiple horn antenna) 구조로 구현될 [0047]

(10)

수도 있다. 제2 타입의 복수 혼 안테나 구조는 도 5에 도시된 바와 같이 복수 개의 혼 안테나로 구성될 수 있다.

마찬가지로, 안테나부(120)의 빔 폭 및 빔의 커버리지는 빔 설정부(160)에 의해 조절될 수 있다.

[0048]

이때, 빔 설정부(160)는 혼 안테나 구조에서 하나 또는 복수 개의 혼 안테나를 조합하여 빔의 커버리지를 조절 [0049]

할 수 있다. 다시 말해, 빔 설정부(160)는 제2 타입의 복수 혼 안테나 구조에서 복수 개의 혼 안테나를 그룹핑 한다. 이때, 빔 설정부(160)는 그룹에 속한 혼 안테나의 개수에 따라 빔의 커버리지를 조절할 수 있다.

또한, 빔 설정부(160)는 제2 타입의 복수 혼 안테나 구조에서 그룹에 속한 혼 안테나의 위치를 조절함으로써 빔 [0050]

의 방향을 제어할 수 있다.

제2 타입의 복수 혼 안테나 구조의 혼 안테나들을 그룹핑하는 동작에 대한 구체적인 실시예는 도 6을 참조하도 [0051]

록 한다.

도 6을 참조하면, 빔의 커버리지에 따라 그룹1, 그룹2, 그룹 3와 같이 서로 다른 개수의 혼 안테나를 선택하여 [0052]

그룹핑을 수행하고, 이때 선택된 혼 안테나의 위치를 조절하는 것으로써 빔 방향을 제어하는 것이 가능하게 된 다.

위치 탐색부(150)는 이동 단말 또는 기지국의 위치를 탐색하여 이동 단말과 기지국 간 거리를 확인하도록 한다.

[0053]

이때, 고속 이동체에 의해 이동 단말이 고속으로 이동하기 때문에, 위치 탐색부(150)는 Time delay of arrival(TDoA) 신호를 이용하여 위치를 탐색한다.

일 예로, 기지국의 경우, 위치 탐색부(150)는 이동 단말이 주기적으로 송신하는 TDoA 신호를 이용하여 이동 단 [0054]

말과 기지국 간 거리를 파악할 수 있다. 이때, 위치 탐색부(150)는 파악된 이동 단말과 기지국 간 거리 정보에 대한 2bit 거리 인덱스를 하향링크 제어 채널을 이용해 이동 단말로 송신하여 하향링크 제어 채널의 오버헤드를 감소시킬 수 있다.

이동 단말과 기지국 간 거리 정보에 대한 2bit 거리 인덱스는 아래 [표 1]과 같이 나타낼 수 있다.

[0055]

표 1

[0056]

다시 말해, 이동 단말과 기지국 간 거리가 0m 이상이고 80m 미만인 경우 2bit 거리 인덱스는 0 에 해당하는 [0057]

'00'이 될 수 있다. 또한, 이동 단말과 기지국 간 거리가 80m 이상이고 200m 미만인 경우 2bit 거리 인덱스는 1 에 해당하는 '01'이 될 수 있다. 또한, 이동 단말과 기지국 간 거리가 200m 이상이고 400m 미만인 경우 2bit 거 리 인덱스는 2에 해당하는 '10'이 될 수 있으며, 400m 이상에서 셀의 최대 커버리지 사이인 경우 2bit 거리 인 덱스는 3에 해당하는 '11'이 될 수 있다.

따라서, 위치 탐색부(150)는 이동 단말과 기지국 간 거리에 해당하는 2bit 거리 인덱스를 [표 1]로부터 추출하 [0058]

여 하항링크 제어 채널을 통해 이동 단말로 송신할 수 있다.

또한, 기지국의 위치 탐색부(150)는 이동 단말과 기지국 간 거리 정보를 이용하여 이동 단말의 속도 및 이동방 [0059]

향을 예측할 수 있다.

한편, 기지국의 위치 탐색부(150)는 TDoA 신호로부터 이동 단말의 위치 파악이 용이하지 않은 경우, 상향링크 [0060]

제어 채널을 통해 이동 단말로부터 이동 단말과 기지국 간 거리 정보, 이동 단말의 속도 및 이동방향에 대한 정

(11)

보를 수신할 수도 있다.

다른 예로, 이동 단말의 경우, 위치 탐색부(150)는 기지국이 주기적으로 송신하는 TDoA 신호를 이용하여 이동 [0061]

단말과 기지국 간 거리를 파악할 수 있다. 이때, 위치 탐색부(150)는 파악된 이동 단말과 기지국 간 거리 정보 에 대한 거리 정보를 상향링크 제어 채널을 이용해 기지국으로 송신할 수 있다.

물론, 위치 탐색부(150)는 하향링크 제어 채널을 통해 이동 단말과 기지국 간 거리 정보에 대한 2bit 거리 인덱 [0062]

스를 수신한 경우에는 파악된 거리 정보를 별도로 송신하지 않도록 한다.

이동 단말의 경우, 위치 탐색부(150)는 이동 단말의 속도 및 이동방향에 대한 정보를 알 수 있기 때문에 속도 [0063]

및 이동방향을 예측하기 위한 별도의 계산 과정은 생략하도록 한다.

이동 단말과 기지국 간 상대속도가 변화함에 따라 채널 코히런스 시간(coherence time)이 변화하고, 이동 단말 [0064]

과 기지국 간 거리가 변화함에 따라 기지국의 송신 빔에 대한 AoD(Angle of Departure)와 이동 단말의 수신 빔 에 대한 AoA(Angle of Arrival)의 변화속도가 달라진다. 거리 및 속도에 따른 AoD와 AoA의 변화속도는 도 7 내 지 도 10의 그래프를 통해 확인할 수 있다.

따라서, 빔 설정부(160)는 이동 단말 및 기지국 간 상대 거리, 상대 속도 및 이동 방향 등에 기초하여 빔 특성 [0065]

을 설정하도록 한다.

먼저, 빔 설정부(160)는 이동 단말 및 기지국 간 상대 거리에 따라 앞서 설명한 바와 같이 안테나부(120)의 빔 [0066]

폭을 설정할 수 있다. 또한, 빔 설정부(160)는 이동 단말 및 기지국 간 상대 속도 및 이동 방향에 기초하여 빔 탐색 범위를 결정하도록 한다.

빔 설정부(160)는 빔 탐색 시에 Ntotal,i 개의 빔 탐색 그룹 중 Nsub,i 개의 빔 탐색 그룹을 선택하도록 한다.

[0067]

이때, 빔 설정부(160)는 이동 단말 또는 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹 위주로 선 택할 수 있다.

여기서, Nsub,i는 아래 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

[0068]

수학식 1

[0069]

[수학식 1]에서, i는 0 이상의 정수, N(+)sub,i는 이동 단말 혹은 기지국이 송신 또는 수신 빔 포밍을 수행하고자 [0070]

하는 경우 상대적인 이동방향과 동일 방향의 빔 탐색 그룹의 개수를 의미하며, N(-)sub,i는 이동 단말 혹은 기지국 이 송신 또는 수신 빔 포밍을 수행하고자 하는 경우 상대적인 이동방향과 반대 방향의 빔 탐색 그룹의 개수를 의미한다. 이때, N(+)sub,i는 N(-)sub,i는 보다 큰 것으로 한다.

이와 같이, 빔 설정부(160)는 탐색 빔을 선택함에 있어서, 이동 단말 또는 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일 [0071]

한 방향의 빔을 더 많이 선택함으로써 빔 탐색 시의 효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 빔 설정부(160)는 이동 단말과 기지국 간 거리 및 상대속도에 따라 빔 탐색 주기를 설정할 수 있다.

[0072]

이때, 빔 설정부(160)는 이동 단말 및 기지국 간 상대속도가 빨라질 수록 빔 탐색 주기를 짧게 설정할 수 있다.

이동 단말과 기지국 간 거리 및 상대속도에 따른 빔 설정 값은 아래 [표 2]와 같이 나타낼 수 있다.

(12)

표 2

[0073]

[0074]

[표 2]에서, 제1 타입의 위상 조절 안테나의 경우, 빔 폭은 Wbeam,1 > Wbeam,0 Wbeam,2 > Wbeam,3 이고, 빔 탐색 그 [0075]

룹의 총 개수는 Ntotal,1 > Ntotal,0 Ntotal,2 > Ntotal,3 이 될 수 있다.

한편, 제2 타입의 복수 혼 안테나의 경우, 혼 안테나의 그룹 개수는 Wbeam,1 > Wbeam,0 Wbeam,2 > Wbeam,3 이고, 혼 [0076]

안테나 그룹 세트의 총 개수는 Ntotal,1 > Ntotal,0 Ntotal,2 > Ntotal,3 이 될 수 있다.

또한, 빔 탐색 주기는 T1,M-1 < T0,M-1 T2,M-1 < T3,M-1 이 될 수 있다. 만일, 이동 단말의 속도(Vy)가 Vi,0 < Vi,1 <

[0077]

… < Vi,M-1 (여기서, i = 0, 1, 2, 3) 인 경우, 이동 단말의 속도(Vy)가 빨라질 수록 빔 탐색 주기도 Ti,0 < Ti,1

(13)

< … < Ti,M-1 와 같이 점점 빠르게 설정할 수 있다.

빔 탐색부(170)는 빔 설정부(160)에 의해 설정된 빔 폭, 빔 탐색 그룹 및 빔 탐색 주기게 근거하여 안테나부 [0078]

(120)를 통해 빔 탐색을 수행하도록 한다.

일 예로, 기지국의 빔 탐색 동작은 도 11의 실시예를 참조하여 설명하도록 한다.

[0079]

도 11에 도시된 바와 같이, 고속 이동체가 제1 위치(P1)를 통과하는 경우 기지국 D-RU #m(30)과 이동 단말 T-RU [0080]

#1(20) 간 거리가 가까워 거리 인덱스 '01'에 해당하면, 기지국 D-RU #m(30)의 빔 포밍 통신 장치는 빔 폭을

Wbeam,1 로 설정하여 빔 폭이 넓고 짧게 형성되도록 하고, Ntotal,1 개의 빔 탐색 그룹 {B0, B2, … , BN_total,1} 중

이동 단말 T-RU #1(20) 방향으로 Nsub,1 개의 빔 탐색 그룹 {B0, B2, … , BN_sub,1}를 선택하여 이동 단말 T-RU

#1(20)에 대한 빔 탐색을 수행하도록 한다.

한편, 고속 이동체가 제1 위치(P1)에서 전방으로 위치 이동하여 제2 위치(P2)를 통과하는 경우 기지국 D-RU [0081]

#m(30)과 이동 단말 T-RU #1(20') 간 거리가 멀어져 거리 인덱스 '11'에 해당하면, 기지국 D-RU #m(30)의 빔 포밍 통신 장치는 빔 폭을 Wbeam,3 으로 설정하여 빔 폭이 좁고 길게 형성되도록 하고, Ntotal,3 개의 빔 탐색 그룹 {B0, B2, … , BN_total,3} 중 이동 단말 T-RU #1(20') 방향으로 Nsub,3 개의 빔 탐색 그룹 {B0, B2, … , BN_sub,3}를 선택하여 이동 단말 T-RU #1(20')에 대한 빔 탐색을 수행하도록 한다.

저장부(140)는 장치(100)가 동작하는데 필요한 데이터와 프로그램 등을 저장한다.

[0082]

일 예로, 저장부(140)는 장치(100)의 동작을 위한 빔 설정값 및 그룹핑 된 빔 탐색 그룹 정보가 저장될 수 있으 [0083]

며, 이동 단말 및 기지국 간 상대 위치 정보가 저장될 수 있다.

또한, 저장부(140)는 안테나부(120)의 빔을 조절하는 알고리즘, 설정된 값에 따라 빔 탐색을 수행하는 알고리즘 [0084]

을 포함할 수도 있다.

여기서, 저장부(140)는 플래시 메모리 타입(Flash Memory Type), 하드 디스크 타입(Hard Disk Type), 멀티미디 [0085]

어 카드 마이크로 타입(Multimedia Card Micro Type), 카드 타입의 메모리(예를 들면, SD 또는 XD 메모리 등), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크, 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), PROM(Programmable Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 중 적어도 하나의 저장매체를 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 장치의 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

[0086]

도 12는 본 발명에 따른 이동무선백홀 빔 포밍 통신 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.

[0087]

도 12를 참조하면, 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치는 TDoA 신호를 이용하여 이동 단말 및 기지국 간 거리를 확 [0088]

인하고(S110), 'S110' 과정에서 확인된 이동 단말 및 기지국 간 거리 정보에 기초하여 이동 단말의 속도 및 이 동방향을 예측하도록 한다(S120). 여기서, 기지국의 위치가 고정되어 기지국의 속도는 0 이므로, 이동 단말 및 기지국 간 상대속도는 이동 단말의 속도로 이해될 수 있다.

이후, 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치는 이동 단말 및 기지국 간 거리 및 이동 단말의 속도에 따라 빔 특성을 [0089]

설정하도록 한다(S130, S140).

일 예로, 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치는 이동 단말 및 기지국 간 거리 및 이동 방향에 따라 빔 폭, 방향 및 [0090]

빔 탐색 그룹을 설정할 수 있으며, 이동 단말의 거리 및 속도에 따라 빔 탐색 주기를 설정할 수 있다. 또한, 이 동무선백홀 빔 포밍 통신 장치는 이동 단말의 속도에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수를 설정할 수 있다.

이동 단말과 기지국 간 거리, 속도 및 이동방향 등에 따라 빔 특성의 설정이 완료되면, 이동무선백홀 빔 포밍 [0091]

통신 장치는 'S130' 및 'S140' 과정에서 설정된 값에 기초하여 빔 탐색을 수행하도록 한다(S150).

'S150' 과정에서 빔이 탐색되면, 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치는 탐색된 빔에 기초하여 통신 서비스를 제공 [0092]

하도록 한다(S160).

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에 [0093]

서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가

(14)

능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 [0094]

것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위 에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

부호의 설명

10: 고속 이동체 20: 이동 단말 [0095]

30: 기지국 100: 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치 110: 제어부 120: 안테나부

130: 통신부 140: 저장부 150: 위치 탐색부 160: 빔 설정부 170: 빔 탐색부

(15)

도면 도면1

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도면2

도면3

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도면4

(18)

도면5

도면6

(19)

도면7

도면8

도면9

(20)

도면10

도면11

도면12

참조

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