도 1은 무선 통신 시스템을 나타낸다. 무선 통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다.

도 1을 참조하면, 무선 통신 시스템은 단말(10; User Equipment, UE) 및 기지국(20; Base Station, BS)을 포함한다. 단말(10)은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, MS(Mobile Station), UT(User Terminal), SS(Subscriber Station), 무선기기(wireless device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 기지국(20)은 일반적으로 단말(10)과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 말하며, 노드-B(Node-B), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 하나의 기지국(20)은 적어도 하나의 셀(Cell)에 대해 서비스를 제공할 수 있다. 셀은 기지국(20)이 통신 서비스를 제공하는 영역이다. 일반적으로 하향링크(downlink)는 기지국(20)에서 단말(10)로의 통신을 의미하며, 상향링크(uplink)는 단말(10)에서 기지국(20)으로의 통신을 의미한다. 하향링크에서 전송기는 기지국(20)의 일부분일 수 있고, 수신기는 단말(10)의 일부분일 수 있다. 상향링크에서 전송기는 단말(10)의 일부분일 수 있고, 수신기는 기지국(20)의 일부분일 수 있다.

무선 통신 시스템이 채용하는 듀플렉스(duplex) 방식에는 제한이 없으며, TDD(Time Division Duplex), FDD(Frequency Division Duplex) 또는 H-FDD(Half-duplex FDD) 방식을 채택할 수 있다. TDD 방식은 상향링크 전송과 하향링크 전송이 동일한 주파수 대역을 차지하면서 서로 다른 시간에 이루어지는 것을 말한다. FDD 방식은 상향링크 전송과 하향링크 전송이 서로 다른 주파수 대역을 차지하고, 동시에 이루어지는 것을 말한다. H-FDD 방식은 상향링크 전송과 하향링크 전송이 서로 다른 주파수 대역을 차지하면서, 동시에 이루어질 수 없는 것을 말한다. 즉, H-FDD 방식은 상향링크 전송과 하향링크 전송이 서로 다른 주파수 대역에서 서로 다른 시간에 이루어진다.

무선 통신 시스템은 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템, MISO(Multiple Input Single Output) 시스템뿐만 아니라, SISO(Single Input Single Output) 시스템이나 SIMO(Single Input Multiple Output) 시스템일 수도 있다.

무선 통신 시스템이 채용하는 다중 접속 기법에는 제한이 없으며, 잘 알려진 TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access), CDMA(Code Division Multiple Access), SC-FDMA(Sinigle Carrier-Frequency Division Multiple Access) 또는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access)와 같은 다양한 다중 접속 기법을 채택할 수 있다. 무선 통신 시스템에서 상향링크와 하향링크의 다중 접속 기법을 달리할 수 있다. 예를 들어, 상향링크는 SC-FDMA를 사용하고, 하향링크는 OFDMA를 사용할 수 있다.

도 2는 랜덤 액세스 채널 구조의 예를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 랜덤 액세스 채널(random access channel, RACH)은 자원 영역 중 일정 부분에 할당된다. 자원 영역은 시간 축으로 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 심벌을 포함하고, 주파수 축으로 부반송파를 포함할 수 있다. 랜덤 액세스 채널은 집중된(localized) 부반송파들의 묶음에 할당될 수 있다. 또는, 주파수 축이 분산된(distributed) 부반송파들을 묶어 논리적(logical) 자원 영역으로 설정되는 경우, 랜덤 액세스 채널은 논리적 자원 영역의 일부에 할당될 수 있다. 단말은 랜덤 액세스 채널을 통해 랜덤 액세스 신호(random access signal)를 전송한다. 즉, 단말은 랜덤 액세스 채널로 할당된 자원 영역에 랜덤 액세스 신호를 삽입하여 전송한다. 랜덤 액세스 채널은 랜덤 액세스 신호의 길이보다 길게 할당될 수 있다. 이때, 랜덤 액세스 신호의 라운드 트립 지연(round trip delay)을 고려하여 랜덤 액세스 채널이 할당될 수 있다.

랜덤 액세스 신호는 프리앰블(Preamble)로 구성된다. 랜덤 액세스 신호는 CP(Cyclic Prefix)를 더 포함할 수 있다.

프리앰블은 프리앰블 시퀀스(preamble sequence)를 통해 생성된다. 프리앰블 시퀀스에는 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation) 시퀀스, 의사 랜덤(Pseudo-Random) 시퀀스 등이 사용될 수 있다. CAZAC 시퀀스의 예로는 GCL(Generalized Chirp-Like) 시퀀스, ZC(Zadoff-Chu) 시퀀스 등이 있다. 의사 랜덤 시퀀스는 폴리노미얼 생성기(polynomial generator)에 의해 구현될 수 있다. 의사 랜덤 시퀀스의 구현은 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 표준 802.16-2004 "Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems"의 8.4.7.3절을 참조할 수 있다.

복수의 프리앰블 시퀀스를 원소로 하는 시퀀스 집합이 정해져 있는 경우, 단말은 시퀀스 집합으로부터 프리앰블 시퀀스를 선택한다. 단말은 선택된 프리앰블 시퀀스를 통해 프리앰블을 생성한다. 프리앰블은 생성 근거에 따라서 시간 영역에서 생성되거나, 주파수 영역에서 생성될 수 있다.

시간 영역에서 프리앰블을 생성하는 방법으로 프리앰블을 직접 삽입(direct interpolation)하는 방법이 있다. 주파수 영역에서 프리앰블을 생성하는 방법으로 프리앰블 시퀀스를 부반송파에 직접 맵핑하는 방법이 있다. 시간 영역 또는 주파수 영역에서 프리앰블을 생성하는 다른 방법은 다음과 같다.

도 3은 시간 영역에서 프리앰블을 생성하는 방법의 예를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 프리앰블 시퀀스에 DFT(Discrete Fourier Transform), IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)가 순서대로 적용되어 프리앰블 신호가 생성된다. 보다 자세하게, 시간 영역의 프리앰블 시퀀스에 DFT를 수행하여 주파수 영역 심벌이 출력된다. 주파수 영역 심벌에 IFFT를 수행하여 시간 영역의 프리앰블이 생성된다. 이를 통해 프리앰블이 오버샘플링(oversampling)된다.

도 4는 주파수 영역에서 프리앰블을 생성하는 방법의 예를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 프리앰블 시퀀스에 IFFT를 적용하여 프리앰블 신호가 생성된다. 즉, 주파수 영역의 프리앰블 시퀀스에 IFFT를 수행하여 시간 영역의 프리앰블이 생성된다.

랜덤 액세스 신호는 반복 구조를 가질 수 있다. 시간 영역에서 프리앰블의 반복 패턴이 만들어지는 경우, 단순히 프리앰블 시퀀스가 반복 처리될 수 있다. 또는, 하나의 프리앰블 시퀀스를 업샘플링(upsampling)한 신호가 단순 반복되거나 처리될 수 있다. 주파수 영역에서 프리앰블의 반복 패턴이 만들어지는 경우, 프리앰블 시퀀스가 부반송파에 적용될 때 부반송파의 0, x, 2x, 3x, …와 같이 적용된다. 이를 통해 x번의 프리앰블 반복 패턴이 생성될 수 있다.

랜덤 액세스 신호가 CP를 포함하지 않는 경우, 프리앰블 시퀀스로부터 생성된 프리앰블이 랜덤 액세스 신호가 된다. 단말은 생성된 프리앰블을 바로 전송할 수 있다. 랜덤 액세스 신호가 CP를 포함하는 경우, 생성된 프리앰블에서 CP 길이만큼의 일부가 복사되어 프리앰블에 CP가 추가된다. IEEE 802.16의 경우, 랜덤 액세스 신호는 CP와 반복 구조를 갖는다.

채널 정보가 유효하지 않으므로, 기지국은 논-코히어런트(non-coherent) 방식으로 랜덤 액세스 신호를 검출한다. 논-코히어런트 방식은 채널 추정(channel estimation) 과정을 수행하지 않고 수신 신호로부터 특정 시퀀스를 검출하는 방식이다. 기지국은 모든 가능한 신호 구조를 검출하는 과정을 수행하여 특정 프리앰블 시퀀스 검출을 시도한다. 예를 들어, 기지국은 시퀀스 집합에 있는 모든 프리앰블 시퀀스에 대해 검출을 시도하여, 특정 프리앰블 시퀀스를 검출한다. 기지국은 검출된 특정 프리앰블 시퀀스를 단말을 구분하기 위한 ID(Identifier)로 사용할 수 있다. 기지국은 검출된 특정 프리앰블 시퀀스에 대응하는 랜덤 액세스 응답(response) 메시지를 브로드캐스트(broadcast)한다.

응답 메시지가 단말이 전송한 프리앰블 시퀀스에 대응하는 경우, 단말은 응답 메시지에 따라 동기화 과정을 수행하여 상향링크 동기를 마무리한다. 이를 통해, 단말은 네트워크에 진입(network entry)할 수 있다.

기존 시스템의 랜덤 액세스 채널에서는 단일 안테나 단말을 가정하여 프리앰블이 전송되고, 기지국에서는 다중 안테나를 통해서 수신 다이버시티 이득를 얻을 수 있다. 그런데, 이는 차세대 무선 통신 시스템에서 사용되게 될 다중 안테나 단말에는 적절하지 않다. 다중 안테나 시스템의 경우 RF(Radio Frequency) 체인(chain)이 여러 개 존재한다. 각각의 RF 체인이 내는 파워의 양은 제한이 된다. 다중 안테나 단말의 경우, 각 안테나에서의 출력 파워의 합이 단말의 총 출력 파워가 된다. 단말에서 출력 파워를 최대한으로 설정하고, 단말의 모든 안테나에서 기존의 프리앰블 전송 방법대로 프리앰블이 전송되면, 기지국에서 프리앰블 수신이 제대로 되지 않는 문제가 생길 수 있다. 기지국에서 수신되는 프리앰블이 소멸 축적(destructive signal accumulation)될 수 있기 때문이다.

TDD 방식은 상향링크 채널의 특성과 하향링크 채널의 특성이 거의 상보적(reciprocal)인 채널 상보적 특성(channel reciprocal property)이 있다. 따라서, 단말은 하향링크 채널 특성을 통해 상향링크 채널의 특성을 예측할 수 있다. 그러나, TDD 방식을 제외하면, 단말이 상향링크 채널의 특성을 알기는 어렵다. 채널의 불확실성과 단말이 사용하는 다중 안테나 개수의 불확실성으로 인해, 기지국에서 프리앰블을 보강되게(constructive) 수신할 수 있다는 보장이 없다. 따라서, 단말의 각 안테나마다 전송되는 각각의 프리앰블은 기지국에서 구분될 수 있도록 전송되어야 한다. 단말은 단말의 성능에 따라 하나의 안테나만을 가지거나, 2개 이상의 다중 안테나를 가질 수 있다. 따라서, 프리앰블을 생성함에 있어서 단일 안테나 단말과 다중 안테나 단말 간에 구분이 없는 프리앰블이 생성되어야 한다. 기지국에서도 단말의 안테나 개수에 상관없는 수신 기법이 적용될 수 있어야 한다. 단말은 기지국으로 단말의 안테나 개수를 프리앰블 전송을 통해 알려줄 수도 있다.

도 5는 다중 안테나를 이용하여 랜덤 액세스 프리앰블을 송신/수신하는 무선 통신 시스템의 예를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 단말(100)은 프리앰블 생성기(Preamble Generator, 110) 및 복수의 안테나(190-1, 190-2, …, 190-M, M은 자연수)를 포함한다. 프리앰블 생성기(110)는 복수의 안테나 각각에 대응하는 프리앰블(Preamble 1, Preamble 2, …, Preamble M)들을 생성한다. 복수의 안테나 각각은 기지국(200)으로 각각의 프리앰블을 전송한다.

기지국(200)은 프리앰블 검출기(Preamble Detector, 210) 및 복수의 안테나(290-1, 290-2, …, 290-N, N은 자연수)를 포함한다. 기지국(200)은 무선 채널을 거친 신호를 수신한다. 기지국(200)은 수신 신호로부터 단말(100)이 전송한 프리앰블을 검출한다.

단말이 다중 안테나를 지원하는 랜덤 액세스를 위한 프리앰블을 생성하는 방법은 다양할 수 있다. 이하, 도 6 내지 도 12를 이용하여 단말이 다중 안테나를 지원하는 랜덤 액세스를 위한 프리앰블 생성 방법을 상술한다. 도 6 내지 12는 단말이 4개의 안테나(ANT A, ANT B, ANT C, ANT D)를 사용하는 경우를 표현하나, 이는 단말의 안테나 개수를 한정하는 것은 아니다.

(1) 단말의 모든 안테나가 동일한 프리앰블 사용

도 6은 단말의 모든 안테나가 동일한 프리앰블을 사용하는 경우를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 단말은 프리앰블을 생성한다. 프리앰블은 도 3 또는 4와 같은 방법으로 생성될 수 있다. 단말은 단말의 안테나 개수에 상관없이 모든 안테나에서 동일한 프리앰블을 사용한다. 단말은 프리앰블을 다른 처리 없이 각 안테나를 통해 동시에 전송할 수 있다. 또는, 단말은 프리앰블에 각 안테나에 대응하여 신호 변형(signal modification) 과정을 수행할 수 있다. 신호 변형 과정은 단말이 부가적인 정보를 알 수 있는 경우, 기지국에서 프리앰블이 보강되어 수신되도록 하기 위해 수행된다. 부가적인 정보는 채널 상관도(channel correlation), 채널 정보 등이다.

생성된 프리앰블은 각 안테나 별 모듈(module)로 입력된다. 각 안테나별 모듈로 입력되는 프리앰블은 동일하다. 각 안테나별 모듈은 프리앰블을 변형시킨다. 예를 들어, 안테나 A('ANT A'로 표시됨)는 모듈 A('Mod A'로 표시됨)를 통해 프리앰블을 변형시키고, 안테나 B('ANT B'로 표시됨)는 모듈 B('Mod B'로 표시됨)를 통해 프리앰블을 변형시키고, 안테나 C('ANT C'로 표시됨)는 모듈 C('Mod C'로 표시됨)를 통해 프리앰블을 변형시키고, 안테나 D('ANT D'로 표시됨)는 모듈 D('Mod D'로 표시됨)를 통해 프리앰블을 변형시킨다.

각 안테나별 모듈은 기지국에서 수신 신호가 보강될 수 있도록, 프리앰블의 극성를 정하거나, 위상(phase)을 보정할 수 있다. 안테나 사이에 채널 상관도(channel correlation)가 클 경우, 상관도의 부호에 따라서 신호에 극성(polarity, '+' 또는 '-')이 적용되어 전송될 수 있다. 위상은 시간 영역 또는 주파수 영역에서 보정될 수 있다. 각 안테나별 모듈을 통해 변형된 프리앰블은 각 안테나를 통해 전송된다.

TDD 시스템의 경우, 단말은 채널 상보적 특성을 이용하여 부가적인 정보를 알 수 있다. 그러나, FDD 시스템의 경우, 채널 상보적 특성을 이용할 수 없고, 안테나 사이의 상관도 특징도 가정할 수 없다. 따라서, FDD 시스템에서 단말의 모든 안테나가 동일한 프리앰블을 사용하는 방법은 특정한 상황에 한하여 가능할 수 있다.

(2) 랜덤 액세스 채널을 여러 개 사용하는 경우

도 7은 랜덤 액세스 채널(RACH)을 여러 개 사용하는 경우를 나타낸다. 시간 축과 주파수 축으로 이루어진 자원 영역에서 4개의 랜덤 액세스 채널(RACH 1, RACH 2, RACH 3, RACH 4)이 표현되고 있으나, 이는 랜덤 액세스 채널의 개수를 제한하는 것은 아니다.

도 7을 참조하면, 시간 영역의 일정 구간에서 여러 개의 랜덤 액세스 채널이 동시에 정의된다. 여러 개의 랜덤 액세스 채널은 각각 서로 다른 주파수 영역을 사용함으로써 구별될 수 있다. 단말은 안테나별로 여러 개 랜덤 액세스 채널 중 하나의 랜덤 액세스 채널을 선택한다. 단말은 각 안테나마다 선택된 랜덤 액세스 채널을 통해 프리앰블을 전송한다. 각 안테나에서 전송되는 프리앰블은 동일하거나, 다를 수 있다. 예를 들어, 4개의 랜덤 액세스 채널(RACH 1, RACH 2, RACH 3, RACH 4)을 정의하고, 단말은 4개의 안테나(ANT A, ANT B, ANT C, ANT D)를 사용한다. 각 안테나마다 하나의 랜덤 액세스 채널을 선택한다. 안테나 A(ANT A)는 RACH 1을 선택하여 제1 프리앰블(Preamble 1)을 전송한다. 안테나 B(ANT B)는 RACH 2를 선택하여 제2 프리앰블(Preamble 2)를 전송한다. 안테나 C(ANT C)는 RACH 3을 선택하여 제3 프리앰블(Preamble 3)을 전송한다. 안테나 D(ANT D)는 RACH 4를 선택하여 제4 프리앰블(Preamble 4)를 전송한다. 단말의 안테나 개수가 정의된 랜덤 액세스 채널 수보다 작을 경우에는 단말은 안테나 개수만큼만 랜덤 액세스 채널을 선택하여 프리앰블을 전송할 수 있다.

기지국에서는 프리앰블을 검출함에 있어서 랜덤 액세스 채널을 통해서 단말의 안테나 정체성을 파악할 수 있다. 랜덤 액세스 채널 간(inter-random access channel)의 조합(combination)을 통해서, 기지국은 여러 랜덤 액세스 채널을 통해서 수신된 프리앰블 시퀀스들 각각에 대해 다중 안테나 단말로부터 전송된 신호인지, 단일 안테나 단말로부터 전송된 신호인지 여부를 파악할 수 있다.

이 방법은 단일 안테나 단말이나 다중 안테나 단말 모두 구분되지 않고 사용할 수 있다. 즉, 단말의 안테나 개수에 상관없이 사용할 수 있다. 그러나, 랜덤 액세스 채널을 위해 더 많은 주파수 자원이 필요할 수 있다. 또, 랜덤 액세스 채널 간의 시간 간격이 길어질 수 있다.

(3) 단말의 각 안테나가 독립된 프리앰블 시퀀스를 사용하는 경우

도 8은 단말의 각 안테나가 독립된 프리앰블 시퀀스를 사용하는 경우를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 단말의 각 안테나마다 프리앰블 시퀀스들의 집합에서 독립적으로 프리앰블 시퀀스를 선택한다. 예를 들어, 안테나 A(ANT A)는 시퀀스 집합 A로부터 시퀀스 A를 프리앰블 시퀀스로 선택하여 전송한다. 안테나 B(ANT B)는 시퀀스 집합 B로부터 시퀀스 B를 프리앰블 시퀀스로 선택하여 전송한다. 안테나 C(ANT C)는 시퀀스 집합 C로부터 시퀀스 C를 프리앰블 시퀀스로 선택하여 전송한다. 안테나 D(ANT D)는 시퀀스 집합 D로부터 시퀀스 D를 프리앰블 시퀀스로 선택하여 전송한다. 즉, 각 안테나에 대해 독립된 프리앰블 시퀀스를 사용하여 프리앰블을 생성하는 방법이다. 하나의 단말은 안테나 개수만큼의 독립된 시퀀스를 사용한다. 단말은 각 안테나에서 사용할 프리앰블 시퀀스를 선택함에 있어서 자유도를 갖는다. 이때, 프리앰블 시퀀스를 선택하는 시퀀스 집합은 각 안테나마다 동일할 수도 있고, 각 안테나마다 다를 수도 있다. 각 안테나마다 서로 다른 시퀀스 집합을 사용하는 경우, 복수의 시퀀스 집합 중 적어도 하나의 시퀀스 집합은 셀 내 단일 안테나 단말이 사용하는 시퀀스 집합과 같을 수 있다. 또는, 각 안테나마다 다른 시퀀스 집합들은 단일 안테나 단말이 사용하는 시퀀스 집합과 겹치는 부분이 있을 수 있다. 이 경우, 시퀀스 집합은 서로 상호 상관(cross-correlation)이 작은 시퀀스들로 이루어지는 것이 적절하다. 반면, 단일 안테나 단말이 사용하는 시퀀스 집합과 다중 안테나 단말이 사용하는 시퀀스 집합을 다르게 정의할 수도 있다.

기지국은 프리앰블 시퀀스의 조합을 통해서 프리앰블을 검출한다. 기지국은 검출된 프리앰블이 단일 안테나 단말로부터 수신된 것인지, 다중 안테나 단말로부터 수신된 것인지 파악할 수 있다.

(4) 단말의 각 안테나가 시간 지연을 통해 프리앰블을 전송하는 경우

단말은 안테나 간에 일정한 시간 오프셋을 정해서 상호 지연(delay)된 형태로 각 안테나마다 프리앰블을 전송한다. 지연의 구현 형태는 단순 시간지연이나 순환 지연(cyclic delay)를 적용할 수 있다. 각 안테나마다 동일한 프리앰블 시퀀스를 사용하거나, 다른 프리앰블 시퀀스를 사용할 수 있다. 각 안테나마다 동일한 시퀀스를 사용하는 경우, 기지국은 단말의 안테나의 개수에 상관없이 프리앰블 시퀀스를 검출하는 과정을 한번 수행할 수 있다. 각 안테나마다 다른 프리앰블 시퀀스를 사용하는 경우, 기지국은 프리앰블 시퀀스 검출 과정을 여러 차례 수행해야 한다. 기지국은 프리앰블 시퀀스의 조합을 통해서 검출된 프리앰블이 다중 안테나 단말의 프리앰블인지, 단일 안테나 단말의 프리앰블인지 파악할 수 있다.

도 9는 단말의 각 안테나에서 시간 지연을 통해 프리앰블을 전송하는 일 예를 나타낸다.

도 9를 참조하면, 단말의 각 안테나마다 전송되는 프리앰블은 전송 시간 상으로 상호 오프셋을 가진다. 예를 들어, 단말은 안테나 A(ANT A)를 통해 제1 프리앰블(Preamble 1)을 전송하고, 제1 프리앰블 전송으로부터 일정 지연 후, 단말은 안테나 B(ANT B)를 통해 제2 프리앰블(Preamble 2)을 전송한다. 제2 프리앰블 전송으로부터 일정 지연 후, 단말은 안테나 C(ANT C)를 통해 제3 프리앰블(Preamble 3)을 전송한다. 제3 프리앰블 전송으로부터 일정 지연 후, 단말은 안테나 D(ANT D)를 통해 제4 프리앰블(Preamble 4)을 전송한다. 각 프리앰블들은 서로 동일하거나, 다를 수 있다. 각 안테나에서 전송되는 프리앰블들이 서로 간에 일정한 지연을 갖는 형태이다. 안테나에서 전송되는 프리앰블은 시간적으로 임의 간격을 가지도록 설정될 수 있다. 임의 간격은 안테나마다 서로 다를 필요는 없다. 또, 각 안테나마다 상호 지연 차를 설정함에 있어서 채널의 지연 프로파일(delay profile)을 고려할 수 있다. 또, 각 안테나마다의 상호 지연 차는 OFDM 심볼의 CP(Cyclic Prefix) 길이를 기준으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 각 안테나마다의 상호 지연 차는 CP의 배수로 설정할 수 있다.

기지국에서 수신되는 단말의 각 안테나로부터 전송된 각 프리앰블들은 서로 간에 채널 응답이 겹치지 않아 온전히 따로 수신이 가능하다.

도 10은 단말의 각 안테나에서 시간 지연을 통해 프리앰블을 전송하는 다른 예를 나타낸다.

도 10을 참조하면, 각 안테나에서 전송되는 프리앰블은 각 안테나마다 일정한 지연만큼 순환 쉬프트(circular shift)된 것이다. 이는 도 9와 달리 프리앰블을 순환 쉬프트해서 전송하는 방식이다. 따라서, 프리앰블 자체가 전송되는 절대적인 타이밍은 단말의 모든 안테나에서 같도록 설정할 수 있다. 예를 들어, 안테나 A는 제1 프리앰블을 d1만큼 순환 쉬프트하고, 안테나 B는 제2 프리앰블을 d2만큼 순환 쉬프트하고, 안테나 C는 제3 프리앰블을 d3만큼 순환 쉬프트하고, 안테나 D는 제4 프리앰블을 d4만큼 순환 쉬프트한다. 각 안테나마다 전송되는 프리앰블은 서로 간의 일정한 순환 지연(circular delay)를 갖는 형태이다. 이와 같은 구현은 배치 프로세싱(batch processing)이 용이하다.

도 9와 도 10이 혼합된 형태의 구현도 가능하다. 이 경우, 각 안테나에서 전송되는 프리앰블은 서로 다른 것이 사용될 수 있다.

(5) 단말의 각 안테나에서 전송되는 프리앰블이 프리앰블 시퀀스의 일부인 경우

각 안테나에서 전송되는 프리앰블은 하나의 선택된 프리앰블 시퀀스로부터 구현된다. 단말의 각 안테나에 적용될 시퀀스는 선택된 프리앰블 시퀀스를 펑처링(puncturing)한 형태로 구현될 수 있다. 펑처링된 형태는 시간 영역 또는 주파수 영역에서 적용될 수 있다. 시간 영역에서 펑처링된 형태는 프리앰블을 오버샘플링(oversampling)하여 전송하는 것이다. 주파수 영역에서 펑처링된 형태는 특정 안테나에서 전송되는 프리앰블이 특정 부반송파 집합(subcarrier set)에만 적용되는 형태를 가정할 수 있다. 이와 같이 프리앰블을 생성하는 경우에는 랜덤 액세스 채널에 사용되는 프리앰블 시퀀스 집합에 대한 변화가 필요하지 않다. 모든 단말은 모두 동일한 수신 신호 구조를 생성할 수 있게 된다.

도 11은 단말의 각 안테나에서 전송되는 프리앰블이 프리앰블 시퀀스의 일부인 경우의 예를 나타낸다.

도 11을 참조하면, 프리앰블 시퀀스는 복수의 요소들로 구성된다. 단말은 프리앰블 시퀀스를 복수의 안테나 각각에 대응하는 시퀀스 부분집합(subset)들로 구분한다. 즉, 프리앰블 시퀀스를 구성하는 복수의 요소들을 여러 개의 부분집합으로 구분하는 것이다. 각 안테나(ANT A, ANT B, ANT C, ANT D)마다 프리앰블 시퀀스 중 긴 막대로 표현된 시퀀스의 요소들을 시퀀스 부분집합으로 한다. 안테나 개수에 따라 나눠지는 시퀀스 부분집합이 달라진다. 예를 들어, 단말의 안테나 수가 2개인 경우에는 프리앰블 시퀀스가 2개의 시퀀스 부분집합으로 구분된다. 단일 안테나 단말의 경우에는 전체 프리앰블 시퀀스를 단일 안테나를 통해 전송한다.

각 안테나마다 대응하는 시퀀스 부분집합들은 서로 중복되지 않도록 할 수 있다(disjoint). 즉, 각 부분집합들 간에 공통되는 요소가 없을 수 있다. 각 안테나는 각 안테나에 대응하는 시퀀스 부분집합을 선택한다. 각 안테나는 선택된 시퀀스 부분집합만을 이용하여 프리앰블을 생성하여 전송한다. 각 안테나마다 작게 표시된 막대는 시퀀스 부분집합을 제외한 선택되지 않은 나머지 부분이다. 나머지 부분은 모두 크기가 0인 것으로 설정할 수 있다. 또는, 선택되지 않은 나머지 작은 막대 부분에 신호를 약하게 해서 전송할 수 있다. 작은 막대 부분의 사용 여부에 상관없이, 단말은 시간 영역에서 프리앰블을 생성하여 전송할 수 있다. 시간 영역에서 프리앰블을 전송하는 경우, 총 출력 파워가 각 심볼 위치에서 최대가 되지 않는 현상이 발생할 수 있다.

단말이 사용하는 프리앰블 시퀀스는 하나이다. 프리앰블 시퀀스는 프리앰블 시퀀스들의 집합으로부터 임의로 선택될 수 있다. 프리앰블 시퀀스들의 집합은 CAZAC 시퀀스로부터 생성될 수 있다. 예를 들어, 프리앰블 시퀀스 집합은 원시(root) ZC 시퀀스 및 상기 원시 ZC 시퀀스로부터 순환 쉬프트(cyclic shift) 단위로 순환 쉬프트된 시퀀스들로 구성될 수 있다. 원시 ZC 시퀀스는 하나 이상일 수 있다.

원시 인덱스(root index) u인 원시 ZC 시퀀스는 다음 수학식과 같이 정의될 수 있다.

수학식 1

여기서, N은 ZC 시퀀스의 길이로, n은 0≤n≤N-1이다. u는 N이하의 자연수이고, u와 N은 서로소(relatively prime)이다. N이 소수(prime)라면, 원시 인덱스 u의 개수는 N-1이 된다.

원시 인덱스 u인 원시 ZC 시퀀스로부터 순환 쉬프트된 시퀀스는 다음 수학식과 같이 정의될 수 있다.

수학식 2

여기서, C _v 는 순환 쉬프트 단위이다.

기지국은 단말로 원시 ZC 시퀀스에 대한 정보 및 순환 쉬프트 단위에 대한 정보를 브로드캐스트할 수 있다. 원시 ZC 시퀀스에 대한 정보는 원시 인덱스에 대한 정보일 수 있다. 셀 내 단말은 원시 ZC 시퀀스에 대한 정보 및 순환 쉬프트 단위에 대한 정보를 수신하여 프리앰블 시퀀스 집합을 생성할 수 있다.

도 12는 각 안테나에서 전송되는 프리앰블이 프리앰블 시퀀스의 일부인 경우의 다른 예를 나타낸다.

도 12를 참조하면, 단말은 프리앰블 시퀀스로부터 프리앰블을 생성할 때, 안테나마다 다른 부반송파를 사용한다. 각 안테나마다 프리앰블 시퀀스가 서로 다른 부반송파 부분집합에 맵핑되는 것이다.

단말은 복수의 부반송파를 복수의 안테나 각각에 대응하는 부반송파 부분집합들로 구분한다. 즉, 복수의 부반송파를 여러 개의 부분집합으로 구분하는 것이다. 안테나 개수에 따라 나눠지는 부반송파 부분집합이 달라진다. 예를 들어, 단말의 안테나 수가 2개인 경우에는 복수의 부반송파를 2개의 부반송파 부분집합으로 구분할 수 있다. 단일 안테나 단말의 경우에는 프리앰블 시퀀스를 상기 복수의 부반송파 모두에 맵핑하여 프리앰블을 생성할 수 있다.

복수의 안테나 각각마다 대응하는 부반송파 부분집합을 이용하여 프리앰블 시퀀스로부터 프리앰블을 생성한다. 단말은 복수의 안테나 각각마다 생성된 프리앰블을 전송한다. 각 안테나마다 대응하는 부반송파 부분집합들은 서로 중복되지 않도록 할 수 있다. 즉, 각 부반송파 부분집합들 간에 공통되는 부반송파가 없을 수 있다.

이는 단말이 프리앰블 시퀀스로부터 각 안테나에서 전송할 프리앰블을 주파수 영역에서 적용하는 것이다. 주파수 영역에서 프리앰블 시퀀스로부터 프리앰블을 생성할 때, 단말은 각 안테나에서 사용할 부반송파 부분집합을 선택한다. 즉, 안테나마다 특정 부반송파 부분집합만을 사용하는 경우로 해석할 수 있다. 각 안테나마다 선택되지 않은 부반송파 인덱스도 사용한다면 모든 부반송파를 프리앰블 생성을 위해서 사용하는 경우로 볼 수 있다. 하지만, 기지국에서 각 안테나로부터 오는 프리앰블을 구분하기 위해서는 선택되지 않은 부반송파 인덱스의 부반송파는 사용하지 않는 것이 바람직하다. 이와 같이 주파수 영역에서 프리앰블을 생성하는 경우, 프리앰블에 대한 전송 파워를 모든 안테나로부터 최대로 얻을 수 있다.

기지국에서는 단말의 송신 안테나 개수에 상관없이 동일한 프리앰블 시퀀스의 총합을 받게 된다. 기지국과 단말의 각 안테나별로 서로 다른 채널이 생성되어도, 기지국은 프리앰블을 부반송파별로 모두 구분하여 검출하거나 한꺼번에 검출할 수 있다.

상기 가정과 달리 하나의 시퀀스의 일부를 각 안테나에서 전송하는 경우가 아닌 경우에도 앞서의 안테나별 전송 방법이 적용될 수 있다. 즉, 각 안테나에서 전송되는 신호는 서로 다른 시퀀스로부터 추출된 경우라 하더라도, 각 안테나에서 신호를 전송하는 부반송파 집합을 다르게 하거나, 파워 프로파일(power profile)을 다르게 적용할 수 있다.

도 13은 랜덤 액세스를 수행하는 방법의 예를 나타낸다.

도 13을 참조하면, 단말은 기지국으로 랜덤 액세스 프리앰블을 전송한다(S110). 랜덤 액세스 프리앰블은 랜덤 액세스 채널을 통하여 전송될 수 있다.

단말이 전송하는 프리앰블은 위에서 설명한 다중 안테나를 지원하는 프리앰블 생성 방법을 통해 생성될 수 있다. 예를 들어, 단말의 프리앰블 생성기는 프리앰블 시퀀스를 복수의 안테나 각각에 대응하는 시퀀스 부분집합으로 구분한다. 프리앰블 생성기는 복수의 안테나 각각마다 대응하는 시퀀스 부분집합을 이용하여 프리앰블을 생성한다. 단말은 복수의 안테나를 통해 각각의 안테나마다 생성된 프리앰블을 전송한다.

기지국은 단말로 랜덤 액세스 응답를 전송한다(S120). 랜덤 액세스 응답은 타이밍 정렬 정보를 포함한다. 또, 랜덤 액세스 응답은 상향링크 무선자원 할당에 관한 정보 등을 포함할 수 있다. 단말은 랜덤 액세스 응답을 수신한 후, 타이밍 정렬 정보를 이용하여 상향링크 동기화를 수행할 수 있다.

이와 같이, 무선 통신 시스템에서 다중 안테나를 지원하는 랜덤 액세스를 위한 프리앰블 생성 방법을 제공할 수 있다. 기지국에서는 단일 안테나 단말과 다중 안테나 단말 간의 구분없이 프리앰블을 수신할 수 있다. 셀 내 프리앰블 시퀀스들의 집합은 기존과 변화없이 그대로 사용될 수 있다. 따라서, 기존의 시스템과 호환성을 유지하는 것이 용이하다. 또, 단말이 다중 안테나를 사용하여 프리앰블을 전송할 수 있어, 출력 파워를 최대로 올릴 수 있다. 따라서, 전체적인 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.

상술한 모든 기능은 상기 기능을 수행하도록 코딩된 소프트웨어나 프로그램 코드 등에 따른 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 상기 코드의 설계, 개발 및 구현은 본 발명의 설명에 기초하여 당업자에게 자명하다고 할 것이다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.