JP7368495B2 - 多重ビームシステムで偏波を用いた空間多重化方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、空間多重化を具現する方法及び装置に関し、より詳しくは、偏波間の干渉を最小限化することで、通信品質を向上させることができる多重ビームを使用するシステムで偏波を用いた空間多重化方法及び装置に関する。

この部分に記述した内容は、単に本発明の背景情報を提供するだけで、従来の技術を構成するものではない。

多重ビームを使用するシステム（例えば、マッシブ・マイモ（Massive MIMO：multiple－input and multiple－output）システム）では、互いに隣接するビーム間の干渉により無線チャネルの相関係数が高くなり、これにより、空間資源の効率的な使用ができないという問題が発生する。

最近では、互いに異なる偏波を有するアンテナモジュールを多重ビームシステムに採用して隣接するビームが互いに異なる偏波を使用するように構成することにより、隣接するビーム間の干渉を減少させている。

しかし、この方法は、使用しようとする偏波のそれぞれに対するアンテナモジュールを個別に設定する必要があるので、製作工程が複雑になり、多くの時間と費用がかかるという問題点がある。また、この方法は、使用しようとする偏波のそれぞれに対するアンテナモジュールを個別に構成しなければならず、アンテナのサイズを増加させるという問題もある。

本発明の一実施例は、アンテナの直交偏波を利用してベースバンドでＩ／Ｑデータ（In－phase / Quadrature－phase data）の位相を変更し、空間多重化に用いる多数のビーム間で互いに異なる偏波を適用することにより、隣接するビーム間の干渉を減らすことができる方法及び装置を提供することに主な目的がある。

本発明の一実施例によると、多重ビームシステムで偏波を用いた空間多重化方法であって、第１のビーム及び第２のビームに適用する互いに異なる位相及び互いに異なる偏波を決定するステップと、前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれが、前記決定した互いに異なる位相を有するように、信号をプレコーディング（precoding）するステップ、及び、前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれが、前記決定した互いに異なる偏波を有するように、前記プレコーディングした信号の偏波を変換するステップと、を含む空間多重化方法を提供する。

本発明の他の一実施例によると、多重ビームシステムで偏波を用いた空間多重化装置であって、第１のビーム及び第２のビームに適用する互いに異なる位相及び互いに異なる偏波を決定する制御部と、前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれが、前記決定した互いに異なる位相を有するように、信号をプレコーディング（precoding）するビームフォーミング部、及び、前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれが、前記決定した互いに異なる偏波を有するように、前記プレコーディングした信号の偏波を変換する多重偏波合成部と、を含む空間多重化装置を提供する。

以上で説明したように、本発明の一実施例によると、隣接するビームが互いに異なる偏波を有し、この隣接するビーム間の干渉が減少するので、通信品質が向上する。

また、本発明の他の一実施例によると、無線チャネルの直交性が向上するので、システムのチャネル容量が増大する。

本開示の技術を具現できる空間多重化装置の例示的なブロック図である。 本発明の空間多重化方法を説明するためのフローチャートである。 本発明を通じて具現する空間多重化の一例を示す説明図である。 本開示の技術を具現できる空間多重化装置の一例を説明するためのブロック図である。 本発明の多重偏波合成を説明するためのブロック図である。

以下、本発明の一部の実施例を例示的な図面を通じて詳しく説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたり、同一の構成要素に対しては、たとえ他の図面上に表示されていても、可能な限り同一の符号を有するようにしていることに留意しなければならない。また、本発明を説明するにあたり、関連した公知の構成又は機能についての具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすると判断した場合には、その詳しい説明は省く。

また、本発明の構成要素を説明するにあたり、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を用いることがある。このような用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものであり、その用語によって、該当構成要素の本質や順番又は順序などは限定されない。明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」、「備える」とするとき、これは特に逆の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、明細書に記載した「...部」、「モジュール」などの用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を意味し、これはハードウェアやソフトウェア又はハードウェア及びソフトウェアの組み合わせで具現できる。

本発明は、アンテナの直交偏波を用い、ベースバンドでＩ／Ｑデータ（In－phase / Quadrature－phase data）の位相を変更することで、多様な偏波を生成又は設定する方法及び装置を提供する。

また、本発明は、多数のビームを用いる移動通信システム（多重ビームシステム、例えば、マッシブ・マイモシステム）で空間多重化のために、隣接するビーム間で互いなる偏波を使用するように構成することにより、無線チャネルの直交性を向上させ、システムのチャネル容量を増大させることができる方法及び装置を提供する。

このような方法を具現するための空間多重化装置１００についての一例を図１に示す。以下では、図１及び図２を参照し、空間多重化装置１００の構成及びこの空間多重化装置１００を用いた空間多重化方法について説明する。

空間多重化装置１００は、基地局、中継器、及び端末のうちから１つ以上設置することができる。図１に示すように、空間多重化装置１００は、制御部１１０、ビームフォーミング部１２０、多重偏波合成部１３０、及びＲＦチェーン（RF chain、１４０）の構成を含む。また、ＲＦチェーン１４０は、ＲＦブロック（図示せず）および直交偏波アンテナモジュールの構成を含む。ＲＦブロック（図示せず）は、ＤＡＣ（digital to analog converter）／ＡＤＣ（analog to digital converter）、フィルター、ミキサー（mixer）などの構成を含む。

ビームフォーミング部１２０、多重偏波合成部１３０、及びＲＦチェーン１４０は、図１に示した個数以上であってよい。例えば、より多い個数のビームパターン（ビーム）を用いて空間多重化を具現しようとする場合に、ビームフォーミング部１２０、多重偏波合成部１３０、及びＲＦチェーン１４０は、図１に示した個数以上が空間多重化装置１００に含まれる。

制御部１１０は、ＲＦチェーン１４０を介して放射するビームの位相と偏波を設定又は決定する。

制御部１１０は、ビームそれぞれの位相を互いに異なる設定又は決定することができる。例えば、空間多重化に用いるビームがｎ（ｎは２以上の自然数）である場合に、制御部１１０は、ｎ個のビームそれぞれの位相を互いに異なるように決定する。制御部１１０で決定した位相は、ビームフォーミング部１２０におけるビーム形成に用いる。

また、制御部１１０は、複数個のビームの中から空間上で互いに隣接する（隣り合う）ビームに対して互いに異なる偏波（異種偏波）を決定する。例えば、空間多重化に用いるビームがｎ（ｎは２以上の自然数）である場合に、制御部１１０は、互いに隣接するｋ番目のビームとl番目のビームの偏波を互いに異なるように設定又は決定する。

ビームフォーミング部１２０は、ベースバンド信号又はデータをプレコーディング（precoding）する（Ｓ２４０）。

ビームフォーミング部１２０は、ベースバンド信号にウェイトベクトル（weight vector）を適用して制御部１１０で決定したビームを生成する（beamforming）。ビームフォーミング部１２０は、ビームそれぞれが制御部１１０で決定した位相を有するように信号をプレコーディングするため、ビームフォーミング部１２０の動作によってビームが互いに異なる位相を有する。

多重偏波合成部１３０は、プレコーディングした信号の偏波を変換する（Ｓ２５０）。

多重偏波合成部１３０は、後述する変換ステップ（合成又は分解）を介してプレコーディングした信号の偏波を変換し、空間上で互いに隣接するビームが互いに異なる偏波（制御部で決定した偏波）を有するようにする。

一方、処理対象に該当するベースバンド信号は、ビームフォーミング部１２０で処理する前にスクランブル処理ステップＳ２１０、変調ステップＳ２２０、レイヤーマッピングステップＳ２３０などを経る。

スクランブル処理ステップＳ２１０は、基地局又はＵＥ（user equipment）を区別するために、スクランブル信号を用いてベースバンド信号を暗号化するステップに該当する。空間多重化装置１００は、スクランブル処理ステップＳ２１０を実行するスクランブルモジュール（図示せず）をさらに含んで構成する。

変調ステップＳ２２０は、スクランブルした信号を複数個のモジュレーション（変調）シンボルに変調するステップに該当する。空間多重化装置１００は、変調ステップＳ２２０を実行する変調モジュール又は変調マッパー（図示せず）をさらに含んで構成することができる。

Ｓ２１０ステップでスクランブルした信号は、変調マッパー（図示せず）に入力され、信号の種類及び/又はチャネル状態に応じてＢＰＳＫ（binary phase shift keying）、ＱＰＳＫ（quadrature phase shift keying）又は１６ＱＡＭ／６４ＱＡＭ（quadrature amplitude modulation）方式を通じて変調することができる。

レイヤーマッピングステップＳ２３０は、信号をアンテナごとに分離するために、変調シンボルを1つ以上の伝送レイヤーにマッピングするステップに該当する。空間多重化装置１００は、レイヤーマッピングステップＳ２２０を実行するレイヤーマッパー（図示せず）をさらに含んで構成することができる。

空間多重化装置１００は、変調ステップＳ２２０を介して得られた変調シンボルをリソースエレメントにマッピング（周波数にマッピング）するステップＳ２６０をさらに実行する。そのために、空間多重化装置１００は、リソースエレメントマッピング部（図示せず）をさらに含んで構成することができ、リソースエレメントにマッピングするステップＳ２６０は、リソースエレメントマッピング部（図示せず）で実行する。

空間多重化装置１００は、偏波変換した信号に対して時間領域のシンボルを生成するためにＩＦＦＴ（inverse fast fourier transform）演算を実行することができる。また、空間多重化装置１００は、シンボル間の干渉（inter symbol interference、ISI）を防止するために保護区間（guard interval）を挿入する（Ｓ２７０）。そのために、空間多重化装置１００は、ＩＦＦＴ部（図示せず）とＣＰ（cyclic prefix）をさらに含んで構成する。

Ｓ２１０ステップないしＳ２７０ステップを経た信号は、ＲＦチェーン１４０を介してビームの形態で放射することができる。先に説明したように、本発明の空間多重化方法によって放射するビームは、空間上で互いに異なる位相を有し、互いに異なる位相のビームの中で互いに隣接する二つのビームは、互いに異なる偏波を有することができる。

本発明の空間多重化方法によって放射するビームについての一例を図３に示す。図３にて、実線のビーム（ビーム＃１、ビーム＃３、ビーム＃５、及びビーム＃７）は、±４５の偏波方向（直交クロス偏波）を有し、点線のビーム（ビーム＃２、ビーム＃４、ビーム＃６、及びビーム＃８）は、Ｖ／Ｈ（vertical / horizontal）の偏波方向（直交垂直／水平偏波）を有する。

ビーム＃１が直交クロス偏波（±４５）を使用すると、ビーム＃２は、垂直／水平偏波（Ｖ／Ｈ）を使用する。同じ方法で、ビーム＃３は、直交クロス偏波（±４５）を使用し、ビーム＃４は、垂直／水平偏波（Ｖ／Ｈ）を使用する。

すなわち、本発明は、隣接するビーム間では同種の偏波を使用するのではなく、互いに異なる偏波（異種偏波）を使用することにより、隣接するビーム間で相関係数を下げることができる。また、互いに異なる偏波では左旋円偏波／右旋円偏波など、互いに直交するいかなる種類の偏波も異種偏波で使用することができる。

直交クロス偏波（±４５）を有するビーム＃１と垂直／水平偏波（Ｖ／Ｈ）を有するビーム＃２は、異なる偏波を有するので、ビーム＃１とビーム＃２との間の相関関係は十分に小さい。また、ビーム＃１と直交クロス偏波（±４５）を有するビーム＃３は、距離が十分に離れているので、ビーム＃１とビーム＃３との間の相関関係は十分に小さい。

実施形態により、信号の偏波を変換するステップＳ２５０と、リソースエレメントにマッピングするステップＳ２６０は、その順序が変更し得る。たとえば、（１）信号の偏波を変換するステップＳ２５０を最初に実行し、リソースエレメントにマッピングするステップＳ２６０は、後で実行することができ、（２）リソースエレメントにマッピングするステップＳ２６０を最初に実行し、信号の偏波を変換するステップＳ２５０は、後で実行することができる。

（１）の場合に、多重偏波合成部１３０は、プレコーディングした信号の偏波を異種偏波に変換し、リソースエレメントマッピング部（図示せず）は、偏波を変換した信号をリソースエレメントにマッピングすることができる。（２）の場合に、リソースエレメントマッピング部（図示せず）は、プレコーディングした信号をリソースエレメントにマッピングし、多重偏波合成部１３０は、リソースエレメントにマッピングした信号の偏波を異種偏波に変換することができる。

以下では、図４を参照し、二つのビーム（第１のビーム及び第２のビーム）を使用する空間多重化方法について説明する。第１のビーム及び第２のビームは、空間上で互いに異なる位相（第１のビーム：第１の位相、第２のビーム：第２の位相）を有し、互いに隣接し、互いに異なる偏波（第１のビーム：±４５度、第２のビーム：Ｖ／Ｈ）を有することを仮定する。

ＲＦチェーン１４０を介して、第１のビーム及び第２のビームを放射する場合に、制御部１１０は、第１のビーム及び第２のビームの位相を互いに異なるように決定することができ、第１のビームと第２のビームの偏波を互いに異なるように決定することができる。

ビームフォーミング部１２０は、第１のビームと第２のビームのそれぞれが制御部１１０で決定した位相を有するように、ベースバンド信号にウェイトベクトルを適用する。

例えば、ビームフォーミング部＃１－１（ＢＦ＃１－１、１２２－１）、ビームフォーミング部＃１－２（ＢＦ＃１－２。１２２－２）、ビームフォーミング部＃１－３（ＢＦ＃１－３、１２２－３）及び、ビームフォーミング部＃１－４（ＢＦ＃１－４、１２２－４）は、信号の位相を第１の位相に設定し、多重偏波合成部＃１－１（ＰＤ＃１－１、１３２－１）に出力することができる。また、ビームフォーミング部＃１－１（ＢＦ＃１－１、１２２－１）、ビームフォーミング部＃１－２（ＢＦ＃１－２。１２２－２）、ビームフォーミング部＃１－３（ＢＦ＃ １－３、１２２－３）、及びビームフォーミング部＃１－４（ＢＦ＃１－４、１２２－４）は、信号の位相を第２の位相に設定し、多重偏波合成部＃１－２（ＰＤ＃ １－２、１３２－２）に出力することができる。

多重偏波合成部１３０は、第１のビーム及び第２のビームのそれぞれが制御部１１０で決定した偏波（異種偏波）を有するように、フリーコーディングした信号の偏波を変換する。

例えば、多重偏波合成部＃１－１（１３２－１）は、第１の位相に設定した信号の偏波を±４５度変換し、多重偏波合成部＃１－２（１３２－２）は、第２の位相に設定した信号の偏波をＶ／Ｈに変換する。

第１の位相と±４５度偏波を有する（設定した）信号は、ＲＦチェーン＃１－１（１４２－１）とＲＦチェーン＃１－２（１４２－２）を介して第１のビームとして放射し、第２の位相とＶ／Ｈの偏波を有する（設定した）信号は、ＲＦチェーン＃１－３（１４２－３）とＲＦチェーン＃１－４（１４２－４）を介して第２のビームとして放射する。

ＲＦチェーン１４０に含まれる直交偏波アンテナモジュールについて、本明細書では、＋４５度と－４５度で配列したアンテナモジュールとして表現する。しかし、相互に直交する形態で配置したアンテナであれば、Ｖ（vertical）とＨ（horizontal）に配列した直交偏波アンテナモジュールのように多様な形態のアンテナモジュールが本発明で活用できる。

以上では、送信信号に対する空間多重化方法について説明した。受信信号に対する空間多重化方法は、送信信号に対する空間多重化方法の逆の順序で具現することができる。

以下では、図５を参照し、本発明の偏波変換方法について説明する。

上で説明したように、多重偏波合成部１３０は、プレコーディングした信号の偏波を異種偏波に変換することができる。ここで、異種偏波には直交クロス偏波（±４５）と直交垂直／水平偏波（Ｖ／Ｈ）が含まれる。

信号の偏波を異種偏波に変換する過程は、数１の式を使用して具現する。

数１の式において、ａとｂは直交クロス偏波（±４５）と直交垂直／水平偏波（Ｖ／Ｈ）のうちのいずれかを表し、ａ＋ｂとａ＋ｂｅ^jπは直交クロス偏波（± ４５）と直交垂直／水平偏波（Ｖ／Ｈ）のうちの他の１つを示し、

はＰＤ（polarization decomposition）行列を示す。

例えば、＋４５度偏波（ａ）と－４５度偏波（ｂ）にＰＤ行列を適用すると、＋４５度偏波（ａ）及び－４５度偏波（ｂ）と、垂直偏波（ａ＋ｂ）及び水平偏波（ａ＋ｂｅ^jπ）つまり、異種偏波に変換することができる。

図２ではステップＳ２１０ないしステップＳ２７０を順次実行することで記載しているが、これは本発明の一実施例の技術思想を例示的に説明したものに過ぎない。つまり、本発明の一実施例が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の一実施例の本質的な特性から逸脱しない範囲で、図２に記載した順序を変更して実行したり、ステップＳ２１０ないしステップＳ２７０のうちの1つ以上のステップを並列的に実行することで、多様な修正及び変形して適当可能なので、図２は、時系列的な順序に限定するものではない。

一方、図２に図示したステップは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体にコンピュータが読み取り可能なコードとして具現することが可能である。コンピュータが読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読み取ることができるデータを保存するすべての種類の記録装置を含む。つまり、コンピュータが読み取り可能な記録媒体は、磁気記録媒体（例えば、ロム、フロッピーディスク、ハードディスクなど）、光学的読み取り媒体（例えば、ＣＤ－ＲＯＭ、ディブイディなど）及びキャリアウェーブ（例えば、インターネットを通じた伝送）のような記憶媒体を含む。また、コンピュータが読み取り可能な記録媒体は、ネットワークにつながったコンピュータシステムに分散し、分散方式でコンピュータが読み取り可能なコードを保存して実行することができる。

以上の説明は、本実施形態の技術思想を例示的に説明したものに過ぎないものであり、本実施例の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本実施形態の本質的な特性から逸脱しない範囲で多様な修正及び変形が可能ある。したがって、本実施例は、本実施例の技術思想を限定するためのものではなく説明するためのものであり、このような実施例によって本実施例の技術思想の範囲が限定されるものではない。本実施例の保護範囲は請求の範囲によって解釈するべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本実施例の権利範囲に含まれるものと解釈するべきである。

CROSS－REFERENCE TO RELATED APPLICATION
本特許出願は、本明細書にその全体が参考として含まれる、２０１９年１２月５日付にて韓国に出願した特許出願番号第１０－２０１９－０１６０６０６号、及び２０２０年４月１６日付にて韓国に出願した特許出願番号第１０－２０２０－００４６２５６号に対する優先権を主張する。

Claims (4)

1. 多重ビームシステムで偏波を用いた空間多重化方法であって、
   第１のビーム及び第２のビームを空間的に隣接して形成するための互いに異なる位相を決定し、前記第１のビーム及び前記第２のビームに適用する互いに異なる直交二重偏波を決定するステップと、
   前記第１のビームに適用される直交二重偏波と前記第２のビームに適用される直交二重偏波は互いに異なり、前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれが、前記決定された互いに異なる位相を有するように、前記第１のビーム及び前記第２のビームを形成する信号をプレコーディング（precoding）するステップと、
   前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれが、前記決定された互いに異なる直交二重偏波を有するように、前記プレコーディングした信号の偏波を変換するステップとを備え、
   前記変換するステップは、
   数１の式を用いて前記プレコーディングした信号の偏波を、直交クロス偏波（±４５度）および直交垂直／水平偏波に変換する、空間多重化方法。
   

   

   （ただし、前記数１の式において、ａとｂは、前記直交クロス偏波（±４５度）と前記直交垂直／水平偏波のうちのいずれかを表し、ａ＋ｂとａ＋ｂｅjπは、前記直交クロス偏波（±４５度）と前記直交垂直／水平偏波のうちの他の１つを示す。）
2. 前記プレコーディングした信号をリソースエレメントにマッピングするステップをさらに含み、
   前記変換するステップは、
   前記リソースエレメントにマッピングした信号の偏波を変換する、請求項１に記載の空間多重化方法。
3. 多重ビームシステムで偏波を用いた空間多重化装置であって、
   第１のビーム及び第２のビームを空間的に隣接して形成するための互いに異なる位相を決定し、前記第１のビーム及び前記第２のビームに適用する互いに異なる直交二重偏波を決定する制御部と、
   前記第１のビームに適用される直交二重偏波と前記第２のビームに適用される直交二重偏波は互いに異なり、前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれが、前記決定された互いに異なる位相を有するように、前記第１のビーム及び前記第２のビームを形成する信号をプレコーディング（precoding）するビームフォーミング部と、
   前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれが、前記決定した互いに異なる直交二重偏波を有するように、前記プレコーディングした信号の偏波を変換する多重偏波合成部と、を備え、
   前記多重偏波合成部は、
   数２の式を用いて前記プレコーディングした信号の偏波を直交クロス偏波（±４５度）と直交垂直／水平（vertical / horizontal）偏波に変換する、空間多重化装置。
   

   

   （ただし、前記数２の式において、ａとｂは、前記直交クロス偏波（±４５度）と前記直交垂直／水平偏波のうちのいずれかを表し、ａ＋ｂとａ＋ｂｅjπは、前記直交クロス偏波（±４５度）と前記直交垂直／水平偏波のうちの他の一つを示す。）
4. 前記プレコーディングした信号をリソースエレメントにマッピングするリソースエレメントマッピング部をさらに含み、
   前記多重偏波合成部は、前記リソースエレメントにマッピングした信号の偏波を変換する、請求項３に記載の空間多重化装置。
   

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