KR100277126B1 - 가변 전력 증폭기의 동적 조정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 이동국과 통신이 가능한 적어도 하나의 기지국을 포함하여 구성된 무선통신 장치에서 이용되며 상기 기지국내의 선형 전력 증폭기의 전력소모를 제어하기 위한 전력제어기에 관한 것으로서, 상기 전력제어기는 상기 선형 전력 증폭기의 RF 출력 전력레벨을 결정하기 위한 제 1 전력 감시장치; 상기 선형 전력 증폭기에 의해 소비되는 1차 전력레벨을 결정하기 위한 제 2 전력 감시장치; 및 상기 1차 전력레벨과 RF 출력 전력레벨과의 실제적인 전력비를 결정하도록 작동되며 상기 실제적인 전력비가 소정의 목표 전력비를 유지하게끔 상기 1차 전력레벨을 조정하도록 작동하는 처리 회로를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

가변 전력 증폭기의 동적 조정 장치 및 방법
본 발명은 통신네트워크에 관한 것으로서 특히, 가변 전력 송신기(variable power transmitter)를 이용하는 무선전화 네트워크에 관한 것이다.
전세계적으로 75,000,000명 이상의 사람들이 1996년도에 휴대폰(cellular telephones)을 사용하였다. 2000년도에 이르면 휴대폰 가입자가 무려 300,000,000명 이상이 된다고 예측된다. 미합중국내에서는 전문 이동통신서비스 사업자뿐만 아니라 U.S. West, Bell Atlantic 및 Southwestern Bell과 같은 지역 전화 사업자와 AT&T 및 Sprint와 같은 국내 장거리 전화 사업자도 이동통신서비스를 제공한다. 경쟁이 치열해짐에 따라 이동통신서비스 요금은 서비스 사용자가 저변확대될 정도로 인하되었다. 이와 같은 치열한 경쟁으로 말미암아 휴대폰 분야의 기술은 신속히 혁신되었다. 아날로그 이동통신 장치는 현재 디지털 이동통신 장치와 경쟁하고 있다. 종래의 주파수분할 다중접속(FDMA; frequency division multiple access) 및 시분할 다중접속(TDMA; time division multiple access) 장치는 현재 부호분할 다중접속(CDMA; code division multiple access) 장치와 경쟁하고 있다. 하나의 이동통신 장치내에서 서비스받을 수 있는 가입자수를 최대로 하기 위해서, 각각의 셀 사이트를 작게하고 동일한 지역에 대해 더 많은 수의 셀 사이트를 사용함으로써 주파수 재사용이 극대화된다. 따라서, 상기와 같은 이동통신 기지국수의 증가 때문에 기본적인 유지비용이 증가한다. 이러한 증가된 비용을 보완하기 위해서, 이동통신서비스 사업자들은 장치비용, 유지/보수 비용 및 운용비용을 절감할수 있으며 서비스의 품질/신뢰성을 향상시키고 이동통신 장치의 서비스 가능 가입자수를 증가시킬수 있는 기술혁신을 위해서 박차를 가하고 있다.
이와 같은 기술혁신의 상당 부분은 확장된 디지털 서비스나 더 길어진 배터리 수명을 가진 소형 및 경량화된 이동통신 단말기와 같은 서비스 품질향상 또는 이동통신 기지국을 위한 저가의 소형화되고 신뢰성 있는 송수신기와 같은 장비 비용의 절감에 초점을 두고 있다. 그러나, 이동통신 장치의 운용비용 절감과 관련해서는 기술혁신상에 한계가 있었다. 전력은 이동통신 장치의 운용비용의 중요한 요소중에 하나이다. 모든 이동통신 기지국은 음성 및 데이터 신호를 이동국(예를 들면, 휴대폰, 이동통신용 모뎀을 구비한 휴대용 컴퓨터 등등)에 송신하기 위한 송신기 및 상기 이동국으로부터 음성 및 데이터 신호를 수신하기 위한 수신기를 가진다. 상기 송신기 및 수신기 모두는 송신된 신호 및 수신된 신호의 세기를 증가시키기 위한 전력 증폭기들을 사용한다.
종래의 CDMA 이동통신 장치에서는, 가까운 이동국 및 멀리 떨어진 곳의 이동국으로부터 전송되는 전력을 제어하기 위해서 전력제어가 수행되었다. 이러한 전력제어는 원근효과(near-far effect) 즉, 가까운 이동국으로부터의 강한 신호가 멀리 떨어진 이동국으로부터의 약한 신호를 압도하는 현상 때문에 나타나는 효과를 극복하기 위해 수행된다. 상기 이동국들의 출력전력 레벨은 상기 이동국내의 수신된 신호폭과 상기 송수신 기지국으로부터 수신된 미세 조정 메시지와의 조합에 따라서 조정된다.
CDMA 장치는 몇 개의 코드화된 채널을 제어채널들로서 사용한다. 상기 제어채널들은 파일럿 채널(pilot channel), 동기화 채널(synchronization channel), 페이징 채널(paging channel) 및 접속 채널(access channel)을 포함한다. 이동국이 가동된후 상기 이동국은 등록 메시지를 송출하고나서 송수신 기지국과의 통신 링크를 형성하기 위해서 상기 파일럿, 페이징 및 동기 채널들을 감시한다.
상기 파일럿 신호는 상기 송수신 기지국에 의해 일정한 전력으로 전송된다. 새롭게 가동된 이동국은 송수신 기지국에 대한 이동국의 상대적인 위치에 따라 보다 강하거나 또는 보다 약한 파일럿 신호를 다룬다. 상기 이동국은 최초로 선택된 전송 신호레벨로 상기 송수신 기지국에 접속하려고 시도한다. 이러한 접속시도가 실패하면, 상기 이동국은 보다 높은 전송 신호 레벨로 다시 접속을 시도한다. 이러한 과정은 상기 이동국이 동작을 일시중지하거나 또는 상기 송수신 기지국에 접속할때가 계속된다.
일단 상기 이동국이 상기 송수신 기지국에 접속되면, 상기 이동국은 상기 송수신 기지국에 의해 달성된 정상 전송신호 전력레벨로 음성 및/또는 데이터 신호를 전송하기 시작한다. 그후, 상기 송수신 기지국은 상기 이동국으로 업/다운 비트(UP/DOWN bit)을 포함하는 신호를 보내는데, 상기 업/다운 비트가 설정되었을 경우에는 상기 이동국의 전력이 소량 증가(즉, UP)하며 업/다운 비트가 설정되지 않았을 경우에는 상기 이동국의 전력이 소량 감소(즉, DOWN)한다. 상기 송수신 기지국으로부터 이동국 각각으로 전송되는 분리된 업/다운 제어신호에 의해 근처의 이동국의 전력이 감소하고 먼곳의 이동국의 전력이 증가한다. 이러한 과정은 상기 두 개의 신호가 대략적으로 동일한 전력레벨들로 상기 송수신 기지국에 전송될때까지 다수의 메시지 프레임들내에서 반복된다.
CDMA 장치는 상기 기지 전송국에 의해 전송된 무선주파수(RF) 신호에 대한 전력제어도 수행한다. 이러한 전력제어의 유형은 인접 셀들내의 전송 간섭을 최소화하기 위해서 수행된다. 몇몇 CDMA 장치에서, 상기 송수신 기지국은 통화 채널내의 상기 RF 출력 전력레벨을 소정의 감분 Δ1 만큼 자동으로 감소시킨다. 상기 송수신 기지국에 의해 전송된 RF 신호의 출력 전력레벨이 다수의 메시지 프레임에 대해서 서서히 감소하도록 상기 감분 Δ1은 충분히 작다. 그러나, 일단 상기 송수신 기지국으로부터의 신호가 수신할수 없을 정도로 미약하다고 이동국이 판단하게되면 예를 들면, 이동국이 다섯 개의 연속적인 불량 프레임들을 검출하게 되면 이러한 이동국은 상기 송수신 기지국이 소정의 증분 Δ2 만큼 상기 전력레벨을 증가하게끔 전력제어 신호를 상기 송수신 기지국에 전송한다.
그러나, 종래의 CDMA 이동통신 장치는 상기 기지국 자체내에서 전력제어를 수행하지 않는다. CDMA 장치들은 큰 신호왜곡을 수용하지 못하기 때문에, 스펙트럼 확산효과(spectral spreading effects)에 따른 IS 95 대역폭 요구조건(IS 95 bandwidth requirements)을 만족하게끔 하는 넓은 영역의 작동 상황에 걸쳐서 선형성을 지닌 RF 증폭기를 사용해야만 한다. 불행하게도, 선형 RF 증폭기에 대한 DC 대 RF(DC-to-RF) 변환효율은 매우 낮다. CDMA 증폭기는 상기 RF 파형의 선형성을 유지하도록 일반적으로 8-10 dB정도의 오버헤드(overhead) 입력 전력비를 필요로 한다.
송신기 전력 증폭기는 상기 송수신 기지국에 의해 전송된 출력신호의 상대적인 세기에 상관없이 상당히 큰 일정 전력을 소비한다. 예를 들면, 낮동안의 정상적인 통화부하에서는 상기 RF 출력 전력레벨은 대략적으로 10 watts가 되어야 하며, 상기 송신기 전력 증폭기에 의해 소비되는 1차 DC 전력은 대략적으로 80-100 watts(즉, 8-10 dB 정도 높음)가 된다. 그러나, 한밤중의 통화부하가 작은 경우에는, 상기 송신기의 RF 출력 전력레벨은 전력제어가 전술된 상기 RF 출력신호에 대해서 수행됨에 따라 약 1 watt 정도 감소할 것이다. 그러나, 상기 전력 증폭기의 작동 바이어스 포인트는 고정되어 있기 때문에 상기 송신기에 의해 소비되는 1차 DC 전력은 여전히 약 80-100 watts정도일 것이다. 종래의 장치에서는, 상기 송신기 전력 증폭기의 DC 전력 소모가 감소하면서도 여전히 기존의 출력 RF 전력레벨을 유지할수 있는지에 대해서는 연구되지 않았다.
따라서, 이동통신 기술분야에서는 유지비가 저렴해진 개선된 이동통신 장치가 필요하게 되었다. 특히, 상기 기지국 송신기의 전력증폭기내의 전력제어를 구현할수 있는 개선된 CDMA 이동통신 장치가 필요하게 되었다. 개선된 장치에서는 상기 RF 출력신호의 발생에 필요한 상기 DC 전력레벨을 감소시킴과 동시에 증폭기의 RF 출력신호의 레벨을 감시 및 유지하는 것이 필요하게 되었다.
전술된 종래기술의 결함과 관련해서, 본 발명의 주목적은 종래의 장치와 비교해서 전력소모가 감소된 전력 제어기를 다수의 이동국과 통신가능한 적어도 하나의 기지국으로 구성된 무선통신 장치용으로 구비하는 데에 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예로서 선형 전력 증폭기의 전력소모를 제어하기 위한 전력제어기가 상기 기지국내에 구비된다. 상기 전력 제어기는 상기 선형 전력 증폭기의 RF 출력 전력레벨을 결정하기 위한 제 1 전력 감시장치, 상기 제 1 선형 전력 증폭기에 의해 소비되는 1차 전력레벨을 결정하기 위한 제 2 전력 감시장치 및 상기 1차 전력레벨과 RF 출력 전력레벨과의 실제적인 전력비를 결정하도록 작동되며 상기 실제적인 전력비가 대략적으로 소정 목표 전력비를 유지하게끔 상기 1차 전력레벨을 조정하도록 작동하는 처리 회로를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 처리회로는 상기 선형 전력증폭기의 바이어스 전류를 조정한다.
본 발명의 또다른 일실시예에 있어서, 상기 소정 목표 전력비는 상기 선형 전력증폭기가 선형동작하게끔 선택된다.
본 발명의 또다른 일실시예에 있어서, 상기 소정 목표 전력비는 최소 임계치이다.
본 발명의 또다른 일실시예에 있어서, 상기 소정 목표 전력비는 최대값과 최소값을 가지는 범위이다.
본 발명의 또다른 일실시예에 있어서, 상기 소정 목표 전력비는 상기 이동 통신 장치내의 통화량 상황에 의해 결정되는 변수값이다.
본 발명의 또다른 일실시예에 있어서, 상기 처리회로는 상기 1차 전력레벨을 최소 1차 전력임계레벨 이상이 되게끔 조정한다.
본 발명의 또다른 일실시예에 있어서, 상기 처리회로는 상기 RF 출력 전력레벨의 추후변화를 예기하여 상기 1차 전력레벨을 조정한다.
이제까지는 당업자가 후술될 본 발명의 상세한 설명을 더 잘 이해할수 있도록 본 발명의 특징들 및 기술적인 장점들이 대략적으로 설명되었다. 본발명 청구항들의 발명의 요지를 이루는 본 발명의 추가적인 한정요소들 및 장점들은 지금부터 상술될 것이다. 당업자들은 본발명과 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조들을 개선 또는 고안하기 위한 기초로서 본원에 개시된 개념 및 특정 실시예들을 용이하게 이용할수 있다는 점을 인정해야 하며 또한 이러한 대등한 구조물이 본 발명의 정신 및 청구범위와 광의의 의미에서 벗어나지 않는다는 점을 인지해야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전형적인 무선전화 네트워크의 설명도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가변 송신전력 증폭기(variable power transmitter amplifier)를 이용하는 전형적인 송수신 기지국의 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가변 송신전력 증폭기를 위한 전형적인 바이어스 제어회로의 설명도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가변 전력 송신기 증폭기의 동작을 설명하는 흐름도이다.
본 발명의 청구범위는 하기에서 설명될 도 1 내지 도 4 및 본 발명의 원리를 기술하는 데에 이용되는 본원 명세서내의 다양한 실시예들에 의해 국한되지 않는다. 당업자라면 본 발명의 원리가 다른 적당한 일련의 시설물에서도 구현될 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다.
추가로, 본 발명의 전형적인 실시예들을 설명함에 있어서 저항값, 전류레벨, 전압레벨 또는 논리레벨 등과 같은 특정 수치를 간혹 사용하고 있는데, 이러한 수치는 본 발명의 작동원리를 간략하고도 명료하게 설명하려는 의도에서 사용되었을 뿐이라는 것을 명심해야 한다. 본 발명의 대안적인 실시예들은 다양한 회로상수에 따른 다양한 수치들에 의해서 용이하게 구현될 수 있다는 것을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전형적인 무선 전화 네트워크 100을 도시하고 있다. 상기 무선 전화 네트워크 100은 송수신 기지국 BTS 101, BTS 102 및 BTS 103 중의 하나를 각각 포함하는 복수의 셀 사이트 121 내지 123을 포함하여 구성된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서 상기 무선 전화 네트워크 100은 CDMA에 기초한 네트워크이다. 송수신 기지국 103-103은 다수의 이동국(M) 111 내지 114와 통신하도록 작동된다. 이동국 111 내지 114는 종래의 휴대폰, PCS 단말기, 휴대용 컴퓨터 또는 계측장치등과 같은 적절한 단말장치일 수 있다.
점선은 송수신 기지국 101 내지 103 각각이 위치하는 셀 사이트들의 대략적인 경계를 나타낸다. 상기 셀 사이트들은 도해상의 편의를 위해서 원형에 가깝게 도시되었다. 상기 셀 사이트들의 모양은 셀의 상대적인 배치와 자연 및 인공적인 장애물에 따라 육각형 등과 같은 다양한 모양이 될 수 있다.
BTS 101, BTS 102 및 BTS 103은 상호간 및 공중전화 장치(도시안함)에 음성 및 데이터 신호를 전송한다. 통신라인 131은 T1 라인, T3 라인, 광섬유 링크 또는 네트워크 백본(backbone) 연결 등을 포함하는 적당한 연결수단이 될 수 있다. 어떤 실시예들에서는 BTS 101, BTS 102 및 BTS 103은 상호간 및/또는 공중전화 장치와 위성링크를 통해서 무선으로 링크될수 있다.
전형적인 무선 네트워크 100에서는 이동국 111은 셀 사이트 121내에 위치하고 BTS 101과 접속되며, 이동국 113은 셀 사이트 122내에 위치하고 BTS 102과 접속되며, 이동국 114은 셀 사이트 123내에 위치하고 BTS 103과 접속된다. 이동국 112는 셀 사이트 121중에서 셀 사이트 123의 경계부와 가까운곳에 위치하고 있다. 이동국 112 근처의 방향 화살표는 이동국 112가 셀 사이트 123을 향해 이동하고 있음을 나타낸다. 이동국 112가 셀 사이트 121을 벗어나 셀사이트 123에 진입하게 되는 지점 즉, 이동국 112가 셀 사이트 121과 셀 사이트 123의 공통영역에 진입하게 되는 지점에서 "핸드오프"(handoff; 셀교환현상)이 발생한다.
"핸드오프"는 제 1 셀로부터 제 2 셀로의 통화제어 전환을 위한 주지의 과정이다. 예를 들면, 만약에 이동국 112가 BTS 101과 접속중에 BTS 101로부터의 신호가 수신불가능할정도로 미약해진다는 것을 감지할 경우에는 이동국 112는 BTS 103에서 전송된 것과 같은 보다 강한 신호를 가지는 BTS로 전환한다. 이동국 112와 BTS 103은 새로운 통신링크를 형성하고 처리중인 음성 및/또는 데이터 신호를 BTS 103을 통해서 전송하게끔하는 소정신호가 BTS 101 및 공중전화 네트워크로 전해진다. 이를 통해서 상기 통화는 BTS 101에서 BTS 103으로 무리없이 전환된다.
종래의 무선 전화 장치에서는 BTS 101, BTS 102 및 BTS 103내의 송신기는 셀 사이트 유효(coverage;통달)영역의 크기(및 형태)에 따라 선택된 RF 출력 전력레벨로 외향(outbound) 신호를 전송한다. 상기 RF 출력 전력레벨은 셀사이트 각각의 경계근처에 존재하는 이동국이 신뢰성 있는 통신링크를 형성하게끔 하는 충분히 큰 강한 신호를 수신할수 있도록 최소 전력레벨로 설정된다. 만약에 신호특성이 최소 허용치 이하가 되면, 각각의 이동국은 상기 송수신 기지국의 RF 출력 전력레벨을 증가시키도록 송수신 기지국에 제어신호(들)를 전송한다. 첨가로, 상기 송수신 기지국들은 상기 이동국로부터 수신된 RF 신호들이 대략적으로 동일한 전력으로 수신되게끔 상기 이동국의 RF 출력 전력레벨을 감소 또는 증가시키는 제어신호(들)을 상기 이동국으로 전송한다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 있어서, 상기 무선 전화 장치 101내의 송신기는 가변 송신전력 증폭기들을 구비하는데, 이러한 송신전력 증폭기는 송수신 기지국이 그것의 RF 출력신호 전력레벨이 상기 증폭기내의 보다 낮은 1차 전력레벨로 유지될수 있다고 판단하는 경우마다 상기 송수신 기지국 101 내지 103중에 하나이상의 송수신국에 의해 소비되는 DC 1차 전력을 감소할 것이다.
기지 송수신기부터 이동국으로 전송되는 음성, 데이터 및/또는 제어신호들은 본 발명의 동작에 대한 차후 설명의 간략화를 위해서 이후부터 "순방향 채널 신호(forward channel signals)"로 통칭한다. 비슷하게, 이동국으로부터 기지송수신기로 전송되는 음성, 데이터 및/또는 제어신호들은 이후부터 "역방향 채널 신호(reverse channel signals)"로 통칭한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가변 송신전력 증폭기 203을 이용하는 전형적인 송수신 기지국 101을 도시하고 있다. BTS 101은 타워 탑(tower top) 장치 201 및 그라운드 유닛(ground unit) 211로 구성된다. 상기 그라운드 유닛은 인터페이스 (IF) 235를 통해서 통신라인 131로 접속된다.
상기 타워 탑 장치 201은 저잡음 수신기 증폭기 202, 가변 송신전력 증폭기 203 및 바이어스 제어회로 204로 구성된다. 상기 저잡음 수신기 증폭기 202는 안테나 205를 타고 이동국으로부터 전송된 역방향 채널 신호들을 수신하며 이 수신된 신호를 상기 그라운드 유닛 211로 중계하기 전에 증폭하는데, 이러한 증폭을 통해서 상기 타워 탑 장치 201과 그라운드 유닛 211 사이의 링크에서 초래될 수 있는 라인 손실이 감소된다. 상기 가변 송신전력 증폭기 203은 상기 순방향 채널 신호들을 안테나 205를 통해서 이동국(들)로 전송한다. 상기 바이어스 제어회로 204는 상기 가변 송신전력 증폭기 203에 의해 소비되는 DC 1차 전력을 조정한다. 다른 실시예들에서는 분리된 안테나들이 신호들을 송신 및 수신하데 사용될 수 있다.
상기 그라운드 유닛 211은 제어 처리기(CP) 215, 데이터 테이블 225를 가지는 메모리 220 및 다수의 디지털 신호처리기 (DSPs) 212 내지 214로 구성된다. 상기 제어처리기 215의 제어 하에서 상기 디지털 신호처리기들은 음성, 데이터 및/또는 제어 신호들을 상기 저잡음 수신기 증폭기 202로부터 수신해서 상기 가변 전력송신기 증폭기 203으로 송신한다. 그라운드 유닛 211내의 구성요소들간의 통신은 데이터 버스 230을 통해서 이루어진다.
상기 제어처리기 215는 상기 디지털 신호처리기 212, 213 및 214의 동작을 제어한다. 디지털 신호처리기 212, 213 및 214는 상기 이동국으로부터 송신된 역방향 채널 신호의 전력레벨을 측정할 수 있다. 상기 디지털 신호처리기 212 내지 214는 상기 가변 송신전력 증폭기 203내의 RF 출력 전력레벨을 조정하기 위해서, 상기 이동국에서 송수신 기지국 101로 반송되는 하나이상의 전력제어신호들을 상기 역방향 채널 신호들로부터 검출하여 추출한다.
상기 이동국으로부터 수신된 RF 전력 제어신호들 및/또는 상기 디지털 신호처리기 212 내지 214에 의해 측정된 RF 전력레벨들은 메모리 225의 테이블 225에 수신된 신호세기 지시(received signal strength indicator; RSSI) 데이터 RSSI 1 내지 RSSI N으로서 저장된다. 상기 RSSI 1 내지 RSSI N 각각은 상기 송수신 기지국에 의해 조정되는 N개의 역방향 채널 신호들중의 하나와 결합되어진다. 상기 가변 송신전력 증폭기 203의 RF 출력 전력레벨은 메모리 220내에 "RF전력 발신종료(RF POWER OUT)" 정보로서 저장된다. 비슷하게, 상기 가변 송신전력 증폭기 203에 의해 소비되는 작동전력(또는 DC 1차 전력)은 상기 메모리 220내에 "DC 1차 전력(DC PRIME POWER)" 정보로서 저장된다.
상기 제어처리기 215는 상기 가변 송신전력 증폭기 203내의 DC 1차 전력이 현재의 RF 출력 전력레벨을 여전히 유지하면서도 최대한 감소될수 있는 지점까지 상기 RF 출력 전력이 감소되었는지를 결정하기 위해서 상기 RF POWER OUT 정보 및 DC PRIME POWER 정보의 값을 계속적으로 감시한다. 상기 DC 1차 전력을 감소시키기 위해서, 상기 제어처리기 215는 상기 가변 송신전력 증폭기 203의 DC 바이어스 전류를 조정하는 상기 바이어스 제어회로 204에 제어신호들을 보낸다.
상기 가변 송신전력 증폭기 203에 의해 소비되는 DC 1차 전력(즉, 작동전력)은 상기 지역 시설물로부터 공급된 AC 전력으로부터 상기 가변 송신전력 증폭기 203 또는 상기 송수신 기지국 101내의 어딘가에 위치한 AC-DC 변환기에 의해 실제적으로 변환된다는 사실은 당업자에게는 자명할 것이다. 상기 가변 송신전력 증폭기 203에 의해 소비되는 DC 전력량의 감소를 통해서 상기 장치에 의해 소비되는 AC 전력량도 상당히 감소되는데, 이로 인해 상기 송수신 기지국 101의 시설물비용을 줄일수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전형적인 바이어스 제어회로 204 및 가변 송신전력 증폭기 203의 일실시예를 도시하고 있다. 상기 가변 송신전력 증폭기 203은 저항기 R1, R2, R3 및 R4 와 PNP형 트랜지스터 T1 및 T2로 이루어지는 전류 미러(mirror) 회로 및 고전력 FET(전계효과 트랜지스터)형 트랜지스터 T5로 이루어진 전력 증폭기를 포함하여 구성된다. 기제시된 예시적인 실시예에서, 상기 가변 송신전력 증폭기 203은 +10.4 volts 및 -5 volts의 DC 공급전압으로 작동된다. 상기 DC 공급전압은 상기 송수신 기지국 101내의 하나이상의 AC-DC 변환기들(도시안됨)로부터 인가된다.
상기 바이어스 제어회로 204는 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)형 트랜지스터 T3 및 T4로 구성된다. 상기 트랜지스터 T3 및 저항기 R5는 상기 바이어스 제어회로 BC1에 의해 선택가능한 제 1 바이어스 제어단을 형성한다. 상기 트랜지스터 T4 및 저항기 R6는 상기 바이어스 제어회로 BC2에의해 선택가능한 제 2 바이어스 제어단을 형성한다. 추가적인 바이어스 제어단들은 요구되는 DC 1차 전력제어의 정도에 따라서 추가될수 있다. 예를 들면, MOSFET 트랜지스터 T6 및 저항기 R7은 상기 선택가능한 DC 1차 전력레벨들의 수를 증가시키기 위해서 상기 제어회로 204에 추가될수 있는 "제 n 번째" 바이어스 제어단을 나타낸다. 상기 바이어스 제어신호 BC1, BC2, BC3, ..., BCn들은 2n개의 DC 1차 전력레벨들중의 하나를 선택하는데 이용된다.
저항기 R1, 트랜지스터 T1 및 저항기 R2는 상기 전류 미러의 기준 암(arm)을 형성하는데, 여기서 기준전류 IR은 저항 R1, 트랜지스터 T1 및 저항 R2을 통해서 흐른다. 예를 들면, 만약 저전력모드시 상기 기준전류 IR이 1mA이고 상기 RF 증폭기 DC 공급전압 Vdd가 +10 VDC라면 상기 트랜지스터 T1 및 T2의 베이스 전압 Vd는 +9.3 VDC이고 R1 및 R2는 각각 400 ohms 및 9.3 kilohms이다. 트랜지스터 T1 및 T2는 동일한 베이스 전류 Ib를 가지는 한쌍의 정합 트랜지스터이기 때문에 동일한 1 mA의 기준전류 IR이 트랜지스터 T2의 이미터 및 컬렉터를 통해서 흐른다.
상기 가변 송신전력 증폭기 203이 저전력 모드에서 작동중인 경우에는, MOSFET 트랜지스터 T3 및 T4가 작동을 멈추(turned "OFF")도록 상기 신호 BC1 및 BC2는 논리 0으로 설정된다. 상기 트랜지스터 T3 및 T4가 작동을 멈추는 경우에는 저항 R5 및 R6에는 어떤 전류도 흐르지 않는다. 따라서, 트랜지스터 T5, 트랜지스터 T6 및 저항 R4내로 흐르는 모든 전류는 저항 R3을 통해서 공급된다. 만약 Vdd= +10 volts 이고 저전력 모드동안의 상기 DC 바이어스 전류(즉, RF OUT상의 부하)가 1A로 고정된다면, 상기 감지 저항 R3는 0.4 ohms이다. 저항 R4의 저항값은 트랜지스터 T5의 게이트상에 적당한 DC 바이어스 전압 Vg를 제공하도록 선택된다.
만약 감지 저항 R3으로 너무 큰 전류가 흐르면, 트랜지스터 T2의 이미터의 상기 DC 전력레벨 Vdd는 감소하기 시작해서 트랜지스터 T2는 턴 오프(turn OFF)되기 시작하며, 이로인해 FET 트랜지스터 T5의 게이트상의 바이어스 전압 Vg도 상당량만큼 감소하게 된다. 따라서, 트랜지스터 T5의 드레인을 통해서 흐르는 전류는 감소하기 시작하며, 이로인해 저항 R3내의 DC 바이어스 전류흐름도 감소하게 된다. 반대로, 감지 저항 R3의 DC 바이어스 전류가 매우 낮아지게 되면 트랜지스터 T2 이미터단의 DC 전력레벨 Vdd는 상승하기 시작하고 트랜지스터 T2는 더 강하게 턴온되며, 이로인해 FET 트랜지스터 T5의 게이트상의 바이어스 전압 Vg도 상당량만큼 증가하게 된다. 따라서, 트랜지스터 T5의 드레인을 통해서 흐르는 전류는 증가하기 시작하며, 이로인해 저항 R3내의 DC 바이어스 전류흐름도 증가하게 된다. 결국, 저항 R3를 통한 DC 바이어스 전류는 1A를 유지하며 전압 Vdd는 +10 VDC을 유지한다.
상기 가변 송신전력 증폭기 203이 고전력 모드에서 작동할 경우에는 상기 바이어스 제어신호 BC1, BC2등이 논리 1(즉, "고" 전압)에 설정됨에 따라 MOSTEF 트랜지스터 T3 및 T4중의 적어도 하나가 턴온된다. 트랜지스터 T3 및 T4는 턴온되는 경우에 저항 R5 및/또는 R6을 감지 저항 R3와 병렬연결상태로 놓이게 하는 스위치들이다. 예를 들면, BC1이 논리 1이라면 T3는 턴온되고 저항 R5는 저항 R3와 병렬연결상태가 되며 이로인해 R3∥R5로 이루어지는 감지 저항의 실효저항은 감소된다. 이로인해 트랜지스터 T5 및 출력단 부하로 인가되는 DC 전류는 증가한다. 예를 들면, R3이 0.4 ohms이고 R5가 0.8 ohms이면, 실효저항 R3∥R5는 0.2667 ohms이며 상기 DC 전류는 1.5A(0.4 VDC/0.2667 ohms)이다.
더 높은 고전력 모드에서는, 상기 DC 전류는 BC2이 논리 1로 설정됨에 따라서 더욱 증가하며 이로인해서 트랜지스터 T4는 턴온되고 저항 R6는 저항 R3∥R5와 병렬상태로 놓이게 된다. 추가적인 DC 1차 전력레벨은 상기 DC 바이어스 전류를 제어하도록 상기 감지저항(들)의 실효저항을 변동함으로써 2n전력레벨범위내에서 선택될 수 있다. 따라서, 상기 제어처리기 215는 상기 바이어스 제어신호들 BC1, BC2, BC3,..., BCn의 값들을 논리 1 또는 0에 설정함으로써 가변 송신전력 증폭기 203내의 DC 바이어스 전류를 조정할수 있다.
본 발명의 전형적인 실시예에 대한 이전의 설명에서는 트랜지스터 T3, T4, T5등을 작동가능하도록 특정 논리레벨값들을 규정하였다. 이러한 특정값들은 본 발명의 작동을 간단명료하게 설명하기 위한 목적에서 선택되어졌을 뿐이며 본 발명의 청구범위을 제한하지는 않는다. 당업자라면 트랜지스터 T3, T4, T5, T6등을 작동가능하게끔하는데 사용된 상기 논리레벨들(즉, 논리 0 또는 1)이 상기 트랜지스터가 본 발명의 대안적인 실시예들에서 P-채널형인지 n-채널형인지에 따라서 변한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예들에 따른 가변 송신전력 증폭기 203의 작동을 도해하기 위한 흐름도이다. 상기 전력제어 알고리즘은 상기 제어처리기 215에 의해 수행된다. 루틴 동작동안(401 및 402 3단계)에 상기 제어처리기는 상기 RF 출력 전력레벨 및 상기 가변 송신전력 증폭기 203의 DC 1차 전력레벨은 상기 디지털 신호처리기(DSPs) 또는 다른 적절히 배열된 전력 계량기(들)에 의해 측정된다. 본 발명의 대안적인 실시예에 있어서는, 상기 DC 1차 전력레벨은 상기 바이어스 제어신호 BC1, BC2,..., BCn들의 설정값들을 조사함으로써 결정되며, 상기 RF 출력 전력레벨은 상기 송수신 기지국 101내의 RF 신호 증폭기(들)의 이득제어 설정값들을 조사함으로써 결정된다. 편리하게도, 이로 인해 본발명에서는 별개의 전력 계량기를 사용할 필요가 없으며 결과적으로 상기 송수신 기지국 101에 드는 비용이 감소된다.
다음으로(단계 403), 상기 제어처리기 215는 상기 DC 1차 전력레벨과 상기 RF 출력 전력레벨과의 실제적인 비（DC전력÷RF전력; dB단위）를 계산한다. 이러한 DC전력/RF전력비는 상기 RF 전력 증폭기의 선형동작을 유지하도록 설정된 목표 전력비와 비교된다(단계 404). 예를 들어 목표 전력비가 10dB이면 상기 DC 1차 전력레벨은 상기 RF 출력 전력레벨의 10배 이상을 유지해야 한다. 상기 제어처리기 215는 상기 계산된 DC전력/RF전력비가 목표 전력비 이상이냐 이하이냐에 따라서 상기 바이어스 제어신호 BC1, BC2, BC3,..., BCn들을 사용하여 상기 DC 1차 전력레벨을 조정할수 있다.
상기에서 상술된 전력조정 순환과정은 상기 장치의 연산자에 의해 설정된 순환 비율로 자동적으로 반복되지만, 통화부하 상황의 급격한 변화를 보상하기에 충분할만큼 빈번히 반복된다. 따라서, 상기 DC 1차 전력레벨은 증폭기의 선형성을 보장하도록 상기 RF 출력 전력레벨보다 항상 충분히 크게 될 것이다.
상기 목표 전력비는 최소 임계치, 최대값 및 최소값을 가지는 범위 또는 두 개의 조합이 될 수 있다. 추가적으로, 상기 목표 전력비는 일정한 값이 되거나 시간지연, 현재 통화부하, 예상되는 최대 통화부하 및 통화부하의 최대 변화율등과 같은 다양한 기준에 따라서 조정될 수 있다. 본 발명의 또다른 실시예에서 최소의 DC 1차 전력레벨 임계값은 상기 가변 송신전력 증폭기 203에 대해서 설정될 수 있다. 상기 제어처리기 215는 상기 실제 DC전력/RF전력비를 상기 목표 전력비로 유지시키는 것이 불가능할지라도 상기 DC 1차 전력을 상기 최소 1차 전력레벨 임계값이하로 감소시키지 않을 것이다.
예를 들어 통화량이 큰 주간에는, 상기 목표 전력비는 10dB로 설정될 것이다. 통화량이 큰 상황의 상기 RF 출력 전력레벨이 10 watts이면, 상기 목표 전력비에 맞도록 상기 제어처리기 215는 상기 DC 1차 전력을 약 100 watts로 조정한다. 그러나, 통화량이 작은 주간에는, 상기 목표 전력비는 예를 들면 20dB로 설정될 것이다. 통화량이 작은 상황의 상기 RF 출력 전력레벨이 1 watts로 감소하면, 상기 목표 전력비에 맞도록 상기 제어처리기 215는 상기 DC 1차 전력을 약 20 watts로 조정하며 이로 인해 80 watts 의 전력이 절약된다. 그러나, 상기 목표 전력비가 통화량이 큰 상황과 작은 상황 모두에 대해서 10 dB로 일정하게 유지된다면 상기 목표 전력비에 맞도록 상기 제어처리기 215는 상기 DC 1차 전력을 약 10 watts로 조정하며 이로 인해 90 wats의 전력이 절약된다.
통화량이 큰 상황과 작은 상황에 대해서 상기와 같이 상이한 목표 전력비를 사용하는 이유는 상기 통화량이 큰 상황의 변화율이 통화량이 작은 상황의 변화율만큼 신속하거나 크지 않다는 사실 때문이다. 만약 하나이상의 먼곳의 이동국들이 갑자기 작동되거나 갑자기 방해를 받게 된다면, 이러한 새로운 상황에 대해 상기 송신기 RF 출력레벨내에서 보상할 필요가 있는 변화는, 통화량이 큰 상황에서 이미 작동중인 송신기 보다 통화량이 작은 상황에서 작동중인 송신기내에서, 훨씬 더 크다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 있어서, 상기 제어처리기 215는 상기 기지국 송수신기에 의해 전송된 RF 출력 전력레벨내에서의 갑작스러운 변화를 예측하도록 상기 1차 전력레벨을 조정할 수 있다. 상기 제어처리기 215는 특정의 상황에서 가지고 있던 선행 지식을 통해서 이러한 조정동작을 할 수 있다.
예를 들면, 상기 가변 송신전력 증폭기 203이 상대적으로 낮은 저전력 모드에서 작동중이고 상기 제어처리기 215가 새롭게 작동된 다수의 이동국이 상기 송수신 기지국 101을 접속하려고 시도하고 있다는 것을 상기 접속 채널내에서 검출할 경우에는, 상기 제어처리기 215는 상기 RF 출력 전력레벨이 상기 통화 채널들내에서 증가하기를 기다리지 않고 상기 DC 1차 전력레벨을 증가시킬 것이다. 상기 제어처리기 215는 적어도 하나 이상의 새롭게 가동된 이동국이 상기 송수신 기지국 101로부터 충분히 멀리 떨어져 있을 것이라는 가정하에서 즉, 상기 송신기의 RF 출력 전력레벨을 증가시키는 것이 필요할 것이라는 가정하에서 상기와 같은 제어동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어처리기 215는 상기 기지국 송수신기에 의해 전송된 RF 출력 전력레벨내에서의 갑작스러운 감소를 예측하도록 상기 1차 전력레벨을 감소시킬수 있다. 예를 들면, 상기 송수신 기지국 101로부터 강한 RF 출력 전력레벨을 요구하는 하나 이상의 이동국이 턴 오프되었다는 것을 상기 제어처리기 215가 검출한 경우에는, 상기 제어처리기 215는 상기 RF 출력 전력레벨의 감소를 기다리지 않은채 상기 DC 1차 전력레벨을 감소시킬 것이다. 상기 제어처리기 215는 그 자신이 상기 송신기의 RF 출력 전력레벨이 안전하게 감소될 수 있도록 상기 가동 이동국들이 충분히 상기 송수신 기지국과 가깝게 위치하고 있다는 것을 알고 있는 경우에 상기와 같은 제어동작을 수행할 수 있다.
비록 본발명이 전술한 바와 같이 자세하게 설명되었다 하더라도, 당업자라면 본 발명의 광의의 청구범위 및 정신에서 벗어나지 않은 범위내에서 전술된 본발명에 대한 다양한 변경 및 대안이 가능하리라는 것을 이해해야만 한다.
상기와 같은 본발명을 통해서 종래의 장치와 비교해서 전력소모가 감소된 전력 제어기를 다수의 이동국과 통신가능한 적어도 하나의 기지국으로 구성된 무선통신 장치용으로 구현할 수 있다.

Claims (24)

  1. 다수의 이동국과 통신이 가능한 적어도 하나의 기지국을 포함하여 구성된 무선통신 장치에서, 상기 기지국내의 선형 전력 증폭기의 전력소모를 제어하기 위한 전력제어기에 있어서,
    상기 선형 전력 증폭기의 RF 출력 전력레벨을 결정하기 위한 제 1 전력 감시장치;
    상기 선형 전력 증폭기에 의해 소비되는 1차 전력레벨을 결정하기 위한 제 2 전력 감시장치; 및
    상기 1차 전력레벨과 RF 출력 전력레벨과의 실제적인 전력비를 결정하도록 작동되며 상기 실제적인 전력비가 대략적으로 소정 목표 전력비를 유지하게끔 상기 1차 전력레벨을 조정하도록 작동하는 처리 회로를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 전력제어기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 처리회로가 상기 선형 전력 증폭기의 바이어스 전류를 조정함을 특징으로 하는 전력제어기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 선형 전력 증폭기가 선형동작하게끔 상기 소정 목표 전력비가 선택되어짐을 특징으로 하는 전력제어기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 소정 목표 전력비가 최소 임계치임을 특징으로 하는 전력제어기.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 소정 목표 전력비가 최대값 및 최소값을 가지는 범위임을 특징으로 하는 전력제어기.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 소정 목표 전력비가 상기 무선통신 장치내의 통신 부하량에 의해 결정되는 변수값임을 특징으로 하는 전력제어기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 처리회로가 상기 1차 전력레벨을 최소 1차 전력임계레벨 이상이 되게끔 조정함을 특징으로 하는 전력제어기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 처리회로가 상기 RF 출력 전력레벨의 추후 변화를 예기하여 상기 1차 전력레벨을 조정함을 특징으로 하는 전력제어기.
  9. 다수의 이동국과 통신이 가능한 다수의 기지국으로 구성된 무선통신 장치에 있어서,
    상기 다수의 기지국중 적어도 하나의 기지국이
    RF 출력 전력레벨 및 작동 전력 레벨을 가지는 선형 전력 증폭기; 및
    상기 선형 전력 증폭기의 작동 전력레벨을 조정하기 위한 전력제어기를 포함하여 구성되며,
    상기 전력제어기는,
    상기 선형 전력 증폭기의 RF 출력 전력레벨을 결정하기 위한 제 1 전력 감시장치;
    상기 선형 전력 증폭기의 작동 전력레벨을 결정하기 위한 제 2 전력 감시장치; 및
    상기 작동 전력레벨과 RF 출력 전력레벨과의 실제적인 전력비를 결정하도록 작동되며 상기 실제적인 전력비가 대략적으로 소정 목표 전력비를 유지하게끔 상기 작동 전력레벨을 조정하도록 작동하는 처리 회로를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 무선통신 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 처리회로가 상기 선형 전력 증폭기의 바이어스 전류를 조정함을 특징으로 하는 무선통신 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 선형 전력 증폭기가 선형동작하게끔 상기 소정 목표 전력비가 선택되어짐을 특징으로하는 무선통신 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 소정 목표 전력비가 최소 임계치임을 특징으로하는 무선통신 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 소정 목표 전력비가 최대값 및 최소값을 가지는 범위임을 특징으로하는 무선통신 장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 소정 목표 전력비가 상기 무선통신 장치내의 통신 부하 상황에 의해 결정되는 변수값임을 특징으로하는 무선통신 장치.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 처리회로가 상기 1차 전력레벨을 최소 1차 전력임계레벨 이상이 되게끔 조정함을 특징으로 하는 무선통신 장치.
  16. 제 9항에 있어서,
    상기 처리회로가 상기 RF 출력 전력레벨의 추후 변화를 예기하여 상기 1차 전력레벨을 조정함을 특징으로 하는 무선통신 장치.
  17. 다수의 이동국과 통신이 가능한 적어도 하나의 기지국을 포함하여 구성된 무선통신 장치에서 상기 기지국내의 선형 전력 증폭기의 전력소모를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 선형 전력 증폭기의 RF 출력 전력레벨을 결정하기 위한 단계;
    상기 선형 전력 증폭기에 의해 소모되는 1차 전력레벨을 결정하기 위한 단계;
    상기 1차 전력레벨과 RF 출력 전력레벨과의 실제적인 전력비를 결정하는 단계; 및
    상기 실제적인 전력비가 대략적으로 소정 목표 전력비를 유지하게끔 상기 1차 전력레벨을 조정하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 선형 전력 증폭기의 전력소모 제어방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 전력레벨 조정단계가 상기 선형 전력 증폭기의 바이어스 전류를 제어함을 특징으로 하는 전력소모 제어방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 선형 전력 증폭기가 선형동작하게끔 상기 소정 목표 전력비가 선택되어짐을 특징으로 하는 전력소모 제어방법.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 소정 목표 전력비가 최소 임계치임을 특징으로 하는 전력소모 제어방법.
  21. 제 17항에 있어서,
    상기 소정 목표 전력비가 최대값 및 최소값을 가지는 범위임을 특징으로 하는 전력소모 제어방법.
  22. 제 17항에 있어서,
    상기 소정 목표 전력비가 상기 무선통신 장치내의 통신 부하 상황에 의해 결정되는 변수값임을 특징으로 하는 전력소모 제어방법.
  23. 제 17항에 있어서,
    상기 전력레벨 조정단계가 상기 1차 전력레벨을 최소 1차 전력임계레벨 이상이 되게끔 조정함을 특징으로 하는 전력소모 제어방법.
  24. 제 17항에 있어서,
    상기 전력레벨 조정단계가 상기 RF 출력 전력레벨의 추후 변화를 예기하여 상기 1차 전력레벨을 조정함을 특징으로 하는 전력소모 제어방법.
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