KR100740075B1

KR100740075B1 - 무선 데이터 패킷용 공간 스위칭형 라우터

Info

Publication number: KR100740075B1
Application number: KR1020027004783A
Authority: KR
Inventors: 버거조세프; 로센블루드어브
Original assignee: 인텔 코오퍼레이션
Priority date: 1999-10-13
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2007-07-18
Also published as: US6426814B1; IL149083A; KR20020047232A

Abstract

와이어리스 무선 통신 체계에 있어서, 공간적으로 다양한 위치(12, 13, 14)로 송신 예정된 데이터 패킷은 네트워크 노드들 사이에서 데이터 패킷을 스위칭하고 그것을 송신할 수 있는 스위칭형 라우터 장치(19, 20, 21, 22)에 의해 다이렉팅되는데, 여기서 스위칭 방향 및 타이밍은 데이터 패킷의 라우팅 목적지 및 네트워크 노드의 공간 토폴로지로부터 획득되는 정보에 의해 실시간 제어된다. 본 발명은 1 GHz 이상의 마이크로파 주파수 범위에서 사용되는 초고속 전자 제어 스위칭형 어레이 피드(16, 17, 18)를 사용하는데, 상기 어레이 피드는 무선 트랜시버 노드들이 데이터 패킷의 라우팅, 스케줄링 및 링크 유효성 정보를 기초로 해서 데이터 패킷을 다른 무선 트랜시버 노드들을 향하여 공간적으로 스위칭할 수 있도록 해주는 RF 집속 및 조준 안테나(11)에 결합된다.

Description

무선 데이터 패킷용 공간 스위칭형 라우터{SPATIALLY SWITCHED ROUTER FOR WIRELESS DATA PACKETS}

본 발명은 일반적으로 무선 통신 분야에 관한 것으로서, 특히 대용량 무선 광대역 네트워크용 스위칭형 어레이 안테나용 라우터에 관한 것이다.

1 GHz에서 100 GHz 이상의 고주파수 범위에서의 무선 통신은 지점 대 지점간(Point-to-Point:PP) 통신 및 지점 대 다지점간(Point-to-Multi Point:PMP) 통신에 있어서 널리 사용된다. 이러한 고주파수에 있어서, 보통 3 종류의 안테나가 공간 지향의 데이터 송신에 사용된다. 파라볼라 안테나(parabolic reflector antenna)는 고정된 좁은 공간 방향의 송신에 사용된다. 부채꼴 혼 안테나(sectorial horn antenna)는 고정된 넓은 영역의 송신에 사용된다. 패치 안테나(patch antenna) 또한 고정된 방향의 송신에 사용된다. 이러한 안테나들은 적절히 규정된 공간 섹터에 위치한 트랜시버를 향하여 정렬된 고정된 로브 패턴을 갖는다. 일단 데이터 링크가 규정되고 나면, 안테나는 회선 접속 방식이나 방송(broadcast) 방식이나 폴링(polling) 방식으로 매체 접근 제어(media access control:MAC)층을 기반으로 해서 상기와 같은 고정된 방향으로부터 데이터를 송신 및 수신한다. PP 및 PMP 시스템에 있어서, 각각의 링크 양쪽에 위치한 트랜시버의 안테나는 서로 마주 보도록 정렬되어야만 하는데, 이러한 안테나 정렬은 보통 최초 링크 커미셔닝(commissioning) 중에 수동으로 행해진다. PMP 링크를 설정한 경우, 양 사이트에 위치한 안테나 빔은 최대 수신 신호에 도달하도록 서로를 향하여 동시에 정렬되어야만 한다. PMP 시스템에 있어서, 기지국은 흔히 적절히 규정된 섹터로 복사하도록 최초에 설정된 고정된 부채꼴 안테나, 예컨대 360도를 커버하도록 배치된 90도의 4개의 저이득 안테나를 포함한다. 따라서, 가입자(subscriber)의 안테나는 그의 이득을 증가시키기 위해서 더 좁은 공간 발산(divergence)을 가지며, 최대 수신에 도달할 때까지 방위 및 고도에 있어서 기지국 위치를 향하여 정렬된다. 이러한 정렬은 또한 기지국이 그의 매우 낮은 이득의 고정된 부채꼴 안테나를 통해서 최대 송신 신호를 수신하는 것을 보장한다.

안테나에 의해 송신 및 수신되는 데이터 패킷는 동일한 방향으로부터 송수신된다. FDM B 주파수 분할 다중화나 TDM B 시분할 다중화 또는 다른 변조 방식을 사용하는 PMP 시스템의 경우에 있어서, 기지국은 한 섹터 내에 위치한 특정 트랜시버만을 위한 정보를 방송할 수 있다. 동일한 섹터 내에 위치한 다른 모든 트랜시버도 그 정보 데이터를 수신하고 디코드할 수 있지만, 일단 그 데이터가 자신들에게 조준된 것이 아님을 알고 나면 그 데이터를 무시할 것이다. 그러나, 많은 트랜시버가 서로 그 섹터를 공유함으로써, 데이터 패킷을 동일한 주파수로 송신할 경우 단지 제한된 양의 데이터 패킷만이 그 트랜시버들에게 동시에 전송될 수 있다.

PP 링크 양쪽에서의 정렬 과정이나, PMP 시스템에서 새로운 가입자를 추가하는 경우에서의 정렬 과정은 서비스 가동 전에 오프 라인시킨 후, 수신된 신호 레벨 을 모니터하면서 정확한 기계적인 조정을 행하는 과정을 포함한다. DBS(직접 방송 시스템 - 위성을 이용한 PMP)에 있어서, 안테나 정렬은 지상 PMP 시스템과 유사한 방식으로 행해진다. 가입자 위치에서, 안테나는 양호한 신호가 검출될 때까지 정지 위성을 향하여 정렬된 후, 그 방향을 향하여 기계적으로 고정된다. 전술한 모든 경우에 있어서, 안테나의 개구는 통신 링크를 설정하고 서비스를 개시하기 전에, 방송원을 향하여 또는 서로를 향하여 기계적으로 정렬된다. 상기 방향은 수신된 신호 레벨을 기초로 해서 때로는 모터 구동 안테나에 의해 기계적으로 조정되며, 최대 수신 및 송신을 위한 특정 방향에 고정된다.

데이터를 상이한 송신 방향으로 라우팅 또는 다이렉팅함에 있어서 몇 가지 방법이 사용된다. 가장 일반적인 방법으로는 다수의 트랜시버를 구비한 기지국을 설치하는 것인데, 상기 각각의 트랜시버는 그 자신만의 별도의 안테나를 가지며, 그 안테나들은 각각 상이한 섹터를 커버한다. 기지국의 MAC층은 기저 대역의 데이터를, 그 데이터 패킷이 조준된 가입자 트랜시버 사이트를 포함하는 섹터를 커버하는 송신기로 스위칭한다. PMP 기지국에서, 혼 안테나와 같은 통상의 부채꼴 안테나는 수평면에서는 90도, 45도, 30도 또는 15도의 로브로, 그리고 수직면에서는 약 7도의 로브로 고정되어 커버하도록 설계된다. 한편, 가입자의 안테나는 상당히 더 좁은 빔 감도, 즉 고이득으로, 그리고 수평면과 수직면에서 서로 유사한 발산, 보통 7도 미만으로 설계된다. 일반적으로 혼 안테나, 렌즈 교정 혼(lens corrected horn) 및 파라볼라 안테나가 가입자 트랜시버용으로 사용된다. 다른 PMP 시스템은 기지국으로부터 다운스트림 데이터를 수신할 때는 임의 편파, 즉 수평 편파로 수신 하고, 기지국을 향하여 업스트림 데이터를 송신할 때는 그것과 직각을 이루는 편파, 즉 수직 편파로 송신함으로써 네트워크 용량을 증가시키는 안테나를 구비한 가입자 무선 기기를 사용한다. 전술한 모든 경우에 있어서, 한 섹터 내의 공간 용량은 안테나 정렬에 의해 고정된다.

페이즈드 어레이 안테나(phased array antenna)는 각각의 안테나 소자의 위상을 다른 소자들의 위상에 대해 제어함으로써 빔 스티어링(beam steering)을 가능케 한다. 이러한 안테나들은 데이터 패킷의 버스트 특성 때문에 매우 짧은 지속 기간(duration)에서 제어하기가 복잡하다. 따라서, 페이즈드 어레이 안테나는 현재 단지 일부 향상된 셀룰러 기지국에서 상대적으로 긴 지속 기간의 데이터 송신을 위한, 예컨대 음성 대화 지속 기간이 데이터 패킷에 비해 상대적으로 매우 긴 회선형 네트워크에서 회선 접속을 설정하는 데 사용된다. 페이즈드 어레이 안테나는 주로 저주파수, 통상 2.5 GHz 미만에서, 다중 반사(multireflection) 환경에서 고지향성을 얻는 데 사용된다. 고주파수에서 구성 요소, 즉 이상기(phase shifter)의 복잡성, 고비용 및 고손실은 대량의 상업적 응용에 사용함에 있어서 방해 요소가 된다.

데이터 패킷을 상이한 방향에 있는 상이한 트랜시버를 향하여 스위칭할 수 있는 간단한 해결책은 최종 출력 에너지를 상이한 각도에 위치한 상이한 부채꼴 안테나 사이에서, 즉 수평면에서 빠르게 스위칭함으로써 상당한 시계(field of view)를 커버하는 것이다. 그러나, 이러한 구성은 각각 상이한 방향으로 조준된 다수의 안테나와, 이들 안테나에 피딩(feeding)하기 위한 다수의 송신기와 접속 라인을 요구한다. RF 에너지는 긴 도파관 또는 동축 케이블을 통해 각각의 안테나로 스위칭 및 전달되어야만 한다. 그 스위치에서 그 안테나까지의 간격은 상당한 신호 감쇠를 야기하는데, 이는 고주파수에서 증가되고, 안테나의 구조적인 크기와 비용의 증가를 요구하며, 또한 그러한 간격은 환경적으로도 반대할 만한 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 고주파수 스위칭형 안테나 어레이를 이용하여 그 안테나 어레이에 매우 근접하게 위치한 밀리미터파용 고속 스위치를 제어하는 것이다. 이것은 고주파수 RF를 변조한 높은 비트율의 패킷이 상이한 공간 방향에 위치한 상이한 트랜시버를 향하여 효율적으로 스위칭되게 할 필요가 있다.

임의 형태로 분포된 무선 노드들간의 공간에서 데이터 패킷을 공간 라우팅하는 예가 Berger 등의 2000년 5월 4일 공개된 PCT 출원 WO 00/25485 "Broadband Wireless Mesh Topology Network"에 기재되어 있다. 그 무선 네트워크 노드들은 송신 및/또는 수신될 데이터 패킷의 라우팅 주소를 기초로 해서 송신 방향과 수신 방향을 선택하도록 설계된다. 송신 또는 수신 방향의 선택은 이전 출원에서 설명된 바, 네트워크 노드의 MAC층의 스케줄러에 의해 규정된 바와 같이, 상이한 방향에 위치한 노드들로부터 도달되거나 상이한 방향에 위치한 노드들을 향하여 송신되는 데이터 패킷의 짧은 버스트를 수용할 수 있도록 순간적으로 행해진다. 통신 프로토콜은 메시, 트리 및 브런치 등의 일반적인 토폴로지와 PMP에서 네트워크 노드들 사이에서 공간적으로 라우팅되는 패킷의 스케줄링을 지원하도록 설계된다. MAC층의 기술은 특히 관련된다.

여기에서 공개한 공간 스위칭형 라우터(SSR)는 데이터 패킷을 스위칭하고 데 이터 패킷을 무선 네트워크 노드들 사이에서 공간적으로 전송할 수 잇는 데이터 패킷 스위칭 및 라우팅 장치를 설계하는 방법을 설명하고 있다. MAC 계층(layer)은 실시간으로 RF 스위칭의 방향과 시간을 정하고, 따라서 패킷 경로, 목적지 및 네트워크의 노드 공간 위치를 기초로 하여 데이터 패킷을 지향시킨다. 종래의 응용예에서는 RF 스위칭이 스케쥴에 의해서 얻어지고 각 노드에서 유지됨에 따라서 패킷은 지향되어 지정된 시간에 지시된 공간 분리 노드로부터 수신된다. 본 발명에서 이 MAC 프로토콜은 송수신 타이밍과 그에 상응하는 송신 또는 수신의 원하는 방향을 먼저 알고 있는 것으로 가정한다. 그러나, 다른 패킷 프로토콜은 패킷의 디코딩에 의해서 얻은 어드레스 디코딩 및 라우팅 정보와 함께 사용될 수 있다.

SSR 장치는 송신 및 수신 데이터 패킷을 하나의 노드에서부터 이웃하는 다른 노스로 그리고 상이한 방향 및 거리에 위치한 복수의 노드에서부터 그들 노드 주위의 다른 노드들로 스위칭할 수 있다. 고속 스위칭은, 수 나노초에서 수 마이크로초의 범위 내에서 제어 신호를 데이터 패킷 송수신 타이밍과 동기하고 송수신 방향과 동기하게 일련의 마이크로파 스위치에 고속으로 인가함으로써 달성된다. 고속 RF 스위치는 수신기 입력 포트와 송신기 입력 포트간의 분리도를 크게하여 RF 손실을 최소화하는 구성으로 설계된다. 그 설계에 의해서, 스위치와 출력 피딩 포트의 근접성은 초고주파수(20 GHz 이상)에서 특히 중요한 결합 손실과 전송 손실을 줄일 수 있다. nxm 스위치 어셈블리(여기서, n은 입력 포트의 수, m은 출력 포트의 수)는 GaAs 집적 회로로 만든 일련의 주문형 2×4 집적의 RF 스위치를 기초로 하여 설계되어, 초고주파수(20 GHz 이상)와 집속 및 조준 안테나 구조(focusing and collimating antenna structure)에 근접 결합된 스위칭 어레이 어셈블리 구조에 적합하게 설계된다.

현재의 공간 스위칭형 라우터 장치의 중요 특징은, 메쉬(mesh) 토폴로지 네트워크에서의 다중의 분산 노드와, 트리와 분기 및/또는 PMP 등의 메쉬 토폴로지 네트워크의 다른 모든 파생 노드간에 '커넥션리스형' 통신 링크를 형성할 수 있는 무선 공간 패킷 라우팅 및 스위칭 능력에 있다. 초고주파수에서, 시스템은 통신 노드간에 가시 거리(LOS, line-of-sight)를 필요로 할 수 있다. 목적 노드의 특정 방향을 향하는 인터넷 프로토콜(IP) 패킷 등의 데이터 패킷의 공간 전송에 의해서, 복수의 노드가 동시에 같은 주파수로 동일한 영역에서 상호 간섭을 최소로 하여 전송할 수 있다. 이 동기된 메쉬 네트워크는 네트워크의 이용 가능한 용량을, 많은 PMP 시스템에서 이용되는 공통의 '커넥션형' 네트워크에 비해 극적으로 증가시킨다. 그 PMP 시스템에서는 소정의 섹터에서의 대역폭이 안테나의 고정된 복사 패턴에 의해서 미리 정해진다. 본 발명의 공간 스위칭형 라우터 장치는 고속의 경로 다이버시티와 고속의 부하 밸런싱을 수행하여, IP 데이터 패킷 통신량의 버스트 성질을 최대한 이용할 수 있다.

본 발명은 FCC 할당된 LMDS (Local Multipoint Distribution System) 스펙트럼, 27 GHz B 31 GHz, 및 지역별로 운영자에게 할당되는 다른 스펙트럼 등의 무선 추고주파수에 적합하다. 그 주파수 대역은 10.5 GHz(영국, 남미), 24.5-26.5 GHz(유럽), 38-40 GHz(미국) 등과 같은 주파수로 분배된 대량의 데이터를 가능케 한다. 그 주파수에서는 전송선로의 감쇄가 매우 높다. 따라서, 현재의 설계는, 복수의 피 딩 포트에 밀접하게 결합되는 고밀집 스위치 어레이 매트릭스로 제작된다. 여기서, 복수의 피딩 포트는 무선 주파수에서 빔 형성 광학 장치의 복수의 집속 및 조준 포트를 피딩하도록 설계된다. 본 발명에서 설명되는 빔 형성 장치 중 하나는 일차원 즉 수평 집속 장치를 형성하는 공지된 다층 그레이디드 인덱스형 원통형 렌즈로 이루어진다. 여기서, 다른 차원, 즉 수직 발산은 피딩 포트 혼(horn)의 개구 크기에 의해서 정해진다. 이 장치의 설계에 의해서, 수평면과 수직면으로 상이하게 발산하는 빔을 형성할 수 있다(수평면은 스위칭 면임).

본 발명의 다른 빔 형성 장치에 있어서, 피딩 포트들은 수평(스위칭)면과 수직면에서 동일한 발산으로 빔을 형성하는 다층 그레이디드 인덱스형 구형 렌즈, 예컨대 RF 루네버그 렌즈에 피딩한다. 양자 모든 장치에 있어서, 빔 스위칭은 섹터 내에서 상이한 방향으로부터 매우 높은 이득과 집속 효율을 갖도록 120도를 초과하는 각도를 커버할 수 있다. RF 캐리어를 변조한 데이터 패킷은 초점들로 스위칭되는데, 이 때 상이한 초점들로부터의 빔은 목적지 방향으로 조준된다. 모든 빔들은 동일한 렌즈를 공유하고 원통형 또는 구형 렌즈의 중복되는 개구를 사용함으로써, 무선 노드 안테나의 크기를 상당히 감소시킨다. 더 작아진 크기로 인해, 안테나를 통해 결합되는 RF 에너지의 손실이 낮아지고, 더 가벼워지며, 환경적으로도 최소한의 점유만 이루어진다.

도 1은 본 발명에 따라 네트워크에서 사용되는 구형 또는 원통형의 그레이디드 인덱스형(graded index) RF 렌즈를 구비한 무선 데이터 패킷용 공간 스위칭형 라우터 장치를 갖는 무선 노드의 상면도.

도 2는 도 1의 공간 스위칭형 라우터 장치에서 사용되는 피딩 포트와 원통형 RF 옵틱스 집속 및 조준 안테나의 측면도.

도 3은 도 1의 공간 스위칭형 라우터 장치에서 사용되는 RF 스위치 어셈블리의 상면도.

도 4는 저잡음 증폭기를 구비한 도 3의 RF 스위치 어셈블리의 상면도.

도 5는 전력 증폭기를 구비한 도 4의 RF 스위치 어셈블리의 상면도.

도 6은 도 3 내지 도 5의 RF 스위치 어셈블리에 채용된 RF 스위치의 전기적 구성도.

도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 무선 라우터 트랜시버 노드가 RF 옵틱스 집속 및 조준 장치에 연결된 RF 스위치 어셈블리를 통합한 것을 보여준다. 상기 RF 옵틱스 집속 및 조준 장치는 렌즈 형태가 구형 또는 원통형일 수 있는 그레이디드 인덱스형 RF 렌즈이다. "RF 옵틱스"란 용어는 본원 명세서에서, 무선 주파수에서 동작하지만, 렌즈 효과와 같이, 전파(radio wave) 상에 광학적 파 효과(optical wave effect)를 나타내는 디바이스를 의미한다. 상기 트랜시버는 로컬 네트워크와 통신하는 로컬 포트(23)를 포함한다. 로컬 포트(23) 및 유사한 다수의 포트는 10/100 BASE T 이더넷 접속용 연선(twisted pair)과 같은 와이어 접속, 광섬유 접속, 또는 ISM(industrial-scientific-medical) 대역(2.4 Ghz 및/또는 5.7 GHz) 또는 MMDS 스펙트럼과 같은 주파수를 통한 별도의 로컬 액세스 전용의 무선 트랜시버를 포함할 수 있다.

중앙 처리 장치(CPU)(22)는 원격 네트워크 노드로부터 공기를 통해 그리고 로컬 포트(23)를 통해 수신 및 송신되는 데이터 패킷을 처리한다. 중앙 처리 장치(22)는 상이한 방향으로부터 도달된 데이터 패킷을 적절한 수신기로 스위칭하고 송신된 데이터 패킷을 적절한 원격 노드 방향을 향하여 스위칭하도록 동기식 타이밍 순서로 스위치 어셈블리를 가동시키는 제어 신호를 공급한다. 원격 노드들이 상이한 방향, 즉 방향(12, 13, 14)을 향한 빔 전파에 대응하는 방향에 위치한다고 가정하자. 예로서 본 발명에 사용된 MAC층은 미리 설정된 스케줄의 라우팅 정보, 특히 데이터 패킷의 라우팅 경로 및 목적지, 우선 순위, 링크 유용성을 기초로 해서, 데이터 패킷의 라우팅 방향과 각 노드에서의 송신 또는 수신 타이밍을 결정하며, 이에 대해서는 상기 언급한 출원 S.N 09/328,105에 충분히 설명되어 있다. 예컨대, RF 렌즈를 향하여 (RF 펄스) 전파되는 식으로 도 1에 도시된 바와 같이 방향(14)과 관련된 노드로부터 수신된 패킷은 저장, 처리, 분류되어 로컬 포트(23)나 방향(12 또는 13)과 같이 다른 원격 노드와 관련된 노드를 향하여 라우팅된다[방향(12, 13)으로 전파되는 도 1에 도시된 "RF 펄스"를 참조]. 라우팅 정보가 미리 알려지지 않은 경우에는, 그 라우팅 정보를 얻기 위해서 패킷을 디코드해야만 한다.

수신기(21)는 RF 저잡음 증폭기, 다운 컨버터, IF 수신기, A/D 컨버터 및 복조기를 포함한다. 송신기(20)는 변조기, D/A 컨버터, IF 송신기, 업 컨버터 및 RF 전력 증폭기를 포함한다. 상기 시스템(20, 21)은 또한 표준 고주파수 무선 트랜시 버 설계에 따라 국부 발진기, 고주파수 발진기 및 위상 잠금 루프(PLL)를 포함한다.

RF 마이크로파 스위치 어셈블리(19)는 도 3을 참조하여 이하 설명될 RF 스위치 어레이를 포함한다. 마이크로파 스위치 어셈블리(19)는 중앙 처리 장치(22)에 의해 인가된 제어 신호에 의해 가동된다. 제어 신호는 송신기(20)에 의해 발생된 무선 주파수 신호를 변조한 데이터 패킷을 다수의 RF 피더(feeder), 예컨대 피더(16, 17, 18) 중 하나의 피더로 스위칭한다. 피더는 표준 마이크로파 혼일 수 있다. 피더는 RF 신호를 RF 렌즈(11)의 초점으로 다이렉팅한다. RF 렌즈(11)는 바람직하게는 미국 특허 제4,309,710호에 개시된 형태의 루네버그(Luneberg) 렌즈이다. 상기 고속 마이크로파 스위치 어셈블리는 중앙 처리 장치(22)로부터의 동기식 제어 입력을 기초로 해서, 데이터 패킷을 상이한 포트(16, 17, 18 등)로 라우팅한다. 피더는 RF 주파수를 RF 렌즈(11)의 초점으로 전달한다. RF 렌즈(11)는 예컨대, 피더(17)에서 방향(12)에 위치한 원격 노드 또는 노드들로, 또는 피더(16)에서 방향(13)에 위치한 원격 노드 또는 노드들로 빔을 조준한다.

또한 상기 동일한 피더들이 상이한 안테나로부터 도달된 RF 마이크로파 에너지에 대한 수신 포트로서의 역할을 할 수 있다. 예컨대, 방향(14)의 원격 노드로부터의 RF 빔은 피딩 포트(18)를 향하여 집속되고, 동기식으로 마이크로파 스위치 어셈블리(19)에 의해 수신기(21)를 향하여 스위칭된다. 이와 같이, 단일 렌즈 및 스위치 어레이 어셈블리 구조가 데이터 패킷의 송신 및 수신 모두에 사용됨으로써, 시계를 증가시키는 동시에 트랜시버 안테나의 크기를 최소화한다. 시분할 이중(time division duplex:TDD) 모드에 있어서, 상기 동일한 스위치 어셈블리(19)가 송신 및 수신 기능에 사용됨으로써, 트랜시버의 비용이 감소되고, 트랜시버의 출력 및 입력 대역폭에 대한 데이터 패킷과 관련된 버스트 흐름의 양호한 매칭이 가능하게 된다.

RF 렌즈(11)는 먼지, 얼음, 비 등이 직접 RF 렌즈 표면에 축적되는 것으로부터 RF 렌즈 재료를 보호하도록 설계된 레이돔(radom)(15)을 갖는다. 히트 싱크(heat sink)(24)는 트랜시버 및 라우터 전자 장치에 의해 발생된 열을 방산한다.

마이크로파 렌즈(11)는 상이한 방향, 즉 방향(12, 13, 14)으로부터의 마이크로파 빔을, 120도 이상으로 확대될 수 있는 상당한 시계를 커버하도록 마이크로파 렌즈의 원주 주위에 각각 위치한 도파관 피더, 즉 피더(17, 16, 18)로 집속한다. RF 에너지의 집속은 한 유전체층이 다른 유전체층을 둘러싸면서 중심에 놓인 그레이디드 인덱스형 유전체층에 의해 행해지는데, 여기서 높은 인덱스의 굴절층은 중심에 위치한다. 굴절 인덱스는 마이크로파 렌즈의 직경이 증가할수록 감소한다. 굴절 인덱스는 루네버그 표현식을 기초로 하는데, 여기서 구형 렌즈의 굴절 인덱스는 이상적인 영상 특성을 갖는다.

루네버그 렌즈에 대한 RF 주파수의 굴절 인덱스 분포 n(r)는 유한 반경 r에 이르며, 다음과 같이 주어진다.

n(r) = 1, r > 1 또는 r = 1

여기서, r은 구(또는 원통)의 중심으로부터의 거리이고, a는 구(또는 원통)의 반경이다. 루네버그 렌즈는 구대칭을 사용하며, 상이한 방향으로부터 도달된 복사선(ray) 빔에 대해 구 또는 원통형 표면 근처 초점에서 최대 집중도를 갖는다.

마이크로파 RF 주파수의 긴 파장(보통 수 밀리미터)으로 인해서, 마이크로파 렌즈는 일반적으로 반쪽 셸(shell)들로 이루어지고 서로의 내부에 삽입되며 굴절 인덱스가 단계적으로 변하는 다수의 유전체 구형 셸의 형태로 구현된다.

본 발명에 있어서, 비대칭 빔 형성 장치를 얻기 위한 원통형 렌즈가 또한 기재되어 있다. 이 원통형 렌즈는 도 2에 도시되어 있다. 그레이디드 인덱스형 다층 마이크로파 원통형 렌즈는 상이한 직경의 다수의 원통형 튜브들이 서로의 내부에 삽입되어 이루어지는데, 여기서 각 층의 그레이디드 인덱스는 그 층의 직경이 증가할수록 감소한다. 그 코어는 최대 굴절 인덱스가 n(r ~ 0) ~ (2)^1/2에 가까운 원통형 막대기(rod)이다.

본 발명의 일차원 원통형 마이크로파 렌즈(31)는 구현하기가 용이하고 그 제조 비용이 많이 들지 않는다. 도 2의 원통형 디자인은 피딩 포트(33)로부터 발산하는 피드 에너지를 수학식 1의 원통 반경 크기에 대한 마이크로파 렌즈의 그레이디 드 인덱스의 변화를 기초로 한 발산으로 조준하는 것을 가능케 한다. 마이크로파 렌즈(31)를 형성하는 데 다층 원통형 소자들을 사용함으로써, 렌즈를 대량으로 제조할 수 있는데, 즉 상이한 굴절 인덱스를 갖는 긴 튜브들(즉 대략 10개의 상이한 타입의 튜브들)을 형성하고, 그것들을 서로의 내부에 삽입한 후, 그 원통을 적절한 치수의 길이로 절단함으로써, 다수의 렌즈가 생성된다. 그 원통형 렌즈의 길이는 피딩 개구의 크기에 의해 규정되며, 그 원통형 렌즈 내부에서의 수직 빔 회절과 양립할 수 있도록 이루어진다.

도 2의 원통형 구성의 디자인에 있어서, 수직 개구는 원통 표면을 따라 원통형 렌즈의 축에 평행하게 길게 늘어진 초점면에서 피딩 포트(33)로부터의 수직 빔(32) 회절을 규정하는 혼 수직 개구에 의해 규정된다. 그러한 적용과 노드를 커버하는 각도를 기초로 해서 수평면과 수직면에 대해 상이한 빔 발산을 설계하는 데 어느 정도의 자유가 있다.

구형 렌즈 디자인의 경우에 있어서는, 수평면과 수직면에 대해 유사한 빔 발산이 형성된다. 그 출력 포트는 도파관 피드 또는 패치 피드 디자인에 의해 구현될 수 있다. 플레어형(flared) 도파관과 같은 다른 기술을 사용하여 특정 면에서의 빔 이득의 변화를 형성할 수 있다.

도 2에 있어서는, 혼(33)이 그레이디드 인덱스형 원통형 렌즈(31)에 피딩하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 혼이 원통 주위의 섹터에 위치한다. 수직면에서의 빔 발산은 단지 원통형 안테나의 축을 따라 일차원으로 RF 빔을 확장시키는 혼(32)을 이용해서 피딩 포트(33)로부터의 빔 확장을 제어함으로써 감소된다. 혼은 스위치 어레이 어셈블리로부터 렌즈의 초점 표면(34)에 이른다. 혼(32)은 대략 ~1/2 RF 주파수 파장의 크기보다 작은 수평 치수를 유지함으로써, 수평 방출 빔이 원통형 렌즈의 그레이디드 인덱스형 구조에 의해 확장 및 조준될 수 있도록 해준다. 좁은 수평 치수의 혼은 다수의 혼이 스위칭 면에서 고분해능(high resolution)을 달성할 수 있도록 나란히 배치될 수 있도록 해준다. 수직 발산(35)은 보통 7.5도보다 작은데, 수평면(36), 즉 스위칭/스티어링면에서 각각의 빔에 대해 요구되는 이득을 기초로 해서 상이한 크기로 설계될 수 있다. 렌즈(31)가 그레이디드 인덱스층의 변화를 갖는 것으로 보인다. 렌즈(31)는 다수의 피딩 포트들 사이에서 부분적으로 공유되는 출력 개구(37)를 갖는다. 피딩 포트(33)는 스위치 어셈블리로부터 들어와 피딩 포트 혼(32)에 이르는 입력 편파 빔(38)을 갖는데, 여기서 E는 그 필드 편파이다.

원통형 디자인의 렌즈의 이점은 수평면, 즉 스위칭면에서 좁은 개구를 갖는 피딩 포트들을 가짐으로써, 다수의 피딩 포트들을 렌즈의 외주 주위에 배치하여 다수의 빔에 대한 분해능과 이득을 증가시킬 수 있다는 점이다. 각각 스위칭면에서 좁은 발산과 고이득(높은 공간 분해능)을 갖는 다수의 좁은 빔들은 동일한 렌즈 커버리지 에어리어(coverage area)에서 동일한 주파수들을 다중 사용할 수 있도록 해주며, 또한 조준 섹터가 더 좁아지고 이득이 더 높아짐으로 인해서 각각의 방향으로의 비트율을 증가시킬 수 있도록 해준다.

RF 빔 편파는 혼 도파관 피드 디자인 또는 대안적으로 패치 안테나 피드 디자인의 방향 및 치수에 의해 규정된다. 그레이디드 인덱스형 렌즈 구성은 시스템 디자인이 한 편파로 송신하고 그것과 직각을 이루는 (다른) 편파로 수신하는 경우에 상기 양쪽 모든 편파에 대해 사용될 수 있다. 예컨대 FDD(time division duplex) PMP 시스템에 있어서, 송신 피드들은 동일한 원통형 렌즈를 사용하는 수신 피드들 위 또는 아래에 위치할 수 있다. 이러한 방식으로, 송신 및 수신 양쪽 모두가 상이한 주파수로 동시에 이루어질 수 있다. 그러한 송신 및 수신은 심지어 송신과 수신이 동시에 이루어지는 경우에도 송신과 수신을 확실히 분리하기 위해서 상이한 주파수 및 상이한 편파로 행해질 수 있다. 이러한 FDD PMP 시스템에 있어서, 단일 렌즈 구성은 기지국 위치를 중심으로 한 부채꼴 선택에서 고분해능을 허용한다.

도파관 빔 피더들 대신에, 다수의 패치 안테나 피드가 RF 에너지를 렌즈의 초점에 위치한 만곡 표면으로 다이렉팅하는 데 사용될 수 있다. 패치 안테나 피드의 경우에는, 대칭적인 치수의 피드가 구형 렌즈 피드용으로 사용되거나, 비대칭적인 디자인이 원통형 렌즈 피드용으로 사용된다. 어떤 렌즈 피드 디자인은 또한 사이드 로브 억제를 위한 아포디제이션(apodization)을 채용한 구조를 포함할 수 있다.

원통형 렌즈를 포함한 또 다른 디자인이 대개 상이한 주파수로 신호를 동시에 송신 및 수신하는 데 사용될 수 있다. 이러한 디자인에 있어서, 수신기의 피드들은 렌즈 주위의 일면에 위치하고, 송신기의 피드들은 그 수신기 피드들의 위 또는 아래 면에 위치한다. 이러한 디자인에 있어서는, 수신기 피드들이 송신기 피드들로부터 분리됨으로써, 상이한 타이밍에 동일한 주파수로 동시 동작이 이루어지거 나, 동시에 별도의 주파수들로 동시 동작이 이루어질 수 있다. 이로 인해, FDD 디자인에서는 송신 및 수신 디플렉서(diplexer)를, TDD 디자인에서는 T/R(송신/수신) 스위치를 제거할 수 있다. 또한 동시에 상이한 방향으로부터 수신 및 송신함으로써 수신과 송신을 확실히 분리할 수 있다. 양자 모든 경우에 있어서, 대역폭을 증가시킴은 물론, RF 손실을 감소시킨다.

도 3에 있어서, 데이터 패킷 스위치는 스위치 어레이에 2x16 포트를 채용한다. 2x4, 2x8, 2x32 등의 상이한 스위치 구성이 사용될 수 있고, 이들 구성은 유사한 디자인 개념을 공유한다. 2xm 표시에 있어서, 2는 송신기로부터의 입력 포트와 수신기를 향한 출력 포트를 규정하고, m은 안테나에 대한 피딩 포트수를 규정한다. 이들 포트는 상이한 공간 스위칭 방향에 대응한다. 본 발명의 데이터 패킷 스위칭용 라우터 디자인의 이점은 송신기 입력 포트(41)에서의 송신 신호와 수신기 입력 포트(52) 사이에서 고분리(high isolation)가 획득된다는 점이다. 상기 분리는 60 dB을 초과하며, 통상 75 dB보다 크다. 이것은 수신기를 포화시키거나 전력 증폭기의 동작점을 변화시키는 일없이, 데이터 패킷의 짧은 버스트 송신에서 데이터 패킷의 짧은 버스트 수신으로 스위칭하는 데 요구된다. 이러한 고분리는 각각의 포트간의 분리가 30 dB보다 크도록 설계된 스위치들을 구비하고 송신 스위치(40)와 수신 스위치(50) 사이에 2xm(m > 1) 타입의 스위치들(46, 45, 54, 55)을 구비함으로써 달성된다. 일반적으로, 스위치(40, 50)는 1xn 또는 2xn 타입의 스위치일 수 있다. 2xn 타입의 스위치에서는, 외부 시험 장치를 통해 데이터 패킷 스위치 어레이의 상이한 파라미터들을 모니터할 수 있도록 해주는 여분의 시험용 포트가 사용된다. 상 이한 포트들로부터 송신기 시험 포트(42) 및/또는 수신기 시험 포트(51)로 신호들을 라우팅하는 것을 포함해서, 상이한 모니터 및 시험이 수행될 수 있다.

어느 한 피딩 포트가 수신기로 스위칭되면, 그 관련 송신기 포트는 오프로 스위칭된다. 따라서, 분리는 송신기 포트와 수신된 신호 경로간의 이중 직렬 분리(double cascaded isolation)에 의해 획득된다. 피딩 포트(49)로부터의 신호가 스위치(46)의 포트(48)로 피딩된다고 가정하자. 그 수신된 신호가 스위치(46)에 의해 라인(47)으로 스위칭되어 수신 스위치(50)로 피딩되면, 수신 스위치(50)가 스위칭되어 라인(47)을 수신기에 이르는 출력 라인(52)을 갖는 포트에 접속시킨다. 송신기 포트(41)는 수신 패킷이 도달한 때에 오프로 스위칭된다. 따라서, 포트(41)가 30 dB 이상 포트(44)로부터 분리되고, 포트(44)가 스위치(46)에서도 오프로 스위칭됨으로써, 포트(44)와 스위치(46)의 모든 포트들과의 사이에 30 dB 이상의 추가적인 분리가 부가된다. 따라서, 스위치(46)의 라인(47)은 60 dB 이상 포트(41)로부터 분리된다. 그 결과 수신기 포트(52)와 송신기 포트(41) 사이에서 60 dB보다 큰 분리가 이루어진다.

송신기로부터의 RF 신호는 입력 포트(41)를 통해 스위치(40)로 피딩된다. 그 데이터 패킷이 입력 포트(41)에 도달함과 동시에, 스위치(40)가 라인(40a) 상의 제어 신호에 의해 순간적으로 인에이블되어, 입력 포트(41)에 접속된 내부 입력 다이오드들 상의 전압과 출력 포트들 중 한 출력 포트에 있는 다이오드들 중 한 다이오드 상의 전압을 변화시킨다. 데이터 패킷을 나르는 RF 에너지는 포트들을 형성하는 스위칭된 다이오드들을 통해 안테나에 피딩하는 제2 층의 스위치들 중 한 스위치를 향하여 전달된다. 예컨대, 제어 신호는 입력 포트(41)에 들어온 RF 에너지를 변조된 RF를 스위치(46)로 전달하는 송신 라인(74)을 향하여 스위칭한다. 제어 전압 신호는 또한 RF 에너지를 도파관(49)에 결합하는 포트(48)로 RF 에너지를 스위칭하는 제어 신호들(46a)에 의해 스위치(46)에 동기적으로 인가된다. 다음, 도파관(49)은 빔을 방향(65)으로 조준하는 렌즈(61)에 피딩한다. 그 데이터 패킷 구간의 끝에서 제어 전압이 변화되어, 스위치(40)의 포트(42)와 포트(41)간 RF 경로는 물론, 스위치(46)의 포트(48)와 포트(44)를 연결하는 RF 경로를 오프시킨다. 도 6을 참조하여 이하 설명된 바와 같이, 방향(65)으로부터 포트(49)를 통해 데이터 패킷을 수신하는 동안에, 스위치(46)의 포트(48, 44)에 있는 스위칭 다이오드들과, 송신 라인(47)과 스위치(50)의 포트(52)에 접속된 다이오드들에 제어 바이어스 전압이 인가된다. 이것은 피딩 포트(49)를 수신기에 이르는 피딩 포트(52)에 연결시키는 것을 가능하게 한다.

데이터 패킷을 방향(62)으로 송신하는 스위칭도, 제어 신호(40a)를 스위치(40)에 인가하고 제어 신호(55a)를 스위치(55)에 인가하는 식의 유사한 방식으로 행해진다. 따라서, 스위치 어셈블리는 신호를 입력 포트(41)로부터 스위치(55)의 포트(57), 스위치(55)의 송신 포트, 피딩 포트(59)에 이르는 포트(58)까지 연결시킨다.

방향(62)으로부터 데이터 패킷을 수신하기 위해서, 제어 신호(50a, 55a)는 방향(62)으로부터의 변조된 RF 신호가 피딩 포트(59), 포트(58)로부터 스위치(55)의 수신기 포트(56)로, 그리고 그곳으로부터 RF 수신기에 이르는 출력 수신기 포트(52)로 통과될 수 있도록, 수신 스위치(50)와 피딩 스위치(55) 양자 모두를 스위칭한다.

특히 전술한 어레이를 이용한 상이한 조합의 스위칭 경로가 가능하다. 에너지를 다수의 피딩 포트 방향으로 분할함으로써 다수의 방향으로 동시에 송신할 수 있는 능력이 존재한다.

본 발명은 안테나 피딩 포트들에 접속되는 초고속 스위치들을 포함하는 새로운 2xm 포트 스위치 어셈블리를 사용한다. 분리된 송신 및 수신 포트들을 갖춘 이러한 타입의 스위치 디자인은 고분리(high isolation) 외에도 RF 신호의 루프백(loop back) 생성을 가능하게 한다. RF 신호의 루프백은 예컨대, 스위치(40)의 포트(41)에서 포트(44)까지, 스위치(46)의 포트(44)에서 라인(47)까지, 그리고 스위치(50)의 라인(47)에서 포트(52)까지 스위칭함으로써, 가능하게 된다. 이것은 데이터 패킷 스위치 어레이의 상이한 부분 및 요소의 손실 및 기능을 측정하는 것을 가능하게 한다.

도 3의 디자인에 있어서, 피딩 포트로부터 2개의 직렬 스위치를 지나 수신 포트(52)까지의 손실은 통상 5 dB - 6 dB이다. 이러한 높은 손실로 인한 높은 잡음 지수는 2xm 스위치들의 수신 포트들에 다수의 저잡음 증폭기(LNA)를 부가함으로써 부분적으로 극복될 수 있다. 도 4는 저잡음 증폭기를 포함하는 RF 스위치 어셈블리를 보여준다. 저잡음 증폭기(66)는 스위치(55)의 포트(56)로부터의 신호를 증폭해서 그것을 수신 스위치(50)에 피딩한다. 유사한 저잡음 증폭기들이 수신 스위치(50)의 다른 포트들을 위해 배치된다. 스위치(46)의 출력 포트는 저잡음 증 폭기(76)를 갖는다. 스위치(45)의 출력 포트는 저잡음 증폭기(75)를 갖는다. 스위치(55)의 출력 포트는 저잡음 증폭기(78)를 갖는다. 저잡음 증폭기는 비교적 저비용이므로, 그것들의 부가로 인한 이점은 상당하다.

도 5는 고전력이 요구되는 경우를 보여준다. 스위치(40)와 스위치(45, 46, 54, 55)간의 스위치 어레이에 전력 증폭기들이 부가될 수 있다. 예컨대, 스위치(40)와 스위치(55) 사이에는 전력 증폭기(67)가 위치한다. 전력 증폭기(81, 83, 85)는 스위치(40)와 그 스위치(40) 전후의 송신 라인에 의해 부가된 손실을 극복할 수 있다. 전력 증폭기의 비용이 저잡음 증폭기보다 높기 때문에, 전력 대 비용간의 타협(trade off)을 고려해야만 한다. 전력 증폭기와 저잡음 증폭기가 매우 근접해 있기 때문에, 서로 결합되지 않도록 조심스럽게 배치해야만 한다.

도 6을 참조하면, 도 6은 RF 포트(101, 102, 103, 104, 105, 106)에 대응하는 송신 라인에 각각 접속된 6개의 다이오드(91, 92, 93, 94, 95, 96)가 별 모양의 배열된 주문형 GaAs MMIC(microwave monolithic integrated circuit)를 보여준다. 모든 다이오드들이 동일한 방식으로 RF 포트(81-86)에 인가되는 바이어스에 의해 접지로 전도됨으로써 접속된 RF 송신 라인을 단락시키도록 바이어스된다. 제어 전압이 대응하는 RF 포트(81, 82, 83, 84, 85, 86)에 인가되면, RF 신호를 RF 포트로부터 센터(100)로 송신할 수 있도록 다이오드들의 RF 전도성이 감소된다. 상기 제어 신호가 2개의 다이오드(81, 83)에 동시에 인가되면, RF 포트(101)로부터의 RF 신호는 RF 포트(103)로 흐를 수 있으며, 그 역도 성립한다. GaAs 집적 회로로서 제조된 6개의 다이오드 스위치는 20 GHz - 40 GHz용 밀리미터파 스위치로서 사용된 다. 상기 스위치는 2x4 스위치로서 사용되며, 그 4개의 출력 포트들 각각이 스위칭될 수 있다. 상기 스위치는 본 발명의 더 큰 2x16 스위치의 일부분이다. ~40 GHz 이상 ~20 GHz 이하의 주파수에서 동작하는 스위치에 대해서도 유사하게 설계될 수 있다.

임의의 2개의 다이오드, 즉 다이오드(91, 94)를 "오프"로 스위칭하도록 제어 신호를 인가함으로써, 어느 한 RF 포트에서 다른 포트까지, 즉 포트(101)에서 포트(104)까지 저손실의 RF 경로가 가능하게 된다. 상기 스위치는 제어 신호가 "오프"일 때 임의 조합의 다이오드들이 스위치로서 작동하는 것을 허용한다. ~20 GHz 내지 ~40 GHz에서 다음과 같은 성능 특성이 존재한다. 모든 다이오드들이 "온"일 경우, 포트간 분리 60 dB보다 크다. "오프" 상태인 포트와 "온" 상태인 포트간 분리는 30 dB보다 크다. ~20 GHz 내지 ~40 GHz 범위에서의 스위치 손실은 약 1.5 dB이다.

요약하면, 본 발명은 "RF 옵틱스 집속 및 조준 장치"에 매우 근접한 다수의 피딩 포트를 가진 "RF 스위치 어셈블리"를 포함하는 "데이터 패킷 공간 스위칭형 라우터"를 기재하고 있는데, 이것은 큰 시계를 커버하는 다수의 좁은 섹터로부터 데이터 패킷을 선택적으로 수신하고, 큰 시계를 커버하는 다수의 좁은 섹터로 데이터 패킷을 선택적으로 송신할 수 있도록 해주며, 여기서 상기 RF 옵틱스 집속 및 조준 장치와 상기 RF 스위치 어셈블리는 데이터 패킷의 라우팅 정보를 기초로 해서, 데이터 패킷을 다수의 방향으로 스위칭하고 데이터 패킷을 다수의 방향으로부터 수신한다.

데이터 패킷 공간 스위칭형 라우터는 무선 TDD 모드 시스템 또는 무선 FDD 모드 시스템에 사용되며, 동일한 커버리지 공간 영역에서 데이터 흐름을 증가시키기 위해서 PMP 시스템(메시 토폴로지의 부분 집합), 트리 및 브런치 시스템뿐만 아니라 메시 토폴로지 무선 네트워크에서 구현될 수 있다.

전술한 바로부터, 네트워크 토폴로지가 본 발명의 공간 스위칭형 라우터을 기반으로 해서 구현될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 데이터 패킷용 공간 스위칭형 라우터가 무선 데이터 패킷 네트워크를 포함하는 무선 노드들에서 사용될 경우, 새로운 타입의 데이터 패킷 네트워크가 구현될 수 있는데, 여기서 데이터는 데이터 패킷의 라우팅 정보를 기초로 한 타이밍 및 방향을 따라 상이한 방향으로 라우팅될 수 있다. 예컨대, 지원될 수 있는 몇 가지 새로운 네트워크 토폴로지는 다음과 같다:

(a) 메시 네트워크(mesh network) - 상기 네트워크 노드들은 "공간 스위칭형 라우터"를 포함한다. 네트워크 노드는 다수의 이웃 노드와 통신할 수 있다. 상기 노드들은 서로 통신하는 데 TDD를 이용한다. 노드들은 상이한 시간에 송신 및 수신한다. 송신 및 수신 구간은 동일한 주파수 또는 상이한 주파수로 행해질 수 있다. 일부 네트워크 디자인에 있어서, 송신 및 수신용 주파수는 고정된다(예컨대 특정 네트워크에서 사용되는 특정 주파수를 할당하는 정부 관할 기관에 의해서). 상기 노드들은 또한 서로 통신하는 데 FDD를 이용할 수 있다. FDD 경우에는, 노드는 동일한 시간에 송신 및 수신할 수 있으나, 송신기로부터의 신호가 수신 신호와 간섭하는 것을 피하기 위해서 스펙트럼이 크게 분리된 상이한 주파수를 사용한다.

(b) 기지국 메시(mesh of base stations) - 각각의 기지국은 에지 노드들에 대해 지점 대 다지점간 분포 노드로서의 역할을 한다. 이러한 타입의 혼합 네트워크는 2 종류의 노드를 포함한다. 제1 그룹의 노드들은 "공간 스위칭형 라우터"를 포함하고, "제2 그룹의 노드들과 데이터 패킷을 전달하는 "기지국"으로서 동작하는 메인 네트워크 노드들이다. 제2 그룹의 노드들은 더 간단하고 종래 기술에서 표준이다. 제2 그룹의 노드들은 본 발명의 공간 스위칭형 라우터를 포함하지 않는 에지 노드들 또는 "리프(leaf)" 노드들이다. 이러한 노드들은 고정된 안테나 로브에 의해 규정된 단일 섹터를 가지며, 메인 네트워크 노드를 향하여 고정적으로 정렬된다. 제2 그룹의 노드들은 각각 메인 노드로부터 데이터를 수신하여 그 데이터를 그의 로컬 포트 또는 포트들로 보낸다. 제2 그룹의 노드들은 또한 그들의 로컬 포트들로부터 데이터를 받아 그 데이터를 고정된 방향의 메인 노드들을 향하여 송신한다. 메인 노드들 중 하나가 에지 노드로부터 데이터 패킷 트래픽을 받고 나면, 그 메인 노드는 그의 로컬 포트를 통해 네트워크 백본으로 그 데이터 패킷 트래픽을 직접 보내거나, 상기 (a)에 기재된 무선 메시 트렁킹 네트워크 토폴로지를 통해 통신하는 다른 기지국들로 그 데이터 패킷 트래픽을 라우팅하거나, 그의 섹터들 중 하나에 위치한 제2 그룹의 다른 에지 노드들로 그 데이터 패킷 트랙픽을 라우팅할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 간단한 제2 그룹의 노드들은 라우팅 기지국으로서 동작하는 특정 공간 방향의 메인 노드로부터 데이터를 송신 및 수신함으로써 통신한다. 그 그룹의 2개의 노드들 각각은 대개 하나 이상의 기지국을 향하여 기계적으로 정렬된 고정된 빔을 갖는다. 그 메인 노드가 가입자 에지 노드에 대한 가시 거 리(line of sight)를 갖지 않는 경우에는, 공간 스위칭형 라우터를 포함하는 다른 메인 노드가 상기 메인 노드와 상기 리프 노드에 대한 가시 거리를 갖는 위치에 위치해서 무선 중계기로서의 역할을 할 수 있다. 상기 네트워크의 지점 대 다지점간 부분은 상기 시스템 디자인과 동작 영역에서의 동작 주파수에 대한 규정에 따라 TDD 모드 또는 FDD 모드로 동작할 수 있다. FDD 모드에 있어서, 가입자는 제1 주파수로 송신하고 제2 주파수로 정보를 수신함으로써 메인 노드, 즉 기지국과 통신할 것이다. 제1 그룹의 기지국은 제1 주파수로 수신하고 제2 주파수로 송신할 것이다. 제1 그룹의 노드들 각각은 상호 간섭을 피하고 네트워크에서 최대 데이터 패킷 흐름을 촉진하기 위해서, 각각의 섹터마다 상이한 주파수 조합을 사용할 수 있다.

(c) 기본적인 지점 대 다지점간 시스템(basic point to multipoint system) - 이러한 네트워크 토폴로지의 경우에 있어서, 제1 그룹의 멤버인 메인 노드들은 기지국으로서 사용되는 본 발명의 공간 스위칭형 라우터를 포함한다. 간단한 그룹의 멤버인 2개의 노드는 가입자 노드로서 사용된다. 상기 메인 노드는 트래픽을 백본으로 전달하며, 상기 간단한 가입자 노드들은 그 로컬 가입자들에 대한 기지국들과 통신한다. 이러한 지점 대 다지점간 토폴로지에서의 공간 스위칭형 라우터는 데이터 패킷의 라우팅 정보를 기초로 해서 공간 스위칭형 라우터 안테나에 의해 커버되는 상이한 섹터들로부터/로 데이터 패킷을 적응성 라우팅할 수 있다. 다수의 섹터들은 높은 주파수 재이용도와, 각각의 섹터 내에서 더 긴 거리를 허용하는 더 높은 안테나 이득을 허용한다. 시스템 디자인과 데이터 패킷의 라우팅 정보를 기초로 해서 각각의 섹터마다 상이한 주파수가 할당될 수 있다.

Claims

공간적으로 분리되어 상호 통신하는 복수의 네트워크 노드들 - 상기 복수의 네트워크 노드들 중 다수의 네트워크 노드는 데이터 패킷에 대한 송신 및 수신 타이밍과, 대응하는 송신 및 수신 방향에 관한 라우팅 정보를 가지며, 상기 각각의 네트워크 노드는 로컬 송신기 포트와 로컬 수신기 포트를 가짐 - 을 포함하는 타입의 마이크로파 네트워크에서의 공간 스위칭형 라우터 장치에 있어서,

상기 상호 통신하는 복수의 네트워크 노드들과 관련된 RF 스위치 어셈블리;

상기 RF 스위치 어셈블리에 접속되어, 상기 RF 스위치 어셈블리와 RF 통신하며, 자신의 만곡된 주변 표면으로부터 RF 에너지를 복사할 수 있는 RF 옵틱스 집속 및 조준 안테나로서, 상기 RF 옵틱스 집속 및 조준 안테나는 자신을 이동시키지 않고 가시 거리 관계의 상기 상호 통신하는 네트워크 노드들을 커버하는 각도 범위를 외부로 스패닝(spanning)할 수 있는 것인, 상기 RF 옵틱스 집속 및 조준 안테나; 및

상기 RF 스위치 어셈블리와 상기 안테나 사이에 접속되어, 상기 안테나의 만곡된 주변 표면 주위에 나란히 배치된 복수의 RF 옵틱스 피딩 포트들

을 포함하며,

상기 RF 옵틱스 피딩 포트들은 상기 RF 스위치 어셈블리와 상기 RF 옵틱스 집속 및 조준 안테나로부터 RF 에너지를 전달하고, 상기 RF 스위치 어셈블리를 동기적으로 가동시키는 제어 신호를 이용해서, RF 신호를 변조한 데이터 패킷을, 상기 로컬 송신기 포트로부터 상기 RF 옵틱스 피딩 포트들, 상기 안테나, 상기 네트워크 노드들 중 어느 한 네트워크 노드로, 그리고 상기 네트워크 노드들 중 다른 네트워크 노드로부터 상기 안테나, 상기 RF 옵틱스 피딩 포트들, 상기 로컬 수신기 포트로 라우팅하며,

상기 RF 스위치 어셈블리는 데이터 패킷의 송신 및 수신 타이밍 스케줄과, 대응하는 송신 및 수신 방향에 관한 라우팅 정보를 수신하고, 데이터 패킷의 수신 및 송신과 동시에 노드들 사이에서 데이터 패킷의 송신 및 수신 방향을 동기적으로 스위칭하며,

스위칭을 위한 상기 제어 신호는 통신하는 노드들 사이에서 데이터 패킷의 송신 및 수신 타이밍과 송신 및 수신 방향에 대한 갱신된 스케줄 정보를 포함하는 데이터 패킷 내의 라우팅 정보를 기초로 하는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 RF 스위치 어셈블리는 RF 신호 증폭 수단을 포함하는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제2항에 있어서, 상기 RF 신호 증폭 수단은 상기 RF 옵틱스 피딩 포트들과 상기 로컬 수신기 포트 사이에 위치하는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제2항에 있어서, 상기 RF 신호 증폭 수단은 상기 로컬 송신기 포트와 상기 RF 옵틱스 피딩 포트들 사이에 위치하는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 RF 옵틱스 집속 및 조준 안테나는 RF 빔을 수평면 및 수직면에 집속하도록 설계된 RF 그레이디드 인덱스형 구형 루네버그 렌즈를 포함하며, 상기 집속면은 상기 렌즈 주위의 섹터에 배치된 다수의 피딩 포트들에 피딩하도록 정렬되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제5항에 있어서, 상기 RF 그레이디드 인덱스형 구형 루네버그 렌즈는 하나의 구형 셸이 다른 구형 셸들 내에 위치한 다층 구형 셸들을 포함하며, 상기 다층 구형 셸들은 상기 구형 렌즈의 외부 표면에서의 거의 1에 가까운 값에서 상기 구형 렌즈의 중심에 위치한 내부 볼(ball)에서의 거의
에 가까운 수로 변화하는 변화 굴절 인덱스를 갖는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 RF 옵틱스 집속 및 조준 안테나는 대칭축을 갖는 RF 그레이디드 인덱스형 원통형 렌즈를 포함하며, 상기 RF 그레이디드 인덱스형 원통형 렌즈는 RF 빔을 상기 대칭축과 직각을 이루는 면에 집속하도록 설계되고, 상기 집속면은 상기 렌즈 주위의 섹터에 배치된 상기 다수의 피딩 포트들에 피딩하도록 정렬되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제7항에 있어서, 하나의 원통형 튜브가 다른 원통형 튜브들 내에 위치한 다층 원통형 튜브들을 포함하며, 상기 다층 원통형 튜브들은 미리 결정된 방식으로 변화하는 변화 굴절 인덱스를 갖는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제8항에 있어서, 상기 다층 원통형 튜브들은 상기 원통형 렌즈의 외부 표면에서의 거의 1에 가까운 값에서 상기 원통형 렌즈의 중심에 위치한 내부 원통형 로드(rod)에서의 거의
에 가까운 수로 변화하는 RF 굴절 인덱스를 갖는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제7항에 있어서, 상기 RF 빔의 발산각은 상기 그레이디드 인덱스형 원통형 렌즈의 대칭축을 포함하는 면에서 상기 피딩 포트들의 확장된 출력 개구들에 의해 규정되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제5항에 있어서, 상기 피딩 포트는 상기 RF 렌즈의 초점면에 정합되도록 상 기 구형 렌즈 적도 주위의 일부분의 섹터에 나란히 배치되는 도파관 피더 또는 패치 안테나로서, 빔 스위칭면에 평행한 면과 빔 스위칭면과 직각을 이루는 면에서 유사한 빔 발산을 형성하도록 설계되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제7항에 있어서, 상기 피딩 포트는 빔 스위칭면과 직각을 이루는 면에서 확장된 개구를 갖는 혼 도파관 또는 패치 안테나로서, 상기 원통형 렌즈의 빔이 빔 스위칭면에서 발산을 형성하는 것과 관계없이 발산 차원을 갖도록 상기 직각을 이루는 면에서 일정한 빔 발산을 형성하는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 동일한 피딩 포트들이 임의 시간에 데이터 패킷을 송신하고 다른 시간에 데이터 패킷을 수신하는 데 사용되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 RF 스위치 어셈블리는 상이한 공간 방향을 향하여 조준된 하나 이상의 안테나 피딩 포트, 상기 로컬 송신기에 이르는 적어도 하나의 송신기 입력 포트 및 로컬 수신기 포트에 이르는 적어도 하나의 수신기 출력 포트에 접속되는 집적 회로 스위치를 포함하는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 피딩 포트들에 접속된 상기 RF 스위치 어셈블리는 2xm 피딩 스위치들을 포함하는데, 2는 송신기 포트와 수신기 포트를 나타내고, m은 상기 RF 옵틱스 피딩 포트들에 접속된 스위치 포트수를 나타내는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 RF 피딩 포트들에 피딩하는 상기 RF 스위치 어셈블리는 총 nxm(n 곱하기 m) RF 피딩 포트에 접속된 n 피딩 스위치를 포함하는데, m은 상기 n 피딩 스위치 각각에 접속된 피딩 포트수를 나타내며,

상기 n 피딩 스위치 각각은 RF 에너지를 상기 로컬 송신기 포트로부터 상기 n 피딩 스위치를 향하여 스위칭하는 추가의 L 송신기 스위치에 접속되고, 상기 n 수신기 포트 각각은 RF 에너지를 상기 n 피딩 스위치로부터 상기 로컬 수신기 포트들을 향하여 스위칭하는 추가의 K 수신기 스위치에 접속되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제16항에 있어서, 상기 L 송신기 스위치는 적어도 하나의 로컬 송신기에 접속된 적어도 하나의 입력 포트를 갖는 것으로 더 규정되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제16항에 있어서, 상기 K 수신기 스위치는 적어도 하나의 로컬 수신기에 접속된 적어도 하나의 출력 포트를 갖는 것으로 더 규정되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제16항에 있어서, 상기 RF 스위치 어셈블리는 상기 수신기 스위치의 포트에 접속되기 전에 n 저잡음 증폭기(LNA)에 접속되는 상기 m 피딩 스위치의 n 수신기 포트를 더 포함함으로써, 수신 신호의 잡음 지수를 향상시키는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제16항에 있어서, 상기 RF 스위치 어셈블리는 상기 nxm 피딩 스위치의 송신기 입력에 위치한 n RF 전력 증폭기(PA)에 접속되는 상기 m 피딩 스위치의 n 송신기 포트를 더 포함함으로써, 상기 RF 옵틱스 피딩 포트에서 RF 전력 출력 레벨을 향상시키는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제16항에 있어서, 상기 송신기 스위치 포트들 중 하나는 송신기 시험 포트를 포함함으로써, 상기 로컬 송신기로부터의 입력 RF 전력을 포함하는 상이한 파라미터들을 모니터할 수 있는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제16항에 있어서, 상기 수신기 스위치는 RF 에너지를 상기 피딩 스위치들로부터 로컬 수신기 포트와 추가의 수신기 시험 포트로 스위칭하는 수단을 더 포함함으로써, 상이한 피딩 포트들로부터의 수신 신호 레벨을 포함하는 상이한 파라미터들을 모니터할 수 있는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제16항에 있어서, 상기 nxm 피딩 스위치들은 nxm RF 옵틱스 피딩 포트들에 피딩하기 위해서, m은 1 내지 8 사이의 포트수와 같고, n은 1 내지 8 사이의 스위치수와 같고, nxm은 1 내지 64 사이의 수와 같은 것으로 더 규정되는 것인 공간 스위칭 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 RF 스위치 어셈블리는 제1 무선 주파수로 RF 에너지를 변조한 데이터 패킷을 하나 이상의 방향에 위치한 하나 이상의 네트워크 노드로 송신시키고, 동시에 상기 제1 무선 주파수와 상이한 제2 무선 주파수로 RF 에너지를 변조한 데이터 패킷을 하나 이상의 네트워크 노드로부터 수신하도록 하나 이상의 피딩 포트를 스위칭시키는 제어 신호에 의해 스위칭되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제19항에 있어서, 상기 저잡음 증폭기들(LNA) 그것들을 통해 상기 RF 수신기로 스위칭되는 데이터 패킷이 없을 때 이득을 최소화하는 제어 신호에 의해 제어되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제20항에 있어서, 상기 고전력 증폭기들은 그것들을 통해 상기 피딩 스위치들로 스위칭되는 데이터 패킷이 없을 때 이득을 최소화하는 제어 신호에 의해 제어되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 피딩 포트들은 하나의 섹터가 상기 스위칭면에서 대략 7.5도를 커버하는 다수의 섹터를 형성하도록 나란히 배치되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제27항에 있어서, 대략 120도의 총 섹터 크기를 커버하는 16개의 나란히 배치된 공간 섹터들을 형성하는 16개의 RF 옵틱스 피딩 포트들을 포함하는 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 피딩 포트들은 하나의 섹터가 상기 스위칭면에서 대략 7.5도를 커버하고 상기 스위칭면과 직각을 이루는 면에서 대략 7.5도를 커버하는 다수의 섹터를 형성하도록 나란히 배치되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 피딩 포트들은 수직 편향 빔을 피딩하도록 배치되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 피딩 포트들은 수평 편향 빔을 피딩하도록 배치되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 피딩 포트들의 제1 부분은 상기 로컬 송신기로부터 수직 편향 빔을 피딩하도록 배치되고 상기 피딩 포트들의 제2 부분은 상기 로컬 수신기로의 수평 편향 빔을 수신하도록 배치됨으로써(그 역도 성립함), 간섭을 줄이고, 근접하게 위치한 주파수들을 이용하는 동일한 영역에서 동작하는 일정한 그룹의 송신 노드와 수신 노드간의 분리를 증가시키는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 RF 옵틱스 집속 및 조준 안테나는 RF 그레이디드 인덱스형 다층 원통형 렌즈로서, RF 빔을 상기 원통형 렌즈의 축과 수직을 이루는 면에 집속하며, 상기 집속면은 이웃 노드들로부터 RF 에너지 빔을 수신하기 위해서 상기 원통형 렌즈 주위의 섹터에 배치된 제1 그룹의 다수의 피딩 포트들에 피딩하도록 정렬되고, 상기 제1 그룹과 상이한 레벨에서 상기 원통형 렌즈 주위의 섹터에 배치된 별도의 제2 그룹의 피딩 포트들에 피딩하도록 정렬되며, 상기 제2 그룹의 피딩 포트들은 이웃 노드들을 향한 RF 에너지 빔의 송신을 일으키는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 RF 옵틱스 집속 및 조준 안테나는 제1 그룹의 다수의 피딩 포트들은 로컬 수신기에 접속되는 수신기 스위치 어셈블리에 접속되고 제2 그룹의 피딩 포트들은 로컬 송신기에 접속되는 송신기 스위치 어셈블리에 접속되도록 설정된 상기 RF 옵틱스 피딩 포트들과 정렬되며, 상기 제1 그룹 및 제2 그룹은 동시에 데이터 패킷을 송신 및 수신할 수 있도록 상이한 RF 옵틱스 개구에 피딩하는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 RF 옵틱스 집속 및 조준 안테나는 RF 에너지를 변조한 데이터 패킷을 동시에 또는 별도로 송신 및 수신하기 위해서, 별도의 구형 루네버그 렌즈, 별도의 원통형 렌즈 부분, 별도의 파라볼라 안테나, 별도의 혼 안테나, 별도의 패치 어레이 안테나와 같은 종류의 안테나들의 임의 조합으로 이루어진 그룹 중 하나에 피딩하는 상기 RF 옵틱스 피딩 포트들과 정렬되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제35항에 있어서, 별도의 송신 및 수신 피딩 포트들은 상기 별도의 수신 피딩 포트로부터 직접 신호를 수신하도록 위치한 저잡음 증폭기들을 갖는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제35항에 있어서, 별도의 RF 옵틱스 피딩 포트들은 데이터 패킷을 송신 및 수신하는 데 사용되며, 상기 송신 RF 옵틱스 피딩 포트들에는 RF 전력 증폭기가 통합되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 안테나는 다초점 반사기 안테나인 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제1항에 있어서, 상기 RF 스위치 어셈블리과 상기 피딩 포트들은 별도의 송신 빔 및 수신 빔을 형성하며, 특정 노드들에서 상기 송신 피딩 포트들의 빔은 상기 수신 피딩 포트들의 빔 편파와 직각으로 편파되는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
제39항에 있어서, 다수의 트랜시버 노드는 상기 특정 노드들로부터 멀리 떨어진 거리에 위치하며, 제1 편파와 관련된 피딩 포트로부터 빔을 수신하는 트랜시버에 의해 수신될 제1 편파로 상기 빔을 송신하고, 상기 특정 노드들에 의해 송신되는 제1 편파와 직각을 이루는 제2 편파와 관련된 피딩 포트로부터 빔을 수신하는 별도의 피딩 포트들을 갖는 것인 공간 스위칭형 라우터 장치.
복수의 공간적으로 분리된 네트워크 노드들을 포함하는 타입의 네트워크에 있어서,

데이터 패킷에 대한 송신 및 수신 타이밍과, 대응하는 송신 및 수신 방향에 관한 라우팅 정보를 갖고 가시 거리 관계에 있는 제1 다수의 노드들로서, 각각의 노드는 공간 스위칭형 라우터 장치와 함께 로컬 송신기 포트와 로컬 수신기 포트를 구비하는 것인 제1 다수의 노드들; 및

상기 제1 다수의 노드들의 노드들과 단일 방향으로 통신하도록 공간적으로 정렬된 안테나들을 갖는 제2 다수의 노드들로서, 상기 안테나들은 상기 제2 다수의 노드들의 로컬 송신기 포트 및 로컬 수신기 포트에 접속되는 것인 제2 다수의 노드들

을 포함하고, 상기 공간 스위칭형 라우터 장치는

상기 제1 다수의 노드들과 관련된 RF 스위치 어셈블리;

상기 RF 스위치 어셈블리에 접속되는 RF 옵틱스 집속 및 조준 안테나; 및

상기 RF 스위치 어셈블리와 상기 안테나 사이에 접속되는 나란히 배치된 형태의 RF 옵틱스 피딩 포트들로서, 상기 RF 옵틱스 피딩 포트들은 상기 RF 스위치 어셈블리를 동기적으로 가동시키는 제어 신호를 이용해서, RF 신호를 변조한 데이터 패킷을, 로컬 송신기 포트로부터 상기 RF 옵틱스 피딩 포트들로, 상기 RF 옵틱스 피딩 포트들로부터 로컬 수신기 포트로 라우팅하며, 상기 제어 신호는 상기 제1 다수의 노드들 사이에서 데이터 패킷의 송신 및 수신 타이밍과 송신 및 수신 방향에 대한 갱신된 스케줄 정보뿐만 아니라, 송신 및 수신 타이밍과 송신 및 수신 방향을 포함하는 데이터 패킷의 라우팅 정보를 기초로 하는 것인 RF 옵틱스 피딩 포트들

을 포함하는 것인, 네트워크.
제41항에 있어서, 상기 다수의 노드들은 제1 및 제2 그룹의 노드들로 나누어지며, 상기 제1 그룹은 상기 제2 그룹으로부터 제1 RF 주파수로 데이터 패킷을 수신하고 상기 제2 그룹으로 제2 RF 주파수로 데이터 패킷을 송신하고, 상기 송신 주파수는 상기 수신 주파수와 상이한 것인 네트워크.
제41항에 있어서, 상기 제1 다수의 노드들은 지점 대 다지점간 배치에서 기지국으로서 구성되고, 상기 제2 다수의 노드들, 즉 단순 노드들은 가입자 노드로서 구성되는 것인 네트워크.
제41항에 있어서, 상기 제1 다수의 노드들의 노드들은 제1 주파수로 송신하고 제2 주파수로 수신하며, 상기 제2 다수의 노드들, 즉 단순 노드들은 상기 제2 주파수로 송신하고 상기 제1 주파수로 수신하며, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파 수와 상이한 것인 네트워크.
제41항에 있어서, 상기 제1 다수의 노드들 중 한 노드는 상기 제1 다수의 노드들의 노드들과 상기 제2 다수의 노드들의 노드들 사이에서, 또는 상기 제2 다수의 노드들의 노드들과 상기 제2 다수의 노드들의 다른 노드들 사이에서 데이터 패킷을 중계하는 중계기로서 구성되는 것인 네트워크.
제41항에 있어서, 상기 제1 다수의 노드들의 노드들은 상이한 섹터에서 상이한 주파수로 송신하고 상이한 섹터에서 상이한 주파수로 수신하며, 각 섹터는 하나의 피딩 포트와 관련되는 것인 네트워크.
제46항에 있어서, 상이한 섹터에서 송신 및 수신을 위한 상기 상이한 주파수는 동작 중에 변하는 것인 네트워크.
제46항에 있어서, 상이한 섹터에서 상기 상이한 주파수는 데이터 패킷으로부터 획득되는 라우팅 정보에 기초한 시간에 변하는 것인 네트워크.