KR100813906B1 - 빔 형성부를 사용하여 초광대역(ｕｗｂ) 유저 용량이증가된 송신기 - Google Patents

빔 형성부를 사용하여 초광대역(ｕｗｂ) 유저 용량이증가된 송신기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초광대역(UWB) 통신 시스템 및 이를 사용하여 다수의 유저가 상당한 간섭 없이도 이러한 시스템과 통신하게 하는 방법에 관한 것이다. 이러한 시스템은 다수 요소의 안테나 어레이를 포함하며, 이러한 어레이를 통해, UWB 펄스는, 공간 다중화, 주파수 재사용 및 시간 슬롯 재사용의 선택된 조합에 의해 선택된 다수의 유저에게 송신된다.

Description

빔 형성부를 사용하여 초광대역(ＵＷＢ) 유저 용량이 증가된 송신기{INCREASED ULTRA WIDEBAND(UWB) USER CAPACITY TRANSMITTER UTILIZING BEAM FORMING}
본 발명은 일반적으로 초광대역(UWB: Ultra WideBand) 펄스를 사용하는 통신 시스템, 좀더 상세하게는, UWB 송신기의 유저 용량을 증가시키는 기술에 관한 것이다.
종종 임펄스 라디오 통신으로 지칭하는 UWB 펄스에 의한 통신은 알려져 있지만 그렇게 널리 사용되지 않는 기술이다. 용어, "임펄스 라디오"는 일반적으로 펄스 내에 어떠한 반송파 신호도 포함되어 있지 않은 UWB 시스템을 기술하는데 사용된다. 용어, UWB는 또한 송신된 펄스가 라디오 주파수 반송파 신호 버스트인 시스템에 적용될 수 있다. 매우 좁은 전자기 펄스는 광대역의 주파수를 본래 포함하고 있다. 펄스 위치 변조를 통해 UWB 펄스 스트림에 정보를 추가하는 것이 실현될 수 있으며, 그러한 펄스 위치 변조에서, 정보 신호 샘플의 순시값이 UWB 펄스의 시간상의 위치를 변조하는데 사용된다. 좀더 기본적인 수준에서, UWB 펄스는 펄스의 기타 주기 열에서 UWB 펄스의 존재여부로 변조될 수 있다. 이러한 원리는 기술문헌에서 알려져 있으며, 풀러톤(Fullerton) 등에게 허여된 미국특허(제US5,677,927호)에 편리하게 요약되어 있다.
UWB 통신은 넓은 대역의 주파수 스펙트럼을 사용하기 때문에, 보안 및 방해전파(jamming)에 대한 저항성이라는 이점을 제공한다. UWB 통신은 대역폭을 비효율적으로 사용하기 때문에, 그 사용에 관한 정부 승인은 상대적으로 낮은 출력으로 제한되어왔다. UWB 통신은 여전히 상대적으로 긴 범위, 건물 벽을 통과할 수 있는 성능, 및 낮은 트랜시버 가격이라는 이점을 제공한다. 그러나, UWB 펄스에 의한 통신은 다수의 유저에게 이 기술을 적용하는데 본질적으로 어렵다는 점과 같이 몇몇 실제적인 한계를 갖고 있다. 예컨대, UWB 통신 시스템의 한 가지 가능한 응용으로, 동축케이블, 광섬유 케이블, 또는 위성 접시 통신에 대한 대안으로서, 인터넷 및 텔레비전 연결을 가정에 제공한다는 것이 있다. UWB 통신은 이러한 목적에 이상적이며, 이는 이러한 통신이 유저 측에서 상대적으로 낮은 가격의 트랜시버와 프로세서를 사용하여 높은 데이터 속도로 정보를 송신하게 하기 때문이다. 그러나, UWB 통신 시스템의 한 가지 본질적인 단점으로는, 이들 시스템이 단지 한 명의 유저만 임의의 선택된 시간 간격 동안에 고유 정보를 수신하게 한다는 점이다. 풀러톤 등의 특허{미국특허(제5,677,927호)}는 UWB 송신에 사용된 임펄스 라디오 신호에 채널화를 추가하기 위해 다른 주파수 또는 다른 파형의 부반송파를 사용하는 기술을 교시하고 있다.
통신 시스템에 대한 다수의 유저 접속을 제공하는 유사한 기술로 이동 전화 시스템에서 사용되는 코드분할다중접속(CDMA)이 있다. CDMA 시스템의 다수의 유저는 동일한 주파수 대역을 공유하며, 동시에 송신할 수 있지만, 그들의 정보 신호는 구별할 수 있으며, 이는 각 유저가 스펙트럼 확산에 사용된 서로 다른 코드와 관련되기 때문이다. 코드는 직교한다고 한다. 즉, 이론적으로, 이들 코드는 수신기에서 독립적으로 검출할 수 있다. 따라서, CDMA 시스템에서, 다수의 정보 신호 채널이 하나의 확산-스펙트럼 송신 시스템을 공유한다. 그러나, 어떠한 형태의 CDMA를 UWB 송신에 응용하면, 변조 및 검출 장비의 복잡도 및 가격을 증가시킬 것이다. 다수의 유저 사이에서 UWB 송신 시스템을 공유하는 상대적으로 간단한 접근법에 대한 필요가 여전히 있음을 이러한 설명을 통해서 알 수 있을 것이다. 본 발명은 이러한 목적에 관한 것이다.
본 발명은 선택된 초광대역(UWB) 펄스를 UWB 통신 시스템의 다수의 유저에게 보내는 장치 및 관련 방법에 관한 것이다. 간단히 그리고 일반적으로 말해, 본 발명의 장치는 대칭적으로 구성되어 있고 각각 다수의 안테나 요소를 구비하고 있는 다수의 어레이를 구비한 광대역 안테나 구조와; 각 유저에게 보내질 펄스만을 포함하고 있는 개별 유저 빔을 생성하도록 하기 위해 UWB 펄스를 개별 유저 스트림 펄스로 분리하고 각 유저 스트림을 안테나 구조에 인가하기 위한 수단을 포함한다. 본 발명의 일양상에 따라, 펄스는, 각 유저에 특정하게 배정된 UWB 시간 슬롯을 할당함으로써 개별 유저 스트림으로 분리된다. 가장 간단한 형태의 장치에서, UWB 펄스는, 각 유저 스트림을 안테나의 서로 다른 세그먼트에 인가함으로써 서로 다른 유저에게 보내진다.
좀더 상세하게, 각 유저에게 UWB 주파수와 안테나 어레이의 고유한 조합을 할당함으로써, UWB 펄스를 개별 유저 스트림으로 분리할 수 있으며, 그리하여, 특정한 유저에게 또는 이 유저로부터 송신된 UWB 펄스는 모두 고유하게 식별할 수 있으며, 임의의 유저는, 상당한 간섭 없이도 다른 유저와 동시에 UWB 펄스를 수신 또는 송신할 수 있다. 유저 스트림의 공간적 분리는 복수의 빔 형성 네트워크를 사용하여 더 개선되며, 이때 각 네트워크는 다수의 안테나 어레이 중 개별 어레이와 관련되며, 복수의 가변 시간 지연 회로를 포함한다. 시간 지연 회로는 연속적인 어레이 요소에 인가된 UWB 펄스에 대해 서로 다른 세트의 선택된 시간 지연을 삽입하여 서로 다른 펄스를 빔 경로를 따라 각 유저에게 보낸다. 빔 조정 신호가 빔 형성 네트워크를 제어하는데 사용되어, 각 안테나 어레이가 관장하는 선택된 유저 쪽으로 빔 조정을 실현하도록 이들 네트워크를 스위칭한다.
본 발명의 또 다른 중요한 양상에 따라, 각 유저에 대한 UWB 펄스는 복수의 이용 가능한 주파수로부터 선택된 반송파 주파수를 가지며, 이들 주파수는, 임의의 유저와 관련된 빔이 동일한 주파수를 사용하여 가장 근접한 유저 빔으로부터 가능한 멀리 있게 공간적으로 분리되도록 공간 시퀀스 내에서 재사용된다.
본 발명이 UWB 통신 시스템 분야에서 상당한 개선을 가져왔음을 이러한 설명으로부터 알 수 있을 것이다. 특히, 본 발명은, 공간 빔 분리, 시간 분리 및 주파수 재사용에 대한 선택적 조합을 사용하여 UWB 펄스가 선택된 다수의 유저에게 보내지게 한다. 본 발명의 다른 양상 및 이점은 수반하는 도면과 연계하여 다음의 상세한 설명을 통해 분명해질 것이다.
도 1은 다각형 구조의 각각의 면상에 별도의 어레이가 장착된 UWB 안테나의 개략도.
도 2는 서로 다른 유저 신호의 공간 분리를 위해 빔 조정을 사용하는 UWB 안테나 어레이의 개략도.
도 3은 UWB 통신 시스템에서 시간 슬롯 재사용을 예시한 타이밍 도.
도 4는 다수의 유저를 위한 신호 분리를 개선하기 위해 주파수 재사용을 사용하는 다수-면을 갖는 UWB 안테나 구성의 개략도.
예시용으로 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 다수의 유저 사이에서 초광대역(UWB) 통신 시스템을 공유하는 기술에 관한 것이다. 예컨대, 유저는, 지하 동축케이블, 광섬유 케이블, 또는 위성접시 안테나를 사용하지 않고도, 텔레비전이나 안테나 서비스 제공자로부터 광대역 통신 데이터를 전달받을 필요가 있는 가정내 소유자일 수 있다.
본 발명의 일양상에 따라, 중앙에 위치한 UWB 송신/수신 시스템은 각각 별도의 유저 안테나를 향해 보내지는 다수의 공간적으로 분리된 안테나 빔을 제공하는 광대역 안테나를 포함한다. 이러한 다수의 빔 광대역 안테나는 다수의 UWB 유저 채널이 주어진 시간 기간 내에 공간적으로 인터리빙되게 한다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 참조번호 10으로 표기되는 다수의 빔 안테나는 위에서 보았을 때 다각형 형태인 다수의 면(14)에 위치한 다수의 안테나 어레이(12)를 포함한다. 예시적인 안테나에서, 평면도가 삼각형 형태인 세 개의 면(14)에 위치한 세 개의 안테나 어레이(12)가 있다. 좀더 일반적으로, 평면도가 N개의 면을 갖는 다각형 형태인 N 개의 면(14) 상에 설치된 N개의 안테나 어레이(12)가 있을 수 있으며, 그리하여, N개의 분리된 송신 경로가 시스템의 유저를 분리하게 한다.
추가적인 공간 분리는 아날로그 또는 디지털 빔 형성 네트워크(20)(도 2)를 사용하여 얻을 수 있으며, 이러한 네트워크의 개념은 위상변화 어레이 안테나의 원리와 유사하다. UWB 송신을 위한 빔 형성 시에, UWB 펄스는 빔 형성 네트워크(20)의 모든 입력 단자(22)에 인가된다. 출력 단자(24)는 n-요소 안테나 어레이(26)의 각 요소에 연결된다. 빔 형성 네트워크(20)는 시간 지연(이들 시간 지연 중 두 개가 28에 도시됨)을 각 신호 경로에 선택적으로 삽입하는 기능을 한다. 시간 지연(28)은 빔 조정 신호 생성기(30)에 의해 제어되며, 이러한 생성기(30)는 각 연속하는 입력 신호에 증분적으로 더 큰 지연을 인가한다. 예컨대, 만약 삽입된 시간 지연이 모두 동일했다면, UWB 펄스는 어레이(26)의 모든 요소에 동기적으로 인가되었을 것이다. 적절한 지연이 어레이(26)의 각 연속적인 요소에 송신된 UWB 펄스에 적용될 때, 전자기 펄스가, 파면(32)으로 표시된 바와 같이, 안테나 어레이로부터 원하는 방향으로 송신될 것이다. 빔 형성 네트워크(20) 내외로 시간 지연을 디지털적으로 스위칭 함으로써, 서로 다른 선택된 펄스는 안테나 어레이(26)로부터 서로 다른 경로를 따라 보내질 수 있다.
공간적으로 다중화된 펄스에 추가하여, 시간 다중화가 사용될 수 있다. 도 3은 특정한 펄스를 유저와 연관시키는 시간 슬롯 재사용의 예이다. 이 예에서, 유저(A1)는 시간 슬롯(#1 및 #3)의 펄스와 관련되며, 유저(B1)는 시간 슬롯(#2 및 #4) 의 음-방향 펄스와 관련된다. 유저(C1)는 시간 슬롯(#2 및 #5)의 양-방향 펄스와 관련된다. 물론, 다른 배열이 본 발명의 범위 내에서 있을 수 있다.
특정한 펄스를 특정한 유저와 관련된 것으로 식별하는 시간 재사용 대신에, 이러한 시스템은 유저를 분리하는 주파수 재사용을 사용할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 예컨대, 3-어레이 안테나가 그 3개의 어레이 각각으로부터 3개의 공간적으로 분리된 빔을 생성하도록 설계된다. 안테나 어레이(#1)는 유저(A1, B1 및 C1)로의 3개의 공간적으로 분리된 빔을 생성하며, 안테나 어레이(#2)는 유저(A2, B2 및 C2)로의 3개의 공간적으로 분리된 빔을 생성하며, 안테나 어레이(#3)는 유저(A3, B3 및 C3)로의 3개의 공간적으로 분리된 빔을 생성한다. 여기서 사용된 주파수 재사용 원리에 따라, 유저(A1, A2 및 A3)에 보내진 빔이 제 1 주파수를 사용한다. 마찬가지로, 유저(B1, B2 및 B3)에게 보내진 빔이 제 2 주파수를 사용하며, 유저(C1, C2 및 C3)에게 보내진 빔이 제 3 주파수를 사용한다. 즉, 유저(A1, A2 및 A3)와 관련된 UWB 펄스는 제 1 반송파 주파수를 갖는데 반해, 유저(B1, B2 및 B3)와 관련된 펄스는 제 2 반송파 주파수를 가지며, 유저(C1, C2 및 C3)와 관련된 펄스는 제 3 반송파 주파수를 갖는다. 이러한 구성을 사용하여, 모두 9명의 유저에 대한 펄스는 시간적으로 겹칠 수 있으며, 이는 이들 펄스가 안테나 어레이에서 공간적으로 및 주파수에 의해 분리되기 때문이다. 어레이중 어느 한 어레이 상에서, 예컨대 유저(B)에게 보내진 펄스는 유저(A 및 C)에게 보내진 신호와 구별될 수 있으며, 이는 이 특정한 어레이를 위해 생성된 빔에 대해 주파수 분리 및 공간 분리가 모두 있기 때문이다. 게다가, 유저(A1, A2 및 A3)와 같이 동일한 주파수를 사용 한 유저에 대한 펄스는, 이들이 별도의 물리적인 안테나 어레이를 사용한다는 점에서 공간적으로 분리되어 있다.
본 발명이, 하나의 송신기/수신기에 다수의 유저 접속을 제공함으로써 UWB 통신 시스템 분야에서 상당한 개선을 제공한다는 점을 이러한 설명으로부터 이해하게 될 것이다. 특히, 공간 분리, 빔 조정, 주파수 재사용 및 시간 슬롯 재사용의 선택된 조합에 의해, 본 발명은 다수의 유저가 최소한의 간섭으로 UWB 트랜시버와 통신하게 한다. 비록 본 발명의 특정한 실시예는 예시용으로 예시되었을 지라도, 본 발명의 사상과 범주에서 벗어나지 않고 여러 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위로 제한되지 않아야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 초광대역(UWB: Ultra WideBand) 펄스를 사용하는 통신 시스템, 및 UWB 송신기의 유저 용량을 증가시키는 기술에 이용된다.

Claims (12)

  1. 초광대역(UWB: Ultra WideBand) 통신 시스템에서 사용하기 위해, 선택된 다수의 유저에게 또는 다수의 유저로부터 선택된 UWB 펄스를 보낼 수 있는 장치로서,
    다수의 안테나 요소를 각각 구비하고 있는 다수의 어레이를 구비한 광대역 안테나 구조와;
    각 유저에게 보내질 펄스만을 포함하고 있는 개별 유저 빔을 생성하도록 하기 위해 UWB 펄스를 개별 유저 스트림 펄스로 분리하고 각 유저 스트림을 상기 안테나 구조에 인가하기 위한 수단을 포함하되,
    UWB 펄스를 개별 유저 스트림으로 분리하기 위한 상기 수단은 각 유저에게 UWB 주파수와 안테나 어레이의 고유한 조합을 할당하기 위한 수단을 포함하며, 이를 통해, 특정한 유저에게 또는 특정한 유저로부터 송신된 UWB 펄스가 모두 고유하게 식별될 수 있으며, 임의의 유저가 상당한 간섭 없이도 다른 유저와 동시에 UWB 펄스를 수신 또는 송신할 수 있는, 선택된 다수의 유저에게 또는 다수의 유저로부터 선택된 UWB 펄스를 보낼 수 있는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, UWB 펄스를 개별 유저 스트림으로 분리하기 위한 상기 수단은 각 유저에게 특정하게 할당된 UWB 시간 슬롯을 할당하기 위한 수단을 포함하는, 선택된 다수의 유저에게 또는 다수의 유저로부터 선택된 UWB 펄스를 보낼 수 있는 장치.
  3. 제 1항에 있어서, UWB 펄스를 개별 유저 스트림으로 분리하기 위한 상기 수단은 각 유저 스트림을 상기 안테나의 다른 세그먼트에 인가하기 위한 수단을 포함하는, 선택된 다수의 유저에게 또는 다수의 유저로부터 선택된 UWB 펄스를 보낼 수 있는 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, UWB 펄스를 유저 스트림으로 분리하기 위한 상기 수단은:
    상기 다수의 안테나 어레이 중 개별 어레이와 각각 관련되며, 복수의 가변 시간 지연 회로를 각각 포함하는 복수의 빔 형성 네트워크로서, 상기 시간 지연 회로는 연속적인 어레이 요소에 인가된 UWB 펄스에 대해 서로 다른 세트의 선택된 시간 지연을 삽입하여 서로 다른 펄스를 빔 경로를 따라 각 유저에게 보내는, 복수의 빔 형성 네트워크와;
    각 안테나 어레이가 맡고 있는 선택된 유저 쪽으로 빔 조정을 실현하도록 상기 빔 형성 네트워크를 스위칭 하기 위해, 상기 빔 형성 네트워크에 빔 조정 신호를 생성하기 위한 수단을 포함하는, 선택된 다수의 유저에게 또는 다수의 유저로부터 선택된 UWB 펄스를 보낼 수 있는 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 각 빔 형성 네트워크는 빔을 각 안테나 어레이와 관련된 복수(m)의 유저에게 보내도록 스위칭될 수 있고;
    상기 안테나 구조는 총 mn명의 유저를 위해 n개의 어레이를 가지고;
    mn명의 유저 각각에 대한 UWB 펄스는 복수의 이용 가능한 주파수로부터 선택된 반송파 주파수를 가지며;
    상기 주파수는, 임의의 유저와 관련된 빔이 동일한 주파수를 사용하여 다른 유저 빔으로부터 공간적으로 분리되도록 공간 시퀀스에서 재사용되는, 선택된 다수의 유저에게 또는 다수의 유저로부터 선택된 UWB 펄스를 보낼 수 있는 장치.
  7. 초광대역(UWB) 펄스를 선택된 다수의 유저에게 송신하는 방법으로서,
    UWB 펄스를 개별 유저에 의해 분리하는 단계와;
    UWB 펄스를 다수의 안테나 요소의 다수의 어레이를 구비한 광대역 안테나 구조에 인가하는 단계를 포함하되,
    UWB 펄스를 분리하는 상기 단계는 각 유저에게 UWB 주파수와 안테나 어레이의 고유한 조합을 할당하는 단계를 포함하며, 이를 통해, 특정한 유저에게 또는 특정한 유저로부터 송신된 UWB 펄스는 모두 고유하게 식별될 수 있고, 임의의 유저는 당한 간섭 없이도 다른 유저와 동시에 UWB 펄스를 수신 또는 송신할 수 있는, 초광대역 펄스를 선택된 다수의 유저에게 송신하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, UWB 펄스를 분리하는 상기 단계는 UWB 펄스 스트림에서 특정하게 할당된 시간 슬롯을 각 유저에게 할당하는 단계를 포함하는, 초광대역 펄스를 선택된 다수의 유저에게 송신하는 방법.
  9. 제 7항에 있어서, UWB 펄스를 분리하는 상기 단계는 각 유저의 펄스를 상기 안테나 구조의 다른 세그먼트에 인가하는 단계를 포함하는, 초광대역 펄스를 선택된 다수의 유저에게 송신하는 방법.
  10. 삭제
  11. 제 7항에 있어서, UWB 펄스를 분리하는 상기 단계는 상기 다수의 안테나 어레이 중 개별 어레이와 각각 관련된 복수의 빔 형성 네트워크에서 빔을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서, 빔을 형성하는 상기 단계는 서로 다른 펄스를 빔 경로를 따라 각 유저에게 보내기 위해 연속적인 어레이 요소에 인가된 UWB 펄스에 대해 서로 다른 세트의 선택된 시간 지연을 삽입하는 단계를 포함하며; 및
    상기 방법은 상기 빔 형성 네트워크에 빔 조정 신호를 생성하고 이를 통해 각 안테나 어레이가 맡고 있는 선택된 유저 쪽으로 빔 조정을 실현하도록 상기 빔 형성 네트워크를 스위칭하는 단계를 더 포함하는, 초광대역 펄스를 선택된 다수의 유저에게 송신하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 빔 형성 네트워크를 스위칭하는 상기 단계는 각 안 테나 어레이와 관련된 복수(m)의 유저에게 빔을 보내는 기능을 하고;
    상기 안테나 구조는 총 mn명의 유저를 위해 n개의 어레이를 가지고;
    상기 방법은, mn명의 유저 각각에 대해, 복수의 이용 가능한 주파수로부터 UWB 반송파 주파수를 선택하는 단계와, 임의의 유저와 관련된 빔이 동일한 주파수를 사용하여 다른 유저 빔으로부터 공간적으로 분리되도록 공간 시퀀스에서 상기 주파수를 재사용하는 단계를 더 포함하는, 초광대역 펄스를 선택된 다수의 유저에게 송신하는 방법.
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