KR101048262B1 - 어레이 안테나 시스템용 중계기 및 중계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상향링크/하향링크 방향에 동일한 특성을 갖는 어레이 안테나 시스템을 중계기에 적용함으로써 음영지역에서 중계기를 이용하는 가입자 단말의 공간 정보를 기지국에 전달할 수 있는 중계기 및 중계방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 중계기는 상향링크 모드와 하향링크모드에서 동일한 증폭부를 이용하여 무선신호를 증폭하고 위상 제어함으로써 기지국의 공간정보를 단말로 중계한다.

중계기, 어레이 안테나 시스템, 공간 프로세싱

Description

어레이 안테나 시스템용 중계기 및 중계방법{REPEATER FOR ARRAY ANTENNA SYSTEM AND REPEATING METHOD USING THE SAME}

도 1은 본 발명에 적용되는 어레이 안테나 시스템의 중계기를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 어레이 안테나 시스템의 중계기을 나타낸 도면.

도 3은 도 2에서 각 증폭부의 세부 구성을 나타낸 도면.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

30-1~30-n : 증폭부 31,32 : 스위치

32 : BPF 33 : 증폭기

34 : 위상 쉬프터 40 : 제어부

40 : 동기 및 조정부 100 : 중계기

200 ; 서비스 안테나 300 : 도너(donor) 안테나

본 발명은 어레이 안테나 시스템에 관한 것으로서, 특히, 어레이 안테나 시스템에서 공간 프로세싱을 위한 중계기 및 중계방법에 관한 것이다.

일반적으로 중계기는 기지국과 단말사이에 위치하여 다중경로를 통해 수신된 기지국의 낮은 신호레벨을 양호한 통화품질레벨로 증폭하여 단말로 전송하는 장치이다. 현재 국내외 각 이동통신 사업자들은 통신가능지역(coverage are)을 확장하고 전파 음영지역을 해소하기 위하여 여러 종류의 중계기(e.g.,디지털 광 중계기 및 RF중계기) 및 다양한 중계기 솔루션 (solution)을 사용하고 있다.

어레이 안테나 시스템에서 중계기는 사용자 단말의 공간(위치)정보를 왜곡 없이 기지국으로 전달하여야 하며 또한 기지국에서 공간 프로세싱된 신호를 왜곡 없이 단말로 빔포밍(beamforming)하여 중계하여야 한다. 이를 위해 중계기는 수신된 신호를 증폭하여 송신할 때 위상왜곡이 없어야 한다.

그런데, 종래에는 단순히 음영지역을 위하여 무선신호를 증폭하여 전송할 뿐 어레이 안테나를 사용하는 시스템에 대한 고려는 하고 있지 않다. 즉, 종래의 중계기는 단지 하나의 안테나를 사용하여 하향링크 방향(기지국으로부터 단말)의 무선신호를 증폭한 다음 다시 상향링크 방향으로 신호를 증폭하여 음영지역으로 전달한다.

따라서, 하나의 안테나를 갖는 종래의 중계기는 지향성을 갖는 기지국의 빔포밍된 신호를 제대로 수신할 수 없기 때문에 기지국에서 빔포밍된 채널정보를 단말로 전달할 수 없는 단점이 있었다

따라서, 본 발명의 목적은 어레이 안테나를 사용하는 통신 시스템을 위한 중계기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 선형적인 입출력 특성을 갖는 어레이 안테나 시스템 용 중계기 및 중계방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 서비스 안테나와 도너 안테나사이에 위치한 어레이 증폭부를 이용하여 상향링크 및 하향링크의 무선신호를 중계하는 중계기에 있어서, 본 발명에 다른 중계방법은, 어레이 증폭부의 입출력신호를 비교하여 제어정보를 검출하는 단계와; 검출된 제어정보를 근거로 상향 및 하향링크의 무선신호가 어레이 증폭부를 공유하도록 제어하며, 상기 공유된 증폭부의 출력특성이 선형적으로 유지되도록 제어하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 제어정보는 동기신호, 이득 조정값 및 위상 조정값이며, 상기 제어정보는 모든 어레이 증폭부에 대하여 동일하게 적용된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 어레이 안테나를 이용하여 기지국과 단말사이의 무선신호를 송수신하는 어레이 안테나 시스템에 있어서, 본 발명에 따른 중계기의 중계방법은 상향 및 하향링크의 무선신호가 증폭부를 공유하도록 스위칭하는 단계와; 증폭부의 입출력신호를 비교하여 제어정보를 검출하는 단계와; 검출된 제어정보를 따라 증폭부의 출력특성을 선형적으로 제어하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 증폭부는 어레이로 구성되며, 서비스 안테나 어레이와 도너 안테나 어레이사이에 위치한다.

바람직하게, 상기 제어정보는 동기신호, 이득 조정값 및 위상 조정값이며, 모든 증폭부에 대하여 동일하게 적용된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 어레이 안테나를 이용하여 기지국과 단말사이의 무선신호를 중계하는 무선 중계 시스템에 있어서, 본 발명에 따른 어레 이 안테나 시스템용 중계기는, 단말과 무선신호를 송수신하는 서비스 안테나 어레이와; 기지국과 무선신호를 송수신하는 도너 안테나 어레이와; 도너 어레이 안테나와 서비스 어레이 안테나사이에 위치하여, 상향링크 및 하향링크의 무선신호를 선형적으로 증폭하여 중계하는 중계기를 포함한다.

바람직하게, 상기 중계기는 상향링크 또는 하향링크의 무선신호를 증폭하는 복수의 증폭부와; 증폭부의 입출력신호를 비교하여 제어정보를 검출하는 동기 및 조정부와; 동기 및 조정부의 검출정보에 따라 복수의 증폭부의 출력특성을 선형적으로 제어하는 제어부로 구성된다.

바람직하게, 상기 제어정보는 동기신호, 이득 조정값 및 위상 조정값이다.

바람직하게, 상기 동기 및 조정부는 기지국의 방송신호 또는 기지국과 단말간의 동기신호를 이용하여 스위칭신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 복수의 증폭부의 이득은 동일하다.

바람직하게, 상기 각 증폭부는 제어부의 스위치 제어신호에 따라 무선신호를 스위칭하는 제1스위칭부와; 제1스위칭부로 스위칭된 무선신호를 필터링하는 밴드패스필너(BPF)와; 제어부의 이득제어신호에 BPF의 출력을 증폭하는 증폭기와; 제어부의 위상제어신호에 증폭기의 출력의 위상을 제어하는 위상 쉬프터와; 제어부의 스위치 제어신호에 따라 위상 쉬프터의 출력을 스위칭하는 제2스위칭부로 구성된다.

바람직하게, 상기 제1,제2스위칭부는 각각 2개의 스위치로 구성된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다

본 발명은 상향링크/하향링크 방향에 동일한 특성을 갖는 어레이 안테나 시스템을 중계기에 적용함으로써 음영지역에서 중계기를 이용하는 가입자 단말의 공간 정보를 기지국에 전달하는 하는 방안을 제안한다. 특히, 본 발명은 복잡한 공간 프로세싱(Spatial processing을 위한 연산이나 복잡한 구현의 문제없이 기지국 또는 단말의 공간 정보를 전달할 수 있는 중계기를 제공한다.

도 1은 일반적인 중계기 시스템의 개념도이다.

도 1에 도시된 바와같이, 중계기 시스템은 단말로부터 중계기의 서비스 어레이 (Service Array) 안테나로 수신된 신호는 개별적으로 증폭된 다음 도너 어레이 안테나를 통하여 기지국으로 전달된다. 기지국은 수신신호에 대하여 공간 프로세싱을 수행하여 빔포밍(beamforming)한 다음 중계기 로 전송하고, 중계기는 도너 어레이 안테나를 통하여 기지국으로부터 수신된 빔포밍 신호를 서비스 어레이 안테나를 통해 전파 음영지역의 단말(단말 1 및 단말 2)들로 전달한다.

도 2는 본 발명에 따른 중계기의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 어레이 안테나 시스템의 중계기는 음영지역의 서비스를 위한 서비스 안테나(100)와, 기지국과 무선신호를 송수신하는 도너 안테나(200)와, 무선신호의 증폭 및 상향링크/하향링크 스위칭을 수행하는 중계기(300)로 구성된다. 이때, 상기 서비스 안테나(100)와 도너 안테나(200)의 수는 각각 2개 이상의 어레이 안테나이다.

상기 중계기(300)는 상향링크 및 하향링크 방향의 무선신호를 증폭하는 복수의 증폭부(30-1~30-n)와, 상기 각 증폭부(30-1~30-n)의 입출력특성을 비교하여 각 증폭부가 선형적인 출력특성을 갖도록 스위칭신호, 이득 및 위상왜곡의 조정값을 생성하는 동기 및 조정부(Sync & Calibration)(40)와, 상기 동기 및 조정부(40)의 조정값에 따라 무선신호의 진행방향을 제어함과 함께 무선신호의 위상과 이득을 제어하는 제어부(50)로 구성된다.

상기 각 증폭부(30-1~30-n)는 도 3에 도시된 바와같이, 제어부(50)의 스위칭 제어신호에 따라 무선신호의 상향링크 및 하향링크의 경로를 스위칭하는 제1,제2스위칭부(31),(32)와, 상기 제1,제2스위칭부(31),(32)에서 스위칭된 무선신호를 필터링하는 밴드패스필터(BPF:band pass filter)(33)와, 제어부(50)의 이득 제어신호에 따라 BPF(33)의 출력을 증폭하는 증폭기(34)와, 제어부(50)의 위상 제어신호에 따라 상기 증폭기(34)의 출력의 위상을 조절하는 위상 쉬프터(shifter)(35)로 구성된다.

상기 제1,제2스위칭부(31),(32)는 각각 2개의 스위치로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 중계기의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 중계기(300)에서 증폭부(30-1~30-n)의 BPF(32), 증폭기(33) 및 위상 쉬프터(34)는 서비스 안테나 (100)에서 도너 안테나 (200)로의 방향(상향링크)과 도너 안테나(200)에서 서비스 안테나(100으로의 방향(하향링크) 모두에서 공통적으로 사용된다(공유된다).

즉, 서비스 안테나 (100)에서 출력된 무선신호는 BPF(32)→증폭기(33)→위상 쉬프터(34)→도너 안테나(200)로 전달되고, 도너 안테나(200)에서 출력된 무선신호 는 경로 1→BPF(32)→증폭기(33)→위상 쉬프터(34)→경로 2→서비스 안테나(100)로 전달된다. 이때, 각 증폭부 (30-1~30-n)의 이득은 서로 상이할 수 있으며, 상향링크와 하행링크의 경로길이 차에 의하여 위상차가 발생한다.

따라서, 동기 및 조정부는 기지국으로부터 방송 버스트(broadcasting burst)신호를 또는 GPS신호를 수신하여 스위칭을 위한 시간동기를 맞추며, 일단 동기가 맞춰지면 자체 클럭신호에 의해 동작하며 주기적으로 동기를 맞춘다. 이후, 동기 및 조정부는 각 증폭부 (30-1~30-n)의 입출력신호를 비교하여 위상왜곡 및 이득차를 검출한 다음 스위칭 신호와 각 증폭부(30-1~30-n)의 응답특성을 선형적으로 유지하기 위한 조정값(이득 및 위상)을 생성한다. 다른 예로서, 상기 위상 왜곡값은 초기 설치시에 측정하여 제어부(50)에 저장될 수도 있다. 이때, 상기 동기 및 조정부(40)는 상향링크와 다운링크방향의 스위칭을 위하여 기지국의 방송신호 또는 기지국과 단말간의 동기신호를 이용한다.

따라서, 동기 및 조정부(40)에서 출력된 동기신호, 위상 조정값 및 이득 조정값에 따라 제어부(50)는 무선신호의 진행방향(상향링크 또는 하향링크)에 따라 제1,제2스위칭부(31),(32)들을 적절히 제어하면서 증폭기(33)의 이득과 위상 쉬프터(34)의 위상을 제어한다. 그리고, 본 발명에서는 제어부(50)가 동기 및 조정부(40)의 조정값에 따라 각 증폭부(30-1~30-n)를 제어하였지만, 필요에 따라 동기 및 조정부(40)가 직접 각 증폭부(30-1~30-n)를 제어할 수도 있을 것이다.

이후 상기 동작을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 어레이 시스템의 중계기는 사용자 단말의 위치정보를 왜곡 없이 기지국으로 전달하고, 기지국에서 공간 처리된 신호를 왜곡 없이 사용자 단말로 빔포밍하여 중계해야 한다. 이를 위해서는 각 증폭부 (30-1~30-n)의 입출력에 위상왜곡이 없어야 하며 각 증폭부(30-1~30-n)의 이득이 동일해야 한다. 즉, 각 증폭부(30-1~30-n)의 응답특성이 선형성을 유지해야 한다.

일반적으로 단말로부터 어레이 안테나의 각 서비스 안테나(100)로 수신되는 신호는 웨이트 벡터(weight vector)(w)로 나타낼 수 있다. 만약, 단말이 송신한 신호를 z라고 하면 각 서비스 안테나(100)로 수신된 신호(w)는 다음 식(1)과 같이 나타낼 수 있을 것이다.

여기서 m은 중계기 어레이 안테나의 안테나 수이고, N은 사용자 단말이 보낸 심볼 수를 나타낸다. 또한, w는 (m by 1) 행렬(matrix)이고, z는 (1 by N) 행렬이며, G는 (m by N) 행렬이다.

이때, 중계기(300)의 증폭인자를 A라 가정하면 중계기(300)의 출력신호(X)는 다음 식(2)와 같이 표현된다.

여기서 행렬 A는 복소수인 요소(element)(a)를 가진다. 상기 각 요소(a)는 대각선 행렬(diagonal matrix)로서

로 표현된다.

따라서, 만약 동기 및 조정부가 상향링크 모드 및 하향링크 모드에서 각 증폭부(30-1~30-n)의 입출력신호의 위상을 일치시킬 경우에는 상기 행렬(A)에서 위상성분이 사라지며, 각 증폭부(30-1~30-n)들간의 이득을 일치시킬 경우에는 행렬(A)가 상수항으로 표현되어, 상기 식(2)는 다음 식(3)과 같이 표현된다.

-------------------식(3)

이때,

는 상수(constant)이다.

한편, 중계기(300)의 각 도너 안테나(200)에서 출력되는 신호를 행렬(X)로 표현할 때 M개의 어레이 안테나를 갖는 기지국의 각 안테나로 수신되는 신호(Y)는 다음의 식(4)와 같이 각 도너 안테나(200)에서 전송된 신호들의 합으로 표현된다.

-----------------식(4)

여기서 행렬(Q_m)은 중계기(300)의 m번째 안테나로부터 전송된 신호가 기지국에 M개의 안테나에 도달하는 (M by 1)의 공간 웨이팅(spatial weighting)을 나타내는 열 벡터(column vector)이며, X_m은 중계기(300)의 출력신호(X)의 m번째 (1 by N)의 행 벡터(row vector)이다. 이것을 정리하면 다음 식(5)와 같다.

따라서, 상기 식(5)를 앞서 정의한 식으로 표현하면 다음 식(6)과 같다.

---------------------------식(6)

만약 중계기(300)와 기지국간의 채널이 공간 프로세싱동안 일정하다고 가정하면,

가 상수인 경우 상기 Y는 W값에 선형적이다(linear하다). 이것은 기지국으로부터의 공간 프로세싱이 중계기(300)를 거치더라도 유지된다는 것을 나타낸다.

따라서, 동기 및 조정부는 식(6)에서 가 상수가 되기 위한 조정값을 추출하여 제어부(50)로 출력하고, 제어부(50)는 추출된 동기와 함께 이득값 및 위상으로 복수의 증폭부(30-1~30-n)를 제어한다. 각 증폭부(30-1~30-n)는 제어부 (40)의 제어에 따라 무선 신호를 선형적으로 증폭함으로써 기지국과 단말간의 공간 프로세싱 정보가 효과적으로 유지될 수 있다.

상술한 바와같이 본 발명은 중계기가 무선신호를 증폭(증폭,위상제어)할 때 무선신호의 증폭특성이 선형적으로 유지 되도록 함으로써 무선신호의 왜곡을 예방할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 상향링크 및 하향링크의 무선신호가 동일한 신호경로상에서 제어되도록 함으로써 기지국과 단말간의 공간프로세싱 정보를 효과적으로 중계할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (16)

1. 서비스 안테나와 도너 안테나사이에 위치한 어레이 증폭부를 이용하여 상향링크 및 하향링크의 무선신호를 중계하는 중계기에 있어서,

   어레이 증폭부의 입출력신호를 비교하여 제어정보를 검출하는 단계와;

   검출된 제어정보를 근거로 상향 및 하향링크의 무선신호가 어레이 증폭부를 공유하도록 제어하며, 상기 공유된 증폭부의 출력특성이 선형적으로 유지되도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중계기의 중계방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어정보는

   동기신호, 이득 조정값 및 위상 조정값인 것을 특징으로 하는 중계기의 중계방법.
3. 제1항에 있어서, 제어정보는

   모든 어레이 증폭부에 대하여 동일하게 적용되는 것을 특징으로 하는 중계기의 중계방법.
4. 어레이 안테나를 이용하여 기지국과 단말사이의 무선신호를 송수신하는 어레이 안테나 시스템에 있어서,

   상향 및 하향링크의 무선신호가 증폭부를 공유하도록 스위칭하는 단계와;

   증폭부의 입출력신호를 비교하여 제어정보를 검출하는 단계와;

   검출된 제어정보를 따라 증폭부의 출력특성을 선형적으로 제어하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 중계기의 중계방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 증폭부는

   어레이로 구성된 것을 특징으로 하는 중계기의 중계방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 증폭부는

   서비스 안테나 어레이와 도너 안테나 어레이사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 중계기의 중계방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 제어정보는

   동기신호, 이득 조정값 및 위상 조정값인 것을 특징으로 하는 중계기의 중계방법.
8. 제4항에 있어서, 제어정보는

   모든 증폭부에 대하여 동일하게 적용되는 것을 특징으로 하는 중계기의 중계방법.
9. 어레이 안테나를 이용하여 기지국과 단말사이의 무선신호를 중계하는 무선 중계 시스템에 있어서,

   단말과 무선신호를 송수신하는 서비스 안테나 어레이와;

   기지국과 무선신호를 송수신하는 도너 안테나 어레이와;

   도너 어레이 안테나와 서비스 어레이 안테나사이에 위치하여, 상향링크 및 하향링크의 무선신호를 선형적으로 증폭하여 중계하는 중계기로 구성되고;

   상기 중계기는

   상향링크 또는 하향링크의 무선신호를 증폭하는 복수의 증폭부와,

   증폭부의 입출력신호를 비교하여 제어정보를 검출하는 동기 및 조정부와,

   동기 및 조정부의 검출정보에 따라 복수의 증폭부의 출력특성을 선형적으로 제어하는 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 어레이 안테나 시스템용 중계기.
10. 삭제
11. 제9항에 있어서, 상기 제어정보는

    동기신호, 이득 조정값 및 위상 조정값인 것을 특징으로 하는 어레이 안테나 시스템용 중계기.
12. 제9항에 있어서, 상기 동기 및 조정부는

    기지국의 방송신호 또는 기지국과 단말간의 동기신호를 이용하여 시간동기를 맞추는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나 시스템용 중계기.
13. 제9항에 있어서, 상기 복수의 증폭부의 이득은

    동일한 것을 특징으로 하는 어레이 안테나 시스템용 중계기.
14. 제9항에 있어서, 상기 각 증폭부는

    제어부의 스위치 제어신호에 따라 무선신호를 스위칭하는 제1스위칭부와;

    제1스위치로 스위칭된 무선신호를 필터링하는 밴드패스필너(BPF)와;

    제어부의 이득제어신호에 BPF의 출력을 증폭하는 증폭기와;

    제어부의 위상제어신호에 증폭기의 출력의 위상을 제어하는 위상 쉬프터와;

    제어부의 스위치 제어신호에 따라 위상 쉬프터의 출력을 스위칭하는 제2스위칭부로 구성된 것을 특징으로 하는 어레이 안테나 시스템용 중계기.
15. 제14항에 있어서, 상기 무선신호는

    상향링크모드에서는 제1스위칭부, BPF, 증폭기, 위상쉬프터 및 제2스위칭부를 순차 통과하여 상향링크로 전송되고, 하향링크모드에서는 제2스위칭부, 제1경로, 제1스위칭부, BPF, 증폭기, 위상쉬프터, 제2스위칭부, 제2경로 및 제1스위칭부를 순차 통과하여 하향링크로 전송되는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나 시스템용 중계기.
16. 제15항에 있어서, 상기 제1,제2스위칭부는

    각각 2개의 스위치로 구성된 것을 특징으로 하는 어레이 안테나 시스템용 중계기.

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