KR101356789B1 - 다중 안테나를 이용한 통신 시스템을 위한 빔포밍 장치 - Google Patents

Abstract

다중 안테나를 이용한 통신 시스템을 위한 빔포밍 장치를 공개한다. 본 발명은 포함한다. 본 발명은 복수개의 안테나 개수보다 적은 개수로 복수개의 D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터를 구비하는 대신 복수개의 D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터 각각에 대응하는 복수개의 위상 조절기를 포함하여 디지털 방식 및 아날로그 방식이 결합된 빔포밍 장치를 구현할 수 있다. 따라서 복수개의 D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터가 다중 데이터 스트림에 대응하도록 할 수 있도록 할 뿐만 아니라. D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터의 개수를 줄여 크기를 줄이고 제조비용을 절감할 수 있다.

Description

다중 안테나를 이용한 통신 시스템을 위한 빔포밍 장치{BEAMFORMING APPARATUS FOR COMMUNICATION SYSTEM USING MULTI-ANTENNA}

본 발명은 빔포밍 장치에 관한 것으로서, 특히 복수개의 안테나를 이용하는 다중 안테나를 사용하는 통신 시스템에서 적은 수의 D/A 컨버터 및 A/D 컨버터를 이용하여 다중 지원이 가능한 빔포밍 장치에 관한 것이다.

최근 고속 무선 통신 시스템에서는 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output: MIMO)을 수행하기 위해 다중 안테나를 사용하는 장치가 많아지고 있다. 다중 안테나를 이용하는 통신 기술 중 하나로는 빔포밍(Beamforming) 기술이 있다. 빔포밍 기술은 스마트 안테나(smart antenna) 기술의 한 방식으로 안테나의 빔이 특정 각도 방향으로 국한되어 비취도록 하는 기술이다. 빔포밍은 주로 간섭 제거 및 전력 증대를 위해 사용되고 있다.

기존에 다중 안테나를 이용하여 빔포밍을 수행하는 장치는 크게 디지털 방식 빔포밍 장치와 아날로그 방식의 빔 포밍 장치로 구분될 수 있다. 디지털 방식의 빔포밍 장치는 안테나 개수 이상의 개수로 D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터를 구비하여 빔 포밍을 수행하기 때문에 높은 다중화 이득(multiplexing gain)을 이룰수 있지만 D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터의 개수가 많아짐에 따라 제조비용이 크게 높아질 뿐만 아니라, 소형화에 큰 장애가 되는 문제가 있다.

한편 아날로그 방식 빔 포밍 장치는 하나의 D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터만을 구비하고, 다수개의 위상 조절기를 이용하여 위상을 변환하는 방식을 이용하기 때문에 디지털 방식의 빔포밍 장치에 비해 D/A 컨버터의 개수가 줄어들어 제조비용을 낮출 수 있다는 장점이 있으나, 소형화, 집적화되어가는 빔포밍 장치의 크기에 따라 빔 형성 방법의 유효성이 낮아지고 있다. 특히 다중 데이터 스트림 지원이 불가능하여 한번에 하나의 스트림만 처리할 수 있는 한계와 더불어 위상 조절기의 위상 조절 범위의 한계로 인해 모든 채널에 적합한 빔형성을 할 수 없다는 문제가 있었다.

한국 등록 특허 제10-1079549호(2011.02.14. 공개)에는 아날로그 방식의 빔포밍 장치의 일 예가 공개되어 있다. 상기한 한국 등록 특허는 디지털 빔포밍과 비교하여 하나의 A/D 컨버터만을 구비하는 아날로그 방식 자체의 장점과 더불어 기존의 아날로그 빔포밍과 비해 수신 벡터를 미리 설정된 가중치 벡터 셋을 활용함에 따라 계산의 복잡도를 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.

그러나 아날로그 방식의 고유 문제점인 다중 데이터 스트림 지원이 불가능하다는 단점을 여전히 갖고 있다.

본 발명의 목적은 아날로그 방식과 디지털 방식을 결합하여 다중 데이터 스트림 지원이 가능하도록 복수개의 안테나에 대해 선택적으로 빔포밍을 수행할 수 있는 빔포밍 장치를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 빔포밍 장치는 데이터를 수신하여 적어도 하나의 데이터 스트림으로 변환하고, 상기 적어도 하나의 데이터 스트림을 송출하기 위한 최적화 조건을 설정하고, 상기 최적화 조건에 따라 복수개의 가중 벡터와 위상 조절 신호, 제1 및 제2 선택 신호를 생성하여 출력하는 송신 제어부; 각각 상기 적어도 하나의 스트림 중 대응하는 데이터 스트림을 수신하고, 대응하는 상기 가중 벡터에 따라 수신한 데이터 스트림을 증폭하여 출력하는 복수개의 가중치 조절기를 구비하는 가중치 설정부; 상기 복수개의 가중치 조절기에서 상기 제1 선택신호에 따라 선택되어 상기 데이터 스트림을 수신하여 아날로그 신호로 변환하는 복수개의 D/A 컨버터를 포함하는 D/A 변환부; 상기 제2 선택 신호에 응답하여 활성화되고, 상기 복수개의 D/A 컨버터의 개수와 동일한 복수개의 그룹을 형성하여 상기 복수개의 D/A 컨버터 중 대응하는 D/A 컨버터로부터 상기 아날로그 신호를 수신하고, 상기 위상 조절 신호에 응답하여 상기 아날로그 신호의 위상을 조절하여 출력하는 복수개의 위상 조절기를 포함하는 위상 조절부; 및 상기 복수개 그룹 각각에서 대응하는 위상 조절기에서 출력되는 상기 아날로그 신호를 수신 및 결합하여 복수개의 안테나 중 대응하는 안테나로 출력하는 복수개의 신호 결합기;를 포함한다.

상기 D/A 변환부는 상기 복수개의 안테나 개수보다 적은 개수의 D/A 컨버터를 포함하고, 상기 가중치 설정부는 상기 복수개의 D/A 컨버터와 동일한 개수의 가중치 조절기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 위상 조절부는 상기 복수개의 위상 조절기를 상기 복수개의 D/A 컨버터의 개수와 상기 복수개의 안테나의 개수의 곱 이하의 개수로 구비하고, 상기 복수개의 그룹 각각은 적어도 하나의 상기 위상 조절기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 송신 제어부는 통신을 수행할 무선 채널의 채널 상태를 분석하여 채널 정보를 저장하는 채널 정보 설정부; 상기 채널 정보와 상기 데이터를 수신하고, 상기 데이터를 분석하여 상기 데이터를 송신하기 위한 상기 최적화 조건을 설정하는 최적화 수행부; 상기 최적화 조건에 따라 상기 데이터를 상기 데이터 스트림으로서 송출할 안테나를 선택하고, 상기 안테나로 상기 데이터 스트림을 전달할 상기 D/A 컨버터 및 상기 위상 조절기를 선택하기 위한 상기 제1 및 제2 선택 신호를 생성하여 출력하는 빔 선택부; 상기 최적화 조건에 따라 상기 데이터를 상기 적어도 하나의 데이터 스트림으로 변환하고, 상기 복수개의 가중치 조절기 중 하나의 가중치 조절기로 전송하는 스트림 결정부; 및 상기 데이터 스트림을 수신한 상기 복수개의 D/A 컨버터 각각에 대해 상기 데이터 스트림의 증폭도를 설정하기 위한 복수개의 가중 백터 및 상기 아날로그 신호를 수신한 상기 복수개의 위상 조절기 각각의 위상 조절 값을 설정하기 위한 복수개의 위상 조절 신호를 생성하여 출력하는 가중 벡터 결정부; 를 포함하는 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포밍 장치는 복수개의 안테나 중 대응하는 안테나로부터 아날로그 신호를 수신하여 위상 조절 신호에 응답하여 위상을 조절하여 출력하며, 복수개의 그룹을 형성하는 복수개의 위상 조절기를 포함하는 위상 조절부; 상기 복수개 그룹 각각의 대응하는 위상 조절기에서 출력되는 상기 아날로그 신호를 수신하고 결합하는 복수개의 신호 결합기; 각각 상기 복수개의 신호 결합기 중 대응하는 신호 결합기로부터 상기 아날로그 신호를 수신하여 디지털 신호인 데이터 스트림으로 변환하는 복수개의 A/D 컨버터를 구비하는 A/D 변환부; 상기 복수개의 A/D 변환기 중 제1 선택 신호에 대응하는 적어도 하나의 A/D 변환기를 선택하고, 선택된 A/D 변환기로부터 상기 데이터 스트림을 수신하고, 가중 벡터에 따라 상기 수신한 데이터 스트림을 증폭하여 출력하는 복수개의 가중치 조절기를 구비하는 가중치 설정부; 및 상기 적어도 하나의 적어도 하나의 데이터 스트림을 수신하기 위한 최적화 조건을 설정하고, 상기 최적화 조건에 따라 복수개의 상기 가중 벡터와 복수개의 상기 위상 조절 신호 및 상기 제1 선택 신호를 생성하고, 상기 복수개의 위상 조절기를 선택적으로 활성화하기 위한 제2 선택 신호를 생성하며, 상기 복수개의 가중치 조절기로부터 상기 적어도 하나의 데이터 스트림을 수신하여 데이터로 변환하는 수신 제어부; 를 포함한다.

상기 A/D 변환부는 상기 복수개의 안테나 개수보다 적은 개수의 A/D 컨버터를 포함하고, 상기 가중치 설정부는 상기 복수개의 A/D 컨버터와 동일한 개수의 가중치 조절기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 위상 조절부는 상기 복수개의 위상 조절기를 상기 복수개의 A/D 컨버터의 개수와 상기 복수개의 안테나의 개수의 곱 이하의 개수로 구비하고, 상기 복수개의 그룹 각각은 적어도 하나의 상기 위상 조절기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 수신 제어부는 통신을 수행할 무선 채널의 채널 상태를 분석하여 채널 정보를 저장하는 채널 정보 설정부; 상기 채널 정보를 분석하여 상기 적어도 하나의 데이터 스트림을 수신하기 위한 상기 최적화 조건을 설정하는 최적화 수행부; 상기 최적화 조건에 따라 상기 적어도 하나의 데이터 스트림을 상기 아날로그 신호로서 수신할 안테나를 선택하고, 상기 안테나로부터 상기 데이터 스트림을 수신할 상기 A/D 컨버터 및 상기 위상 조절기를 선택하기 위한 상기 제1 및 제2 선택 신호를 생성하여 출력하는 빔 선택부; 상기 최적화 조건에 따라 상기 복수개의 가중치 조절기로부터 상기 적어도 하나의 데이터 스트림을 수신하여 상기 적어도 하나의 데이터로 변환하는 스트림 결정부; 및 상기 아날로그 신호를 수신한 상기 복수개의 A/D 컨버터 각각에 대해 상기 데이터 스트림의 증폭도를 설정하기 위한 복수개의 가중 백터 및 상기 아날로그 신호를 수신한 상기 복수개의 위상 조절기 각각의 위상 조절 값을 설정하기 위한 복수개의 위상 조절 신호를 생성하여 출력하는 가중 벡터 결정부; 를 포함하는 특징으로 한다.

상기 채널 정보는 상기 채널의 주파수 대역과 채널 상태, 데이터를 수신할 기기와의 거리 및 방향, 다른 기기들과의 협력 전송 여부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 복수개의 안테나는 통신을 수행할 무선 채널의 중심 주파수에 대응하는 파장(λ)의 1/2 거리 이내에 복수개의 안테나가 집적되는 초소형 집적 안테나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 복수개의 안테나 개수보다 적은 개수로 복수개의 D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터를 구비하는 대신 복수개의 D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터 각각에 대응하는 복수개의 위상 조절기를 포함하여 디지털 방식 및 아날로그 방식이 결합된 빔포밍 장치를 구현한다. 따라서 복수개의 D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터가 다중 데이터 스트림에 대응하도록 할 수 있도록 할 뿐만 아니라. D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터의 개수를 줄여 크기를 줄이고 제조비용을 절감할 수 있다.

도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 장치를 나타낸다.
도2 는 도1 의 제어부의 상세 구성을 나타낸다.
도3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포밍 장치를 나타낸다.
도4 는 초소형 집적화 안테나의 일 예를 나타낸다.
도5 는 초소형 집적화 안테나의 다른 예를 나타낸다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “...부”, “...기”, “모듈”, “블록” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 장치를 나타낸다.

빔포밍 장치는 일반적인 통신 장치와 마찬가지로 송신기와 수신기로 구분될 수 있으며, 도1 에서는 일예로서 송신기로서의 빔포밍 장치(10)를 도시하였다. 도1 에서는 설명의 편의를 위해 빔포밍 장치(10)만을 독립적으로 도시하였으나, 실제 빔포밍 장치(10)는 전송할 데이터를 수신하여야 하므로 단독으로 구현되는 경우는 없다. 일반적으로 빔포밍 장치(10)는 개인용 사용자 단말이나 기지국과 같은 각종 기기의 일부로 구현되며, 비록 도시하지는 않았으나 빔포밍 장치(10)를 구비하는 기기는 빔포밍 장치 이외에 송신할 데이터를 생성하는 데이터 처리부를 구비하고, 빔포밍 장치(10)는 데이터 처리부에서 생성된 데이터를 수신한다.

도1 을 참조하면 빔포밍 장치(10)는 송신 제어부(100), 가중치 설정부(200), D/A 변환부(300), 위상 조절부(400), 복수개의 신호 결합기(AD11 ~ AD14) 및 복수개의 안테나(ANT1 ~ ANT4)를 포함한다.

송신 제어부(100)는 데이터 처리부(미도시)에서 생성되어 다른 기기로 전송할 데이터를 수신한다. 데이터를 수신한 송신 제어부(100)는 데이터를 송신하고자 하는 통신 채널의 정보와 데이터를 분석하여 효율적인 데이터 전송을 위한 최적화 조건을 판별한다. 그리고 판별된 최적화 조건에 따라 데이터 전송 방식을 결정한다. 여기서 통신 채널 정보는 채널의 주파수 대역과 채널 상태, 데이터를 수신할 기기와의 거리 및 방향, 다른 기기들과의 협력 전송 여부, 이용 가능한 전체 송신 전력량 등의 정보가 포함될 수 있다. 송신 제어부(100)는 이러한 분석된 통신 채널 정보에 더하여 전송하고자 하는 데이터의 용량이나 다중 데이터 스트림 송신 여부 등을 분석하여 데이터 송신을 위한 최적의 조건을 판별한다.

이때 최적의 조건은 다중 데이터 스트림에서 데이터 스트림의 개수와 안테나의 개수 등도 함께 고려되어 결정되며, 최적화 조건에 따라 빔포밍 방식이 결정된다. 즉 본 발명에서 최적화 조건은 어떠한 형태로 빔을 형성할지에 대한 빔포밍 방법을 의미한다.

본 발명에 따른 빔포밍 장치는 안테나 수보다 적은 개수의 D/A 컨버터를 구비하지만, 기존의 아날로그 방식과는 달리 다중 데이터 스트림 지원이 가능하도록 구성되므로 서로 다른 여러 데이터를 동시에 송신할 수 있다.

송신 제어부(100)는 최적화 조건에 따라 데이터를 적어도 하나의 데이터 스트림으로 형성하여 가중치 설정부(200)의 복수개의 가중치 조절기(210 ~ 230) 중 적어도 하나의 가중치 조절기로 전송하고, 복수개의 가중 벡터(wv)와 위상 조절 신호(pc)를 생성하여 각각 가중치 설정부(200) 및 위상 조절부(400)로 출력한다. 또한 송신 제어부(100)은 제1 및 제2 선택 신호(sel1, sel2)를 생성하여 각각 가중치 설정부(200) 및 위상 조절부(400)로 출력한다. 여기서 송신 제어부(100)는 결정된 최적화 조건에 따라 복수개의 가중치 조절기(210 ~ 230) 중 적어도 하나의 가중치 조절기를 선택하여 데이터 스트림이 선택된 가중치 조절기로만 전송되도록 한다.

가중치 설정부(200)는 D/A 변환부(300)에 구비되는 D/A 컨버터(310 ~ 330)의 개수에 대응하는 개수의 가중치 조절기(210 ~ 230)를 구비한다. 복수개의 가중치 조절기(210 ~ 230) 각각은 송신 제어부(100)로부터 대응하는 데이터 스트림을 수신하고, 수신한 데이터 스트림을 송신 제어부(100)에서 인가되는 가중 벡터 값(wv)에 따라 가중치를 조절한다. 그리고 가중치가 조절된 데이터 스트림을 복수개의 D/A 컨버터(310 ~ 330) 중 제1 선택 신호에 따라 선택되는 D/A 컨버터로 전송한다.

가중치 설정부(200)의 복수개의 가중치 조절기(210 ~ 230) 각각은 송신 제어부(100)에서 출력되는 복수개의 가중 벡터 중 대응하는 가중 벡터에 응답하여 데이터 스트림의 신호를 증폭한다. 즉 가중치 조절기(210 ~ 230)는 일종의 증폭기로 볼 수 있으며, 이용 가능한 전체 송신 전력량 범위 내에서 복수개의 가중치 조절기(210 ~ 230)가 각각 수신한 데이터 스트림을 증폭한다.

D/A 변환부(300)는 동시에 전송 할 데이터 스트림의 개수에 대응하는 복수개의 D/A 컨버터(310 ~ 330)를 구비한다. 복수개의 D/A 컨버터(310 ~ 330) 각각은 가중치 설정부(200)에서 수신한 데이터 스트림을 아날로그 신호로 변환한다.

여기서 빔포밍 장치(10)가 동시에 전송할 데이터 스트림의 개수는 빔포밍 장치(10)의 설계 시에 기설정된다. 즉 빔포밍 장치(10)는 설계 시에 빔포밍 장치(10)가 포함된 기기의 용도 및 종류에 따라 동시에 처리할 데이터 스트림의 최대 개수를 추측하고, 추측된 데이터 스트림의 최대 개수 이하의 개수로 D/A 컨버터(310 ~ 330)를 구비하도록 설계된다. 다만 본 발명에 따른 빔포밍 장치(10)는 빔포밍 장치의 크기를 소형화 할 수 있도록 안테나(ANT1 ~ ANT4)의 개수보다는 적은 개수의 D/A 컨버터(310 ~ 330)를 구비한다.

그리고 D/A 변환부(300)의 복수개의 D/A 컨버터(310 ~ 330) 각각은 변환된 아날로그 신호를 위상 조절부(400)의 복수개의 위상 조절기(PS) 중 대응하는 위상 조절기로 출력한다.

위상 조절부(400)는 D/A 변환부(300)의 복수개의 D/A 컨버터(310 ~ 330)와 안테나(ANT1 ~ ANT4)에 대응하는 개수의 위상 조절기(PS)를 구비한다. 위상 조절부(400)은 D/A 컨버터(310 ~ 330)의 개수와 안테나(ANT1 ~ ANT4) 개수의 곱 이하의 개수의 위상 조절기(PS)를 구비한다. 도1 에서는 D/A 컨버터(310 ~ 330)가 3개 이고 안테나(ANT1 ~ ANT4)가 4개 이므로, 최대값이 12개의 위상 조절기(PS)가 위상 조절부(400)에 구비되었다. 즉 복수개의 위상 조절기(PS)는 복수개의 D/A 컨버터(310 ~ 330) 각각에 대응하여 복수개의 그룹을 형성하고, 복수개의 위상 조절기 그룹 각각은 복수개의 D/A 컨버터(310 ~ 330) 중 대응하는 D/A 컨버터와 연결된다.

복수개의 위상 조절기(PS) 각각은 송신 제어부(100)에서 인가되는 제2 선택 신호에 응답하여 활성화되고, 복수개의 D/A 컨버터(310 ~ 330) 중 대응하는 하나의 D/A 컨버터로부터 아날로그 신호를 수신하고, 송신 제어부(100)에서 인가되는 위상 조절 신호(ps)에 응답하여 수신한 아날로그 신호의 위상을 조절하여 대응하는 복수개의 신호 결합기(AD11 ~ AD14) 중 대응하는 하나의 신호 결합기로 전송한다.

복수개의 신호 결합기(AD11 ~ AD14)는 각각 복수개의 위상 조절기(PS) 중 대응하는 위상 조절기로부터 아날로그 신호를 수신하고, 수신된 아날로그 신호를 결합하여 대응하는 안테나(ANT1 ~ ANT4)로 출력한다.

복수개의 안테나(ANT1 ~ ANT4)는 각각 대응하는 신호 결합기(AD11 ~ AD14)에서 인가되는 아날로그 신호를 무선 신호로서 방사한다.

여기서 복수개의 안테나(ANT1 ~ ANT4)는 초소형 집적화된 안테나로서 PIFA(PLANAR INVERTED-F ANTENNA) 등이 사용될 수 있다. 복수개의 안테나의 개수(ANT1 ~ ANT4)는 빔포밍 장치에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

일반적으로 복수개의 안테나를 구비하는 장치는 복수개의 안테나에서 송수신되는 무선 신호, 즉 전파의 상호 간섭을 줄이기 위해 무선 신호의 중심 주파수에 대응하는 파장(λ)의 1/2 이상의 간격으로 이격되어 배치되어야 한다. 따라서 기존의 빔포밍 장치가 다수의 안테나를 구비하기 위해서는 크기가 매우 커져야 하는 문제가 있었다. 그러나 최근에는 안테나 분야에 대한 연구 개발이 계속적으로 진행되어 1/2 λ 이내의 거리에 복수개의 안테나가 집적되는 기술이 제시되고 있다. 초소형 집적화된 안테나는 후술하도록 한다.

상기한 도1 의 빔포밍 장치(10)는 송신 제어부(100)데이터 처리부로부터 데이터를 수신하고, 수신한 데이터를 채널 정보에 기초하여 빔포밍을 위한 최적의 조건 판단한다. 그리고 송신 제어부(100)는 판별된 최적의 조건에 따라 데이터를 데이터 스트림으로서 증폭하고 아날로그 신호로 변환한 후 위상 조절하여 복수개의 안테나(ANT1 ~ ANT4)를 통해 출력한다. 빔포밍 장치(100)는 복수개의 가중치 조절기(210 ~ 230)와 D/A 컨버터(310 ~ 330)을 구비하되, 안테나(ANT1 ~ ANT4)와 D/A 컨버터(310 ~ 330)의 개수에 대응하는 개수의 위상 조절기(PS)를 구비하여 안테나(ANT1 ~ ANT4) 개수보다 적은 개수의 가중치 조절기(210 ~ 230)와 D/A 컨버터(310 ~ 330)를 구비함에도 복수개의 데이터 스트림을 동시에 송신할 수 있다.

이러한 구성으로 인해 빔포밍 장치(10)는 비록 기존의 아날로그 방식의 빔포밍 장치보다 많은 개수의 위상 조절기(PS)를 구비하지만 위상 조절기의 크기는 일반적으로 D/A 컨버터에 비해 매우 작고 저렴하다. 따라서 증가된 위상 조절기(PS)의 개수보다 D/A 컨버터의 개수가 줄어듦으로 인해 빔포밍 장치(10)의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한 디지털 방식의 빔포밍 장치의 장점인 복수개의 데이터 스트림을 동시 송신을 수행할 수 있다.

도2 는 도1 의 송신 제어부의 상세 구성을 나타낸다.

도2 를 참조하면 송신 제어부(100)는 채널 정보 설정부(110), 최적화 수행부(120), 빔 선택부(130), 스트림 결정부(140) 및 가중 벡터 결정부(150)를 구비한다.

채널 정보 설정부(110)는 채널의 주파수 대역과 채널 상태, 데이터를 수신할 기기와의 거리 및 방향, 다른 기기들과의 협력 전송 여부와 같은 채널 정보를 분석하고 저장한다. 채널 정보 설정부(110)는 고정된 채널 정보가 기저장되어 있을 수 도 있으며, 외부의 다른 기기로부터 채널 정보를 수신하여 저장할 수도 있다. 또한 데이터 송신과 같이 필요 시에 외부의 기기로 채널 정보를 요청하여 수신할 수도 있다. 도1 의 빔포밍 장치(10)는 송신을 위한 빔 포밍 장치이므로 외부 기기로부터 채널 정보를 수신할 수 없으나, 일반적으로 빔포밍 장치는 송신과 수신을 함께 수행할 수 있도록 구성되므로, 채널 정보 설정부(110)는 외부 기기로부터 채널 정보를 수신할 수도 있다.

최적화 수행부(120)는 채널 정보 설정부(110)로부터 채널 정보를 수신하고, 데이터 처리부로부터 데이터를 수신하여 분석한다. 그리고 분석 결과로서 수신한 데이터를 최적의 조건으로 송신하기 위한 빔포밍 방법을 최적화 조건으로 결정한다. 최적화 조건은 수신한 데이터를 복수개의 안테나 중 몇 개의 안테나를 통해 어떠한 빔을 형성하여 전송할지 여부와 하나의 데이터를 몇 개의 데이터 스트림으로 구분할지를 포함한다.

빔 선택부(130)는 최적화 수행부(120)에서 결정한 최적화 조건에 따라 빔을 형성할 안테나를 선택하고 선택된 안테나로 데이터 스트림을 전송할 가중치 조절기(210 ~ 230), D/A 컨버터(310 ~ 330) 및 위상 조절기(PS)를 선택한다. 즉 빔 선택부(130)는 제1 및 제2 선택 신호(sel1, sel2)를 생성하여 출력한다.

스트림 결정부(140)는 최적화 조건에 따라 수신한 데이터를 적어도 하나의 데이터 스트림으로 구분하여 빔 선택부(130)에 의해 선택된 가중치 조절기(210 ~ 230)로 출력한다. 데이터는 하나의 데이터 스트림으로 구분될 수도 있으나, 복수개의 데이터 스트림으로 구분될 수도 있다. 여기서 데이터가 복수개의 데이터 스트림으로 구분되는 경우 복수개의 데이터 스트림의 최대 개수는 D/A 컨버터(310 ~ 330)의 개수 이내이다. 즉 도1 의 빔포밍 장치(10)에서 구분 가능한 최대 데이터 스트림의 개수는 3개이다. 스트림 결정부(140)는 하나의 데이터를 복수개의 데이터 스트림으로 구분할 수도 있으나, 경우에 따라서는 서로 다른 복수개의 데이터를 하나의 데이터 스트림으로 병합할 수도 있다.

가중 벡터 결정부(150)는 최적화 조건에 따라 각 데이터 스트림에 대한 가중 벡터(wv)와 위상 조절 신호(pc)를 생성하여 각각 가중치 조절기(210 ~ 230) 및 위상 조절기(ps)로 인가한다. 가중 벡터 결정부(150)는 각 데이터 스트림에 대해 요구되는 신호의 세기를 최적화 조건으로부터 판별하여 가중치 벡터(wv)를 생성하는 한편, 최적화 조건에 적용된 채널 상태에 따라 위상 조절기의 위상 값을 조절하기 위한 위상 조절 신호(pc)를 생성하여 출력한다.

도3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포밍 장치를 나타낸다.

도3 의 빔포밍 장치(20)는 도1 의 빔포밍 장치(10)와 달리 수신기로서의 빔포밍 장치를 도시하였다. 도3 의 빔포밍 장치(20)을 살펴보면, 수신 제어부(600), 가중치 설정부(700), A/D 변환부(800), 복수개의 신호 결합기(AD21 ~ AD24), 위상 조절부(900) 및 복수개의 안테나(ANT1 ~ ANT4)를 포함한다.

도3 의 빔포밍 장치(20)의 구성을 도1 의 빔포밍 장치(10)와 비교하면, D/A 변환부(300)가 A/D 변환부(800)로 대체되었으며, 복수개의 신호 결합기(AD21 ~ AD24)의 위치가 위상 조절부(400)와 복수개의 안테나(ANT1 ~ ANT4) 사이가 아닌 위상 조절부(900)와 A/D 변환부(800) 사이로 조절된 것만 서로 다르다.

도3 에서 D/A 변환부(300)가 A/D 변환부(800)로 대체된 것은 송신과 달리 수신시에는 아날로그로 수신되는 신호를 디지털 신호로 변환해야하기 때문이며, 복수개의 신호 결합기(AD21 ~ AD24)의 위치 또한 복수개의 안테나(ANT1 ~ ANT4)를 통해 수신되는 아날로그 신호를 위상 조절후 병합해야하기 때문이다.

도3 에서 수신 제어부(600)는 송신 제어부(100)와 별개의 회로로 구성될 수도 있으나 실제 동작이나 구성은 대부분 동일하다. 즉 도2 의 송신 제어부(100)의 구성이 도3 의 수신 제어부(600)에서도 그대로 적용될 수 있다.

송신 및 수신을 위한 안테나(ANT1 ~ ANT4)는 일반적으로 구분되어 개별적으로 구비되지 않고 공통으로 사용되므로, 복수개의 안테나(ANT1 ~ ANT4)는 도1 의 빔포밍 장치(10)와 동일하다.

결과적으로 도1 의 빔포밍 장치(10) 및 도3 의 빔포밍 장치(20)는 매우 유사한 구조를 가지며, 일반적인 통신 기기는 송신 및 수신을 동시에 수행하므로, 복수개의 D/A 컨버터(310 ~ 340)과 복수개의 A/D 컨버터(810 ~ 830) 및 복수개의 신호 결합기(AD11 ~ AD14, AD21 ~ AD24)를 제외한 나머지 구성 요소를 공통으로 사용하여 송수신을 위한 빔포밍 장치를 구성하여도 무방하다.

도3 의 빔 포밍 장치(20)의 각 구성 요소의 기능은 도1 의 빔포밍 장치(10)와 유사하므로 여기서는 별도로 설명하지 않는다.

도4 는 초소형 집적화 안테나의 일 예를 나타낸다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 빔포밍 장치(10, 20)은 다중 데이터 스트림을 송수신 할 수 있음에도, D/A 컨버터 또는 A/D 컨버터의 개수가 안테나 개수보다 적도록 줄여 빔포밍 장치(10, 20) 전체의 크기를 줄일 수 있다. 그러나 상기한 바와 같이 기존의 안테나는 상호 간섭이 발생하는 것을 회피하기 위해 서로 0.5λ 이상의 간격을 유지해야 하므로 다수의 안테나를 구비하는 빔포밍 장치(10, 20)의 크기를 줄이는데 한계가 있었다.

이에 도4 는 0.5λ 이내의 간격에 복수개의 안테나를 배치할 수 있는 초소형 집적화 안테나의 일 실시예를 나타낸다.

도4 에 도시된 복수개의 안테나 모듈(AM) 각각은 정사각형 평판 형태로 구현되는 패널(PN)과 적어도 하나의 PIFA(PF)를 포함한다. 본 발명에서 적어도 하나의 PIFA(PF) 각각은 패널(PN)의 중심점으로부터 각 모서리 방향, 즉 대각선 방향으로 배치된다. 따라서 도4 의 안테나 모듈(AM)은 최대 4개의 PIFA(PF)가 집적되어 배치될 수 있다. 여기서 적어도 하나의 PIFA(PF)를 패널(PN)의 대각선 방향으로 배치하는 이유는 정사각형의 가로 및 세로 길이보다 대각선의 길이가 길기 때문에 적어도 하나의 PIFA(PF)가 서로 수직로 배치되더라도 세로 또는 가로 방향으로 배치하는 경우보다 상대적으로 크기가 큰 PIFA(PF)를 배치할 수 있기 때문이다. 그리고 적어도 하나의 PIFA(PF)가 인접한 PIFA와 수직을 유지하여 배치되는 것은 각각의 PIFA(PF)를 통해 송수신되는 무선 신호의 상호 간섭을 최소화하기 위함이다. 복수개의 PIFA 배치 시, 복수개의 PIFA 안테나를 90도 단위(90도, 180도, 270도)로 배치하면, 상호 간섭이 최소화되는 것은 공지된 기술이므로 여기서는 상세하게 설명하지 않는다.

도4 에서 복수개의 안테나 모듈(AM) 각각은 정사각형 평판 형태로 구현되는 패널(PN)상에 적어도 하나의 PIFA(PF)를 패널(PN)의 중심점으로부터 대각선 방향으로 배치하여 가급적 많은 PIFA(PF)를 상호 간섭을 최소화하면서 최대의 크기로 집적하여 배치할 수 있도록 한다. 이때 적어도 하나의 PIFA(PF)는 모두 동일한 PIFA 인 것으로 가정한다.

도4 에서 정사각형 평판 형태의 패널(PN)의 한 변의 길이는 0.5λ로 설정되며, 적어도 하나의 PIFA(PF1 ~ PF4) 각각의 접지면의 길이는 0.3λ 이하로 설정된다.

제한된 접지면을 갖는 PIFA에 대해서는 한국 특허 출원 제2012-0066494호에 개시되어 있으므로 여기서는 별도로 설명하지 않는다.

다만 도4 에서는 2개의 안테나 모듈(AM)이 나란히 동일한 평면 상에 배치되는 것으로 도시하였으나, 안테나 모듈(AM)은 빔포밍 장치가 필요로 하는 안테나 개수에 따라 1개부터 복수개로 다양하게 배치될 수 있다.

도5 는 초소형 집적화 안테나의 다른 예를 나타낸다.

도4 에서는 복수개의 안테나 모듈(AM)이 동일 평면상에 나란히 배치되는 것을 도시하였으나, 도4 는 특정 범위 각도에 대한 높은 지향성이 필요한 경우의 배치구조로서, 빔포밍 장치는 경우에 따라서 다양한 방향의 지향성을 필요로 할 수 있다. 도5 는 이러한 요구에 대응할 수 있도록 6개의 안테나 모듈(AM)이 정육면체 형상으로 배치되었다. 즉 복수개의 안테나 모듈(AM) 중 인접한 안테나 모듈들은 패널(PN)들은 270도 각도로 배치된다. 이러한 구조로 안테나 모듈이 결합되는 경우에도 각각의 복수개의 PIFA는 상호 간섭이 최소화되며, 전 방향으로 지향성을 조절할 수 있다.

상기에서는 전방향에 대한 지향성을 동일하게 설정할 수 있도록 정육면체 형상으로 구현되었으나, 빔포밍 장치가 지향해야하는 방향에 따라 복수개의 안테나 모듈에 대해 도4 의 평면구조와 도5 의 수직구조를 조합하여 결합할 수도 있다.

또한 도5 와 같은 구조의 안테나를 이용하는 경우, 안테나 모듈(AM)에 둘러쌓인 내부 공간은 비어 있게 되므로, 내부 빈 공간에 빔포밍 장치가 구현될 수도 있다. 다시 말해 빔포밍 장치의 외부를 안테나 모듈(AM)으로 둘러싸서 빔포밍 장치의 크기를 최소화함과 더불어 안테나의 집적도를 극대화 할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

1. 데이터를 수신하여 적어도 하나의 데이터 스트림으로 변환하고, 상기 적어도 하나의 데이터 스트림을 송출하기 위한 최적화 조건을 설정하고, 상기 최적화 조건에 따라 복수개의 가중 벡터와 위상 조절 신호, 제1 및 제2 선택 신호를 생성하여 출력하는 송신 제어부;
   각각 상기 적어도 하나의 스트림 중 대응하는 데이터 스트림을 수신하고, 대응하는 상기 가중 벡터에 따라 수신한 데이터 스트림을 증폭하여 출력하는 복수개의 가중치 조절기를 구비하는 가중치 설정부;
   상기 복수개의 가중치 조절기에서 상기 제1 선택신호에 따라 선택되어 상기 데이터 스트림을 수신하여 아날로그 신호로 변환하는 복수개의 D/A 컨버터를 포함하는 D/A 변환부;
   상기 제2 선택 신호에 응답하여 활성화되고, 상기 복수개의 D/A 컨버터의 개수와 동일한 복수개의 그룹을 형성하여 상기 복수개의 D/A 컨버터 중 대응하는 D/A 컨버터로부터 상기 아날로그 신호를 수신하고, 상기 위상 조절 신호에 응답하여 상기 아날로그 신호의 위상을 조절하여 출력하는 복수개의 위상 조절기를 포함하는 위상 조절부; 및
   상기 복수개 그룹 각각에서 대응하는 위상 조절기에서 출력되는 상기 아날로그 신호를 수신 및 결합하여 복수개의 안테나 중 대응하는 안테나로 출력하는 복수개의 신호 결합기;를 포함하고,
   상기 D/A 변환부는 상기 복수개의 안테나 개수보다 적은 개수의 D/A 컨버터를 포함하고, 상기 가중치 설정부는 상기 복수개의 D/A 컨버터와 동일한 개수의 가중치 조절기를 포함하며,
   상기 송신 제어부는,
   통신을 수행할 무선 채널의 채널 상태를 분석하여 채널 정보를 저장하는 채널 정보 설정부;
   상기 채널 정보와 상기 데이터를 수신하고, 상기 데이터를 분석하여 상기 데이터를 송신하기 위한 상기 최적화 조건을 설정하는 최적화 수행부;
   상기 최적화 조건에 따라 상기 데이터를 상기 데이터 스트림으로서 송출할 안테나를 선택하고, 상기 안테나로 상기 데이터 스트림을 전달할 상기 D/A 컨버터 및 상기 위상 조절기를 선택하기 위한 상기 제1 및 제2 선택 신호를 생성하여 출력하는 빔 선택부;
   상기 최적화 조건에 따라 상기 데이터를 상기 적어도 하나의 데이터 스트림으로 변환하고, 상기 복수개의 가중치 조절기 중 하나의 가중치 조절기로 전송하는 스트림 결정부; 및
   상기 데이터 스트림을 수신한 상기 복수개의 D/A 컨버터 각각에 대해 상기 데이터 스트림의 증폭도를 설정하기 위한 복수개의 가중 백터 및 상기 아날로그 신호를 수신한 상기 복수개의 위상 조절기 각각의 위상 조절 값을 설정하기 위한 복수개의 위상 조절 신호를 생성하여 출력하는 가중 벡터 결정부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 장치.
   
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서, 상기 위상 조절부는
   상기 복수개의 위상 조절기를 상기 복수개의 D/A 컨버터의 개수와 상기 복수개의 안테나의 개수의 곱 이하의 개수로 구비하고, 상기 복수개의 그룹 각각은 적어도 하나의 상기 위상 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 장치.
   
4. 삭제
5. 제1 항에 있어서, 상기 채널 정보는
   상기 채널의 주파수 대역과 채널 상태, 데이터를 수신할 기기와의 거리 및 방향, 다른 기기들과의 협력 전송 여부를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 장치.
   
6. 제1 항에 있어서, 상기 복수개의 안테나는
   통신을 수행할 무선 채널의 중심 주파수에 대응하는 파장(λ)의 1/2 거리 이내에 복수개의 안테나가 집적되는 초소형 집적 안테나인 것을 특징으로 하는 빔포밍 장치.
   
7. 복수개의 안테나 중 대응하는 안테나로부터 아날로그 신호를 수신하여 위상 조절 신호에 응답하여 위상을 조절하여 출력하며, 복수개의 그룹을 형성하는 복수개의 위상 조절기를 포함하는 위상 조절부;
   상기 복수개 그룹 각각의 대응하는 위상 조절기에서 출력되는 상기 아날로그 신호를 수신하고 결합하는 복수개의 신호 결합기;
   각각 상기 복수개의 신호 결합기 중 대응하는 신호 결합기로부터 상기 아날로그 신호를 수신하여 디지털 신호인 데이터 스트림으로 변환하는 복수개의 A/D 컨버터를 구비하는 A/D 변환부;
   상기 복수개의 A/D 변환기 중 제1 선택 신호에 대응하는 적어도 하나의 A/D 변환기를 선택하고, 선택된 A/D 변환기로부터 상기 데이터 스트림을 수신하고, 가중 벡터에 따라 상기 수신한 데이터 스트림을 증폭하여 출력하는 복수개의 가중치 조절기를 구비하는 가중치 설정부; 및
   상기 적어도 하나의 적어도 하나의 데이터 스트림을 수신하기 위한 최적화 조건을 설정하고, 상기 최적화 조건에 따라 복수개의 상기 가중 벡터와 복수개의 상기 위상 조절 신호 및 상기 제1 선택 신호를 생성하고, 상기 복수개의 위상 조절기를 선택적으로 활성화하기 위한 제2 선택 신호를 생성하며, 상기 복수개의 가중치 조절기로부터 상기 적어도 하나의 데이터 스트림을 수신하여 데이터로 변환하는 수신 제어부; 를 포함하고,
   상기 A/D 변환부는 상기 복수개의 안테나 개수보다 적은 개수의 A/D 컨버터를 포함하고, 상기 가중치 설정부는 상기 복수개의 A/D 컨버터와 동일한 개수의 가중치 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하고,
   상기 수신 제어부는,
   통신을 수행할 무선 채널의 채널 상태를 분석하여 채널 정보를 저장하는 채널 정보 설정부;
   상기 채널 정보를 분석하여 상기 적어도 하나의 데이터 스트림을 수신하기 위한 상기 최적화 조건을 설정하는 최적화 수행부;
   상기 최적화 조건에 따라 상기 적어도 하나의 데이터 스트림을 상기 아날로그 신호로서 수신할 안테나를 선택하고, 상기 안테나로부터 상기 데이터 스트림을 수신할 상기 A/D 컨버터 및 상기 위상 조절기를 선택하기 위한 상기 제1 및 제2 선택 신호를 생성하여 출력하는 빔 선택부;
   상기 최적화 조건에 따라 상기 복수개의 가중치 조절기로부터 상기 적어도 하나의 데이터 스트림을 수신하여 상기 적어도 하나의 데이터로 변환하는 스트림 결정부; 및
   상기 아날로그 신호를 수신한 상기 복수개의 A/D 컨버터 각각에 대해 상기 데이터 스트림의 증폭도를 설정하기 위한 복수개의 가중 백터 및 상기 아날로그 신호를 수신한 상기 복수개의 위상 조절기 각각의 위상 조절 값을 설정하기 위한 복수개의 위상 조절 신호를 생성하여 출력하는 가중 벡터 결정부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 장치.
   
8. 삭제
9. 제7 항에 있어서, 상기 위상 조절부는
   상기 복수개의 위상 조절기를 상기 복수개의 A/D 컨버터의 개수와 상기 복수개의 안테나의 개수의 곱 이하의 개수로 구비하고, 상기 복수개의 그룹 각각은 적어도 하나의 상기 위상 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 장치.
   
10. 삭제
11. 제7 항에 있어서, 상기 채널 정보는
    상기 채널의 주파수 대역과 채널 상태, 데이터를 수신할 기기와의 거리 및 방향, 다른 기기들과의 협력 전송 여부를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 장치.
    
12. 제7 항에 있어서, 상기 복수개의 안테나는
    통신을 수행할 무선 채널의 중심 주파수에 대응하는 파장(λ)의 1/2 거리 이내에 복수개의 안테나가 집적되는 초소형 집적 안테나인 것을 특징으로 하는 빔포밍 장치.

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