KR101423084B1 - 신호결합수단을 이용하여 mimo효과를 구현한 무선통신 서비스 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신, 무선인터넷 등의 무선통신을 서비스하는 시스템을 개시한다. 본 발명에 따른 무선통신 서비스 시스템은, 외부의 통신망으로부터 수신한 신호를 다수의 출력포트를 통해 출력하는 무선통신서비스장치; 상기 무선통신서비스장치의 상기 다수의 출력포트의 각 출력신호를 서로 위상차를 갖도록 결합하는 신호결합수단; 일단은 상기 신호결합수단의 출력포트에 연결되고 타단은 안테나에 연결되는 급전선을 포함한다.
본 발명에 따르면, 무선통신서비스장치의 다수 출력포트에서 출력된 다수의 신호를 서로 위상차 또는 시간차를 갖도록 결합하여 송출함으로써 전송용량 및 속도가 개선되고, 이와 같이 결합된 신호가 송출되면 서비스영역내의 사용자 단말은 서로 다른 페이딩 경로로 전송된 다수의 신호를 수신한 것과 같은 방식으로 신호처리를 하므로 MIMO방식의 무선통신서비스 시스템과 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한 위상차 또는 시간차를 갖도록 결합된 신호를 하나의 급전선을 통해 안테나까지 전송할 수 있으므로 MIMO시스템 구축을 위해 급전선을 추가로 설치하지 않아도 되며, 따라서 최소한의 비용으로 무선통신의 전송용량 및 속도를 크게 개선할 수 있다.

Description

신호결합수단을 이용하여 MIMO효과를 구현한 무선통신 서비스 시스템{Wireless communication service system which have MIMO effect using signal coupling means}

본 발명은 무선통신 서비스 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 유무선 통신망과 무선단말의 통신을 중계하는 무선통신서비스장치에 커플러 등의 신호결합수단을 연결하여 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 효과를 얻을 수 있도록 한 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 건물 내부에는 이동통신서비스를 위한 기지국 또는 중계기, 무선인터넷용 중계기 등과 같은 무선통신서비스장치가 설치된다. 이들 무선통신서비스장치는 외부 통신망으로부터 수신한 신호를 급전선을 통해 실내에 설치된 안테나로 전송하여 송출하는 한편 안테나로부터 수신한 신호를 외부 통신망으로 전송하는 역할을 한다.

예를 들어 도 1에 나타낸 바와 같이, 이러한 무선통신서비스장치(40)는 건물(10)의 각 층 또는 임의 장소에 구비된 통신실(20)에 설치되고, 급전선(50)을 통해 실내에 설치된 다수의 안테나(60)와 연결된다. 그리고 건물 내부의 무선통신서비스장치(40)는 통신케이블(30)을 통해 외부의 이동통신망 또는 유선인터넷망 등에 연결된다.

그런데 최근 스마트폰, 태블릿 등의 보급이 폭발적으로 늘어나면서 이동통신망이나 무선인터넷을 통한 데이터 트래픽이 급증하고 있으며, 특히 이러한 트래픽의 대부분은 사용자가 많은 시간을 보내는 건물 내부에서 발생하는 것으로 알려져 있다.

이에 따라 이동통신사들은 건물내의 이동통신 및 무선인터넷 품질을 향상시키기 위하여 많은 연구를 기울이고 있으며, 최근에는 전송용량 및 속도를 획기적으로 개선할 수 있는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 방식의 무선통신서비스가 많은 주목을 받고 있다.

MIMO는 다수의 안테나를 이용한 다중 입출력 방식의 무선통신기술로서, 수신기와 송신기에 2개 이상의 안테나를 사용함으로써 송신기에서는 데이터 전송경로를 다중화하여 전송용량 및 속도를 높일 수 있고, 수신기에서는 다중 경로로 신호를 수신함으로써 신호 간섭을 줄일 수 있는 효과가 있다. 이론적으로는 안테나의 개수에 비례하여 신호전송속도가 증가하게 된다.

예를 들어 건물내에서 MIMO 방식의 무선통신서비스시스템을 구축하기 위해서는, 도 2에 나타낸 바와 같이 MIMO용 무선통신서비스장치(40)의 제1출력포트와 제2출력포트에 각각 제1급전선(50a)과 제2급전선(50b)을 연결하고, 각 급전선(50a.50b)에 별도의 안테나(60a,60b)를 연결하면 된다.

MIMO용 무선통신서비스장치(40)의 제1출력포트와 제2출력포트는 각각 동일 시간에 동일 주파수의 신호를 출력하며, 각 출력신호는 1급전선(50a)과 제2급전선(50b)을 따라 전송된 후 각 안테나(60a,60b)를 통해 실내로 송출된다.

각 안테나(60a,60b)는 동일한 무선통신서비스장치(40)에 연결되어 있지만 공간적으로 떨어져 있기 때문에 실내의 사용자 단말에서는 서로 다른 경로를 통해 페이딩된 2개의 신호를 수신하게 되므로 사용자 단말은 수신된 신호를 MIMO알고리즘을 통해 처리하게 된다.

이와 같이 MIMO용 무선통신서비스장치(40)를 이용하여 MIMO방식의 무선통신서비스시스템을 구축하면, 실내의 무선서비스 속도 및 품질을 크게 향상시킬 수 있어 사용자 만족도를 높일 수 있다.

하지만, 도 2와 도 1을 대비해 보면, MIMO방식의 무선통신서비스 시스템을 구축하려면 도 1의 SISO(Single Input Single Output) 방식에 비하여 2배의 급전선(50a,50b)과 안테나(60a, 60b)를 설치해야 하는 부담이 있다.

이러한 문제 때문에 중요도가 높은 핫스팟(hot spot)을 제외한 대부분의 건물에서는 아직도 도 1과 같은 SISO(Single Input Single Output) 방식의 무선통신서비스가 여전히 제공되고 있다.

최근 들어 LTE(Long Term Evolution) 서비스가 제공되기 시작하면서 신축 건물을 중심으로 MIMO 방식의 무선통신서비스 시스템을 구축하려는 추세가 있으나, 실제로는 MIMO용 무선통신서비스장치를 설치하고도 전체 비용을 줄이기 위하여 급전선을 한 가닥만 설치하고 SISO방식으로 운영하는 경우도 많은 실정이다.

한편 실외의 일정한 서비스영역에서도 MIMO용 무선통신서비스장치(40)와 이에 연결된 안테나를 이용하여 무선서비스를 제공해야 하는 경우가 있는데, 이 경우에도 전술한 바와 같이 과도한 설치비용과 MIMO용 무선통신서비스장치를 SISO 방식으로만 운영하는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 급전선을 추가로 설치하지 않고 최소한의 비용으로 MIMO 방식과 유사한 전송속도 향상 및 전송용량 개선 효과를 얻을 수 있는 무선통신 서비스 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 외부의 통신망으로부터 수신한 신호를 다수의 출력포트를 통해 출력하는 무선통신서비스장치; 상기 무선통신서비스장치의 상기 다수의 출력포트 중 적어도 2개의 출력포트의 각 출력신호를 서로 위상차 또는 시간차를 갖도록 결합하는 신호결합수단; 일단은 상기 신호결합수단의 출력포트에 연결되고 타단은 안테나에 연결되는 급전선을 포함하는 무선통신 서비스 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 무선통신 서비스 시스템에서 상기 신호결합수단은 적어도 하나의 하이브리드 커플러를 포함할 수 있다.

또한 본 발명은, 외부의 통신망으로부터 수신한 신호를 다수의 출력포트를 통해 출력하는 무선통신서비스장치; 상기 무선통신서비스장치의 상기 다수의 출력포트 중 적어도 2개의 출력포트의 각 출력신호를 서로 위상차 또는 시간차를 갖도록 결합하는 신호결합수단; 일단이 상기 신호결합수단의 출력포트에 연결되는 급전선; 상기 급전선의 타단에 연결되는 입력포트와, 상기 입력포트를 통해 입력된 신호를 분리하여 다수의 출력포트를 통해 출력하는 신호분배수단; 상기 신호분배수단의 상기 다수의 출력포트 중 적어도 하나의 출력포트에 연결되는 안테나를 포함하는 무선통신 서비스 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 무선통신 서비스 시스템에서, 상기 신호결합수단과 상기 신호분배수단 중에서 적어도 하나는 하이브리드 커플러를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 무선통신 서비스 시스템에서, 상기 안테나는 상기 신호분배수단의 상기 다수의 출력포트에 공통으로 연결되는 MIMO 안테나일 수 있다. 또한 상기 MIMO안테나는 이중편파안테나일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 무선통신 서비스 시스템에서, 상기 안테나는 서로 이격되어 설치되는 다수의 안테나를 포함하며, 상기 다수의 안테나는 상기 신호분배수단의 상기 다수의 출력포트에 각각 연결될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 무선통신 서비스 시스템에서, 상기 하이브리드 커플러의 입력포트와 출력포트 중 적어도 하나의 포트에는 신호의 위상지연 또는 시간지연을 발생시키는 추가 지연수단이 설치될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 무선통신 서비스 시스템에서, 상기 무선통신서비스장치와 상기 신호결합수단의 사이에는 상기 무선통신서비스장치의 출력신호를 다수 경로로 분배하는 분배기가 설치되고, 상기 분배기의 적어도 2 이상의 출력포트는 상기 신호결합수단의 입력포트에 연결될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 무선통신 서비스 시스템에서, 상기 무선통신서비스장치는 이동통신용 기지국, 이동통신용 중계기, 근거리 무선통신용 중계기 중에 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 무선통신서비스장치의 다수 출력포트에서 출력된 다수의 신호를 서로 위상차 또는 시간차를 갖도록 결합하여 송출함으로써 전송용량 및 속도가 개선되고, 이와 같이 결합된 신호가 송출되면 서비스영역내의 사용자 단말은 서로 다른 페이딩 경로로 전송된 다수의 신호를 수신한 것과 같은 방식으로 신호처리를 하므로 MIMO방식의 무선통신 서비스 시스템과 같은 효과를 얻을 수 있다.

또한 위상차 또는 시간차를 갖도록 결합된 신호를 하나의 급전선을 통해 안테나까지 전송할 수 있으므로 MIMO시스템 구축을 위해 급전선을 추가로 설치하지 않아도 되며, 따라서 최소한의 비용으로 무선통신의 전송용량 및 속도를 크게 개선할 수 있다.

도 1은 종래 SISO 방식의 건물내 무선통신서비스 시스템을 예시한 구성도
도 2는 종래 MIMO 방식의 건물내 무선통신서비스 시스템을 예시한 구성도
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 무선통신 서비스 시스템을 예시한 구성도
도 4는 하이브리드 커플러에서의 신호결합을 나타낸 도면
도 5 내지 도 8은 하이브리드 커플러에 추가 지연수단이 설치된 여러 유형을 나타낸 도면
도 9는 하이브리드 커플러에 하나의 급전선만 연결한 경우를 나타낸 도면
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 무선통신 서비스 시스템을 예시한 구성도
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 신호흐름도
도 12는 본 발명의 제2실시예에서 추가 지연수단을 설치한 경우의 신호흐름도
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 무선통신 서비스 시스템의 일 변형예를 나타낸 구성도
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 무선통신 서비스 시스템을 예시한 구성도
도 15는 본 발명의 제3실시예에 따른 무선통신 서비스 시스템의 일 변형예를 나타낸 구성도
도 16 및 도 17은 매트릭스형 신호결합수단의 일 예를 나타낸 구성도 및 신호흐름도
도 18 및 도 19는 매트릭스형 신호결합수단의 여러 변형예를 나타낸 도면
도 20은 신호결합수단의 입력단에 분배기가 설치된 경우를 나타낸 도면
도 21은 4개의 출력포트를 갖는 무선통신서비스장치를 사용한 경우의 시스템을 예시한 구성도
도 22는 하이브리커플러에 루프피드백을 적용한 경우를 나타낸 도면

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

제1실시예

본 발명의 제1실시예에 따른 무선통신 서비스 시스템은 도 3의 구성도에 나타낸 바와 같이 다수의 출력포트를 갖는 무선통신서비스장치(40)와, 무선통신서비스장치(40)의 각 출력포트에서 출력된 신호를 결합하는 하이브리드 커플러(Hybrid Coupler)(100)와, 하이브리드 커플러(100)와 안테나(60)를 연결하는 급전선(50)을 포함한다.

상기 무선통신서비스장치(40)는 예를 들어 외부의 통신망과 서비스영역 내부에 위치하는 사용자용 무선단말간의 통신을 중계하는 역할을 한다. 특히 본 발명의 실시예에서는 MIMO를 지원하는 무선통신서비스장치(40)를 사용한다. 따라서 상기 무선통신서비스장치(40)는 동일 시간에 동일 신호를 출력하는 적어도 2개의 출력포트(41,42)를 구비한다.

본 발명의 범위는 이동통신 서비스에 국한되는 것은 아니며, 따라서 상기 무선통신서비스장치(40)는 이동통신용 기지국 또는 중계기일 수도 있고, 무선인터넷용 중계기(예, AP)일 수도 있고, 다른 규격의 근거리무선통신(Zigbee등)용 중계기일 수도 있다. 또한 기타 다른 목적의 무선통신용 중계기일 수도 있다. 또한 이동통신용 기지국 기능, 이동통신용 중계기 기능, 무선인터넷용 중계기(예, AP) 기능, 기타 근거리무선통신용 중계기 기능 중에서 2이상의 기능을 포함하는 복합 무선통신서비스장치일 수도 있다.

또한 이러한 무선통신서비스장치(40)는 외부의 유선통신망과 연결될 수도 있고 외부의 무선통신망과 연결될 수도 있다. 또한 외부 통신망과 유선으로 연결될 수도 있고 무선통신으로 연결될 수도 있다.

상기 무선통신서비스장치(40)는 건물내 무선서비스를 위해서는 도시된 바와 같이 건물내에 별도로 구비된 통신실(20)의 내부에 설치되는 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니므로 건물내 임의의 위치에 설치될 수도 있고 건물 외부에 설치될 수도 있다.

또한 본 발명은 실외의 무선통신 서비스에도 적용될 수도 있으므로 무선통신서비스장치(40)의 설치 위치가 특별히 한정되지는 않는다.

한편 하이브리드 커플러(100)는 RF신호의 분배와 결합을 위해 널리 사용되는 수동소자이며, 2개의 출력신호 사이에 위상차를 발생시키는 것으로 알려져 있다. 또한 2개의 출력신호간에 90도의 위상차를 발생시키는 쿼드러쳐(Quadrauture)타입, 180도의 위상차를 발생시키는 링(Ring)타입 등 다양한 종류가 있다.

그리고 본 명세서에서는 하이브리드 커플러(100)의 2개 출력신호간의 위상차가 90도인 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이며 하이브리드 커플러(100)에서 발생하는 위상차가 특정한 수치에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 실제 적용에 있어서는 시스템 설계상의 필요나 요구조건에 따라 적절한 위상차를 갖는 하이브리드 커플러(100)가 선택적으로 사용될 수 있음을 미리 밝혀둔다.

본 발명의 실시예에서는 하이브리드 커플러(100)를 무선통신서비스장치(40)에 인접 설치하는 것이 바람직하며, 하이브리드 커플러(100)의 제1 및 제2입력포트(P1,P2)는 각각 무선통신서비스장치(40)의 제1 및 제2출력포트(41,42)에 연결된다.

또한 하이브리드 커플러(100)의 제1출력포트(P3)와 제2출력포트(P4)에는 각각 급전선(50)이 연결되며, 각 급전선(50)의 종단은 안테나(60)에 연결된다.

하이브리드 커플러(100)의 제1출력포트(P3)에서는 제1입력포트(P1)의 입력신호에서 유도된 신호(coupled signal)와, 제2입력포트(P2)에서 전송된 신호(through signal)가 결합되어 출력되며, 결합된 신호는 하나의 급전선(50)을 따라 안테나(60)까지 전송된 후 실내로 송출된다.

또한 제2출력포트(P4)에서는 제1입력포트(P1)에서 전송된 신호(through signal)와, 제2입력포트(P2)의 입력신호에서 유도된 신호(coupled signal)가 결합되어 출력되며, 결합된 신호는 다른 급전선(50)을 따라 안테나(60)까지 전송된 후 실내로 송출된다.

그런데 전술한 바와 같이 하이브리드 커플러(100)는 출력신호간의 위상차를 발생시킨다. 구체적으로 살펴보면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 하이브리드 커플러(100)의 제1입력포트(P1)와 제2입력포트(P2)에 각각 제1신호(S1)와 제2신호(S2)가 입력되면, 제1출력포트(P3)에서는 제1신호에서 유도되면서 위상차가 발생한 신호와 제2신호가 함께 출력된다.

예를 들어 입력된 제1신호(S1∠0°)와 제2신호(S2∠0°)의 위상이 동일하며, 하이브리드 커플러(100)가 커플링 과정에서 예를 들어 -90도만큼 위상지연을 발생시키는 -3dB 커플러인 경우에는 제1출력포트(P3)로 출력되는 신호는 (S1∠-90° + S2∠0°)/2 로 표시될 수 있고, 제2출력포트(P4)로 출력되는 신호는 (S1∠0° + S2∠-90°)/2 로 표시될 수 있다.

그런데 MIMO용 무선통신서비스장치(40)의 제1 및 제2출력포트(41,42)는 동일 위상 동일 주파수의 신호를 출력하므로, 급전선(50)에서는 동일한 주파수를 갖는 2개의 신호가 위상차를 가지면서 전송된다.

이러한 신호가 안테나(60)를 통해 송출되면, 이를 수신한 사용자 무선단말에서는 서로 다른 경로를 통해 페이딩된 동일 주파수의 2개 신호를 수신한 것으로 인식하므로 MIMO알고리즘을 통한 신호처리를 하게 된다.

즉, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 도 2와 같이 MIMO방식의 서비스시스템을 완벽하게 구축하지는 않았지만, 무선통신서비스장치(40)에서는 MIMO방식으로 신호를 출력하고, 사용자의 무선단말에서는 MIMO방식으로 신호를 수신 처리한다.

따라서 기존의 무선서비스시스템에 사용되는 무선통신서비스장치를 MIMO용 무선통신서비스장치(40)로 교체하고 여기에 하이브리드 커플러(100)를 연결함으로써, 급전선을 추가로 설치하지 않고도 저렴한 비용으로 MIMO방식과 같은 전송속도 개선효과를 얻을 수 있다.

한편 하이브리드 커플러(100)의 위상지연각은 고정되어 있으므로 시스템 설계의 자유도를 높이기 위하여, 하이브리드 커플러(100)의 입력포트 또는 출력포트에 신호의 위상지연 또는 시간지연을 발생시키는 하나 이상의 추가 지연수단을 설치할 수도 있다.

도 5는 하이브리드 커플러(100)의 제1입력포트(P1)의 내부에 추가 지연수단(120)을 설치한 경우의 신호흐름도로서, 예를 들어 λ/2 길이의 경로패턴을 추가 지연수단(120)으로 사용하면 제1출력포트(P3)의 출력신호는 (S1∠90° + S2∠0°)/2, 제2출력포트(P4)의 출력신호는 (S1∠-180° + S2∠-90°)/2 로 표시될 수 있으며, 따라서 도 4에 비해 제1신호(S1)의 위상이 -180도만큼 지연됨을 알 수 있다.

또한 도 6은 하이브리드 커플러(100)의 제2입력포트(P2)에 이러한 추가 지연수단(120)을 설치한 경우의 신호흐름도로서, 예를 들어 λ/2 길이의 경로패턴을 추가 지연수단(120)으로 사용하면 제2신호(S2)의 위상이 도 4의 경우에 비해 -180도만큼 지연됨을 알 수 있다.

또한 도 7은 제2출력포트(P4)에 추가 지연수단(120)을 설치한 경우의 신호흐름도로서, 예를 들어 λ/2 길이의 경로패턴을 추가 지연수단(120)으로 사용하면 제2출력포트(P4)의 출력신호만 도 4에 비해 -180도만큼 지연됨을 알 수 있다.

또한 도 8은 제2입력포트(P2)와 제2출력포트(P4)에 각각 추가 지연수단(120)을 설치한 경우를 나타낸 것이다.

이러한 추가 지연수단(120)은 무선통신서비스장치(40)의 임의의 출력포트(41,42)의 내부 또는 외부에 설치될 수도 있고, 무선통신서비스장치(40)와 하이브리드 커플러(100)의 사이의 케이블 중간에 별도로 설치될 수도 있다.

또한 추가 지연수단(120)의 종류가 경로패턴에 국한되는 것은 아니며 RF기술분야에서 공지된 위상지연회로(예, 위상지연필터 등)가 추가 지연수단으로 사용될 수도 있다. 또한 경로패턴의 길이나 위상지연각은 사용자단말의 MIMO알고리즘이 수용할 수 있는 범위내에서 적절히 선택될 수 있다.

한편 하이브리드 커플러(100)에는 하나의 급전선(50)만을 연결해야 할 경우도 있으며, 이 경우에는 도 9에 나타낸 바와 같이 제1출력포트(P3)에만 급전선(50)을 연결하고 제2출력포트(P4)는 부하를 연결하여 아이솔레이션(isolation) 시키면 된다.

제2실시예

본 발명의 제2실시예는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 무선통신서비스장치(40), 입력단이 무선통신서비스장치(40)에 연결된 제1하이브리드 커플러(100), 급전선(50)을 통해 제1하이브리드 커플러(100)의 제1출력포트(P1)에 연결되는 제2하이브리드 커플러(200), 제2하이브리드 커플러(200)의 제1출력포트(P3)에 연결되는 MIMO안테나(60')를 포함한다.

제1하이브리드 커플러(100)의 제2출력포트(P4)는 아이솔레이션시킬 수도 있고, 필요에 따라 도면에 나타낸 바와 같이 급전선(50)을 통해 제3하이브리드 커플러(300)에 연결할 수도 있다. 이때 제3하이브리드 커플러(300)의 출력포트에도 MIMO안테나(60')를 연결한다.

예를 들어 무선통신서비스장치(40)의 제1 및 제2출력포트(41,42)를 각각 제1하이브리드 커플러(100)의 제1 및 제2입력포트(P1,P2)에 연결한다.

또한 제1 하이브리드 커플러(100a)의 제1출력포트(P3)와 제2하이브리드 커플러(200)의 제1입력포트(P1')를 하나의 급전선(50)으로 연결하고, 제1 하이브리드 커플러(100a)의 제2출력포트(P4)와 제3하이브리드 커플러(300)의 제1입력포트(P1')를 다른 급전선(50)으로 연결한다.

제2 및 제3 하이브리드 커플러(200,300)의 제2입력포트(P2')는 각각 부하를 연결하여 아이솔레이션(isolation) 시킨다.

제2하이브리드 커플러(200)의 제1 및 제2출력포트(P3', P4')는 각각 별도의 케이블에 의해 MIMO안테나(60')에 연결된다. 또한 제3하이브리드 커플러(300)의 제1 및 제2출력포트(P3', P4')도 각각 별도의 케이블에 의해 다른 MIMO안테나(60')에 연결된다. 상기 2개의 MIMO안테나(60')는 건물내 소정 위치에 서로 이격되어 설치되는 것이 바람직하다.

따라서 제1하이브리드 커플러(100)의 제1출력포트(P3)에서는 제1입력포트(P1)의 입력신호에서 유도된 신호(coupled signal)와 제2입력포트(P2)에서 전송된 신호(through signal)가 결합되어 출력되며, 결합된 신호는 급전선(50)을 따라 전송된 후 제2하이브리드 커플러(200)의 제1입력포트(P1')에 입력된다.

또한 제2하이브리드 커플러(200)의 제1출력포트(P3')는 제1입력포트(P1')의 입력신호에서 유도된 신호(coupled signal)를 출력하여 MiMO안테나(60')의 제1입력단자로 전송하며, 제2출력포트(P4')는 제1입력포트(P1')에서 전송된 신호(through signal)를 출력하여 동일한 MIMO안테나(60')의 제2입력단자로 전송한다. 제3하이브리드 커플러(300)도 동일한 방식으로 기능하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

한편 제2 및 제3하이브리드 커플러(200,300)에 연결된 MIMO안테나(60')는 각각 이중편파안테나를 사용하는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 11은 제2실시예에 따른 무선통신서비스 시스템의 신호흐름을 나타낸 것이다. 이에 따르면 제2하이브리드 커플러(100)의 제1 및 제2출력포트(P3', P4')에서 출력되는 신호는 다양한 위상을 가짐을 알 수 있다.

구체적으로 살펴보면, 무선통신서비스장치(40)에서 출력되는 제1신호(S1∠0°)와 제2신호(S2∠0°)가 동일한 위상을 가지고, 제1 하이브리드 커플러(100)가 예를 들어 -90도 만큼 위상지연을 발생시키는 -3dB 커플러인 경우에는 제1하이브리드 커플러(100)의 제1출력포트(P3)에서 출력되는 신호는 (S1∠-90° + S2∠0°)/2 로 표시될 수 있다.

또한 제2 하이브리드 커플러(200)가 예를 들어 -90도만큼 위상지연을 발생시키는 -3dB 커플러이면, 제2하이브리드 커플러(200)의 제1출력포트(P3')에서 출력되는 신호는 (S1∠-180° + S2∠-90°)/4 로 표시될 수 있고, 제2출력포트(P4')에서 출력되는 신호는 (S1∠-90° + S2∠0°)/4 로 표시될 수 있다.

따라서 제2 하이브리드 커플러(200)에 연결된 MIMO안테나(60')를 통해 실내로 송출되는 신호는 각각 -90, -180도의 위상을 갖는 2개의 제1신호(S1)와, 각각 0도와 -90도의 위상을 갖는 2개의 제2신호(S2)를 포함하게 된다.

한편 MIMO용 무선통신서비스장치(40)의 제1 및 제2출력포트(41,42)는 위상과 주파수가 동일한 신호를 출력하므로, MIMO안테나(60')는 각각 0도, -90도, -180도의 위상을 갖는 동일 주파수의 3개 신호를 송출해야 하지만 동일 주파수 신호의 0도 위상과 -180도 위상은 서로 상쇄되므로 실제로는 -90도 위상의 신호만 송출되며, 이로 인해 MIMO효과를 얻을 수 없는 문제가 있다.

이러한 문제는 신호의 위상지연 또는 시간지연을 발생시키는 추가 지연수단(120)을 사용함으로써 해결될 수 있다. 예를 들어, 도 12에 예시한 바와 같이, 제2 및 제3하이브리드 커플러(200,300)의 제1출력포트(P3')에는 λ/2 길이의 경로패턴을 갖는 추가 지연수단(120a)을 설치하고, 제2출력포트(P4')에는 3λ/4 길이의 경로패턴을 갖는 추가 지연수단(120b)를 설치할 수 있다.

이와 같이 추가 지연수단(120a,120b)을 설치하면, 제2하이브리드 커플러(200)의 제1입력포트(P1')로 입력된 신호는 커플링 지연(-90도)과 λ/2 길이의 추가 지연수단(120a)으로 인해 -270도만큼 지연되어 제1출력포트(P3')로 출력되는 한편, 3λ/4 길이의 추가 지연수단(120b)으로 인해 -270도(+90)만큼 지연되어 제2출력포트(P4')로 출력된다.

따라서 제2하이브리드 커플러(200)의 제1출력포트(P3')와 제2출력포트(P4')의 출력신호는 모두 (S1∠0° + S2∠90°)/4 로 표시될 수 있으며, 결국 90도 위상차를 갖는 2개의 신호가 MIMO안테나(60')를 통해 실내로 송출되므로 사용자 무선단말에서는 서로 다른 경로로 페이딩된 2개의 신호를 인식하여 MIMO알고리즘으로 신호를 처리할 수 있게 된다.

마찬가지로 제3하이브리드 커플러(200)의 제1출력포트(P3')와 제2출력포트(P4')의 출력신호는 모두 (S1∠90° + S2∠0°)/4 로 표시될 수 있으며, 결국 90도 위상차를 갖는 2개의 신호가 MIMO안테나(60')를 통해 실내로 송출된다.

한편 추가 지연수단(120a,120b)의 설치위치는 전술한 예에 한정되는 것은 아니며 설계상의 필요에 따라 제2, 제3하이브리드 커플러(200,300)의 임의의 입력포트(P1',P2') 또는 임의의 출력포트(P3',P4') 중에서 적절히 선택하여 설치될 수 있다.

또한 제1하이브리드커플러(100)와 제2, 제3하이브리드 커플러(200,300)를 연결하는 급전선 중간에 설치될 수도 있고, 제2, 제3하이브리드 커플러(200,300)와 안테나를 연결하는 급전선 중간에 설치될 수도 있다. 또한 제1실시예에서 설명한 바와 같이 제1하이브리커플러(100)의 임의의 입력포트(P1,P2)의 내부 또는 외부, 임의의 출력포트(P3,P4)의 내부 또는 외부 , 무선통신서비스장치(40)의 임의의 출력포트(41,42)의 내부 또는 외부, 제1하이브리드커플러(100)와 무선통신서비스장치(40)를 연결하는 케이블 중간에 별도로 설치될 수도 있다.

추가 지연수단(120)의 종류가 경로패턴에 국한되는 것은 아니며 RF기술분야에서 공지된 위상지연회로(예, 위상지연필터 등)가 추가 지연수단으로 사용될 수도 있음은 전술한 바와 같다.

한편 본 발명의 제2 실시예에서는 제2 및 제3 하이브리드 커플러(200,300)의 각 출력단에 MIMO안테나(60')를 설치하였으나, 도 13에 나타낸 바와 같이 각각의 제1출력포트(P3')와 제2출력포트(P4')에 별도의 안테나(60a,60b)를 설치할 수도 있다. 이 경우 하나의 하이브리드 커플러(200,300)에 공간적으로 떨어진 2개의 안테나(60a,60b)가 연결되므로 2개 안테나(60a,60b)간의 거리를 적절히 조절하여 페이딩 효과를 부여할 수 있는 이점이 있다.

제3실시예

본 발명의 제3실시예에서는 도 14 에 나타낸 바와 같이 보다 다양한 위상지연효과를 얻기 위하여 다수의 하이브리드 커플러(100)를 연결한 매트릭스형 신호결합수단(400)을 사용한다.

본 발명의 제1 및 제2실시예에서는 하나의 하이브리드 커플러(100)가 무선통신서비스장치(40)의 각 출력포트(41,42)의 출력신호를 결합하여 급전선(50)으로 전송하는 신호결합수단으로 사용되었는데, 제3실시예에서의 매트릭스형 신호결합수단(400)도 무선통신서비스장치(40)의 각 출력포트(41,42)의 출력신호를 결합하여 급전선(50)으로 전송하는 역할을 한다.

이때 각 급전선(50)의 종단은 제1 실시예와 같이 안테나에 직접 연결될 수도 있고, 제2 실시예와 같이 신호분배수단의 역할을 하는 하이브리드 커플러(200,300)에 연결될 수도 있다.

또한 급전선(50)의 종단에 하이브리드 커플러(200,300)가 연결되는 경우에는, 각 하이브리드 커플러(200,300)에는 도 14에 나타낸 바와 같이 MIMO안테나(60')가 연결될 수도 있고, 도 15에 나타낸 바와 같이 서로 이격된 2개의 안테나(60a,60b)가 연결될 수도 있다.

또한 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이 급전선(50)의 종단에 위치하는 하이브리드 커플러(200,300)의 입력포트 또는 출력포트 중 적어도 하나의 포트에 위상지연 또는 시간지연을 위한 추가 지연수단(120)을 설치할 수도 있다.

또한 도면에는 나타내지 않았으나, 매트릭스형 신호결합수단(400)을 구성하는 하이브리드 커플러의 각 입출력포트의 내부 또는 외부, 무선통신서비스장치(40)의 각 출력포트의 내부 또는 외부, 이들을 연결하는 케이블 또는 급전선의 중간에도 신호의 위상지연 또는 시간지연을 발생시키기 위하여 경로패턴, 위상지연회로 등의 추가 지연수단을 설치할 수 있다.

한편 본 발명이 속하는 기술분야에서는 통상 4개의 하이브리드 커플러를 서로 연결한 구성을 매트릭스라고 칭하고 있으나, 본 명세서에서는 무선통신서비스장치(40)의 다수 출력신호를 결합하여 출력하기 위하여 2 이상의 하이브리드 커플러를 연결한 구성을 매트릭스형 신호결합수단(400)으로 정의하기로 한다.

도 16은 매트릭스형 신호결합수단(400)의 일 예를 나타낸 것으로서, 2개의 입력포트와 2개의 출력포트를 구비하며 내부에 4개의 하이브리드 커플러(100a,100b,100c,100d)를 포함한다. 이때 각 하이브리드 커플러에서 신호 입출력을 하지 않는 포트는 부하를 사용하여 아이솔레이션 시킬 수 있다.

매트릭스형 신호결합수단(400)를 구성하는 각 하이브리드 커플러가 모두 예를 들어 -90도만큼 위상지연을 발생시키는 -3dB 커플러이면, 도 16에서 각 입력포트에 동일 위상의 제1신호(S1∠0°)와 제2신호(S2∠0°)가 각각 입력될 경우, 각 출력포트의 출력신호는 각각 (S1∠-180° + S2∠-90°)/4, (S1∠-90° + S2∠0°)/4 로 표시될 수 있으므로 MIMO효과를 얻을 수 있다.

도 17은 도 16과 같은 구성을 갖는 매트릭스형 신호결합수단(400)의 각 출력포트가 급전선(50)을 통해 각각 제2 및 제3하이브리드 커플러(200,300)에 연결되고 제2 및 제3하이브리드 커플러(200,300)에 각각 MIMO안테나(60')가 연결된 경우의 신호흐름을 예시한 것이다.

제2 및 제3하이브리드 커플러(200,300)의 제1출력포트(P3')에 예를 들어 3λ/4 길이의 경로패턴을 갖는 추가 지연수단(120)을 설치하면, 제2하이브리드 커플러(200)의 제1출력포트(P3')에서는 제1입력포트(P1')의 입력신호 (S1∠-180° + S2∠-90°)/4에 대해 -360도(커플링에 의한 90도 지연과 3λ/4 추가 지연수단(120)에 의한 270지연)만큼 지연된 신호 (S1∠-180° + S2∠-90°)/8가 출력되고, 제2출력포트(P4')에서는 입력신호와 같은 위상의 신호 (S1∠-180° + S2∠-90°)/8 가 출력된다.

따라서 MIMO안테나(60')에서는 90도 위상차를 갖는 동일 주파수의 신호가 송출되며, 이를 통해 MIMO효과를 얻을 수 있다.

한편 매트릭스형 신호결합수단(400)은 도 18 및 도 19에 나타낸 바와 같이 3개의 하이브리드 커플러(100a,100b,100c)를 결합하여 구성할 수도 있고, 2개로 구성할 수도 있으며, 5개 이상을 결합하여 구성할 수도 있다.

또한 도 20에 나타낸 바와 같이 매트릭스형 신호결합수단(400)의 입력단에 분배기(500)를 설치하여, 보다 다양한 방식으로 신호를 결합할 수도 있다.

다만 도 20의 경우에는, 제1신호(S1)과 제2신호(S2)가 동일 위상 동일 주파수의 신호이면, 매트릭스형 신호결합수단(400)의 출력포트를 통해 출력되는 신호 중에서 반대위상의 신호가 서로 상쇄되므로 제1출력포트에서는 단일 위상의 제2신호(S2∠-90°)만 출력되고, 제2출력포트에서는 단일 위상의 제1신호(S1∠-90°)만 출력되게 된다.

따라서 페이딩 효과를 부여하기 위하여 분배기(500)의 내부에 신호의 위상차 또는 시간차를 발생시키는 추가 지연수단(120)을 설치하거나, 매트릭스형 신호결합수단(400)을 구성하는 각 하이브리드 커플러의 입력포트 또는 출력포트의 내부 또는 외부에 추가 지연수단을 설치할 수도 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 매우 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다.

먼저 본 발명의 실시예에 따른 무선통신 서비스 시스템은 건물내의 무선통신 서비스에만 국한되는 것은 아니며 실외의 무선통신 서비스에도 적용될 수 있다. 즉, MIMO용 무선통신서비스장치(40)와 이에 연결된 다수의 실외 안테나를 이용하여 실외의 일정한 서비스영역에 무선통신서비스를 제공하는 경우에도 본 발명의 실시예에 따른 시스템을 적용할 수 있다.

또한 본 발명의 각 실시예에서 무선통신서비스장치(40)에 연결되는 하이브리드 커플러(100) 또는 매트릭스형 신호결합수단(400)을 구성하는 하이브리드 커플러는 무선통신서비스장치(40)의 다수 신호를 위상차 또는 시간차를 갖도록 결합하는 것이므로 하이브리드 커플러를 대신하여 다수 신호를 위상차 또는 시간차를 갖도록 결합하는 다른 종류의 커플러 또는 신호결합수단이 사용될 수도 있다.

예를 들어 무선통신서비스장치(40)의 제1 출력포트(41)에 결합된 추가 지연수단과, 상기 추가 지연수단을 통과한 제1 출력포트(41)의 출력신호와 무선통신서비스장치(40)의 제2출력포트(42)의 출력신호를 결합하여 출력하는 다중화기(multiplexer)를 신호결합수단으로 활용할 수도 있을 것이다.

또한 본 발명의 실시예에서 안테나(60,60')의 앞쪽에 제2 및 제3하이브리드 커플러(200,300)를 설치한 것은 하나의 급전선(50)을 통해 수신한 신호를 다수의 출력포트(P3', P4')로 분배하기 위한 것이다. 따라서 신호분배가 가능한 것이라면 제2 및 제3하이브리드 커플러(200,300)를 대신하여 다른 종류의 커플러 또는 신호분배수단이 사용될 수도 있다.

한편 본 발명의 각 실시예에서는 MIMO용 무선통신서비스장치(40)가 2개의 출력포트(41,42)를 구비하는 것으로 설명하였으나 다중 입출력효과를 위해 더 많은 출력포트가 사용될 수도 있다.

즉, 도 21에 나타낸 바와 같이, 무선통신서비스장치(40)에 4개의 출력포트(41,42,43,44)가 있는 경우에, 매트릭스형 신호결합수단(400)은 제1 및 제2출력포트(41,42)의 출력신호를 커플링하는 제1하이브리드 커플러(100a)와, 제3 및 제4출력포트(43,44)의 출력신호를 커플링하는 제2하이브리드 커플러(100b)와, 제1 및 제2 하이브리드 커플러(100a,100b)의 출력신호를 커플링하는 제3하이브리드 커플러(100c)로 구성할 수도 있다. 이 경우 제3하이브리드 커플러(100c)의 출력신호를 급전선(50)을 통해 안테나(60', 60)로 송출하면 된다. 물론 이와 다른 방식으로 매트릭스형 신호결합수단(400)을 구성할 수도 있다.

이 경우에도 위상조절 또는 시간지연을 위하여 무선통신서비스장치(40)에 4개의 출력포트(41,42,43,44)중 적어도 하나에 추가 지연수단을 설치하거나, 각 하이브리드 커플러의 입출력포트에 추가 지연수단을 설치할 수도 있다.

또한 이상에서는 신호결합수단으로 사용된 하이브리드 커플러(100)의 각 출력포트(P3, P4)는 급전선(50)에 연결되거나 아이솔레이션 되는 것으로 설명하였으나, 도 22에 나타낸 바와 같이 예를 들어 제2출력포트(P4)를 제2입력포트(P2)에 연결함으로써 피드백루프를 구성할 수도 있다. 이렇게 하면 제2출력포트(P4)의 출력신호가 제2입력포트(P2)로 무한 반복하여 입력되고 이 과정에서 경로지연을 겪게 되므로 제1출력포트(P3)의 출력신호에는 보다 다양한 위상차가 존재하게 된다. 다만 커플러(100)를 통과할 때마다 신호세기가 예를 들어 3dB씩 감쇄되므로 사용단말에서는 신호세기가 설정 기준 이상인 신호만 처리하게 될 것이다.

이와 같이 본 발명은 다양한 형태로 변형 또는 수정될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 포함된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다 할 것이다.

20: 통신실 40: 무선통신서비스장치
41, 42: 제1, 제2 출력포트 50: 급전선
60: 안테나 60': MIMO안테나
100, 200, 300: 제1, 제2, 제3하이브리드 커플러
120: 추가 지연수단 400: 매트릭스형 신호결합수단
500: 분배기 P1, P2: 제1, 제2 입력포트
P3, P4: 제1, 제2 출력포트

Claims (10)

1. 외부의 통신망으로부터 수신한 신호를 다수의 출력포트를 통해 출력하는 무선통신서비스장치;
   상기 무선통신서비스장치의 상기 다수의 출력포트 중 적어도 2개의 출력포트의 각 출력신호를 서로 위상차를 갖도록 결합하는 하이브리드 커플러를 하나 이상 구비하는 신호결합수단;
   상기 하이브리드 커플러에 의한 위상차와는 별도로 추가의 위상차 또는 시간차를 발생시키는 추가 지연수단;
   일단은 상기 신호결합수단의 출력포트에 연결되고 타단은 안테나에 연결되는 급전선
   을 포함하는 무선통신서비스 시스템
2. 제1항에 있어서,
   상기 추가 지연수단은, 상기 무선통신서비스장치의 출력포트, 상기 신호결합수단의 입력포트, 상기 신호결합수단의 출력포트 중 적어도 하나에 설치되는 것을 특징으로 하는 무선통신 서비스 시스템
3. 외부의 통신망으로부터 수신한 신호를 다수의 출력포트를 통해 출력하는 무선통신서비스장치;
   상기 무선통신서비스장치의 상기 다수의 출력포트 중 적어도 2개의 출력포트의 각 출력신호를 서로 위상차 또는 시간차를 갖도록 결합하는 신호결합수단;
   일단이 상기 신호결합수단의 출력포트에 연결되는 급전선;
   상기 급전선의 타단에 연결되는 입력포트와, 상기 입력포트를 통해 입력된 신호를 분리하여 다수의 출력포트를 통해 출력하는 신호분배수단;
   상기 신호분배수단의 상기 다수의 출력포트 중 적어도 하나의 출력포트에 연결되는 안테나;
   을 포함하며,
   상기 신호결합수단과 상기 신호분배수단 중에서 적어도 하나는 하이브리드 커플러를 포함하고,
   상기 하이브리드 커플러에 의한 위상차와는 별도로 추가의 위상차 또는 시간차를 발생시키는 추가 지연수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 서비스 시스템
4. 제3항에 있어서,
   상기 추가 지연수단은, 상기 무선통신서비스장치의 출력포트, 상기 신호결합수단의 입력포트, 상기 신호결합수단의 출력포트, 상기 신호분배수단의 입력포트, 상기 신호분배수단의 출력포트 중에서 적어도 하나에 설치되는 것을 특징으로 하는 무선통신 서비스 시스템
5. 제3항에 있어서,
   상기 안테나는 상기 신호분배수단의 상기 다수의 출력포트에 공통으로 연결되는 MIMO 안테나인 것을 특징으로 하는 무선통신 서비스 시스템
6. 제5항에 있어서,
   상기 MIMO안테나는 이중편파안테나인 것을 특징으로 하는 무선통신 서비스 시스템
7. 제3항에 있어서,
   상기 안테나는 서로 이격되어 설치되는 다수의 안테나를 포함하며, 상기 다수의 안테나는 상기 신호분배수단의 상기 다수의 출력포트에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 무선통신 서비스 시스템
8. 삭제
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 무선통신서비스장치와 상기 신호결합수단의 사이에는 상기 무선통신서비스장치의 출력신호를 다수 경로로 분배하는 분배기가 설치되며, 상기 분배기의 적어도 2 이상의 출력포트는 상기 신호결합수단의 입력포트에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선통신 서비스 시스템
10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무선통신서비스장치는 이동통신용 기지국, 이동통신용 중계기, 근거리 무선통신용 중계기 중에 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 서비스 시스템

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