KR101469154B1 - 안테나 시스템에서 안테나 구조 변환 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나 시스템에서 안테나 구조 변환 방법 및 장치에 관한 것으로서, 송수신 안테나 간의 채널 환경을 확인하는 과정과, 상기 채널 환경을 기반으로 다수개의 안테나 페어에 대한 연결 구조를 제어하여 다중화 모드를 변경하는 과정을 포함함으로써 최소한의 안테나를 사용하여 편파다중화와 공간다중화의 유동적 변환이 가능하며, 컴팩트한 안테나 구조를 확보할 수할 수 있다.

안테나 시스템, NLOS, LOS, 편파(Polarization), 공간(Spatial)

Description

안테나 시스템에서 안테나 구조 변환 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR CHANGING ANTENNA STRUCTURE IN ANTENNA SYSTEM}

본 발명은 안테나 시스템에서 안테나 구조 변환 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 안테나 시스템에서 채널환경에 따라 안테나 구조를 변환하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

근래 들어 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술은 Throughput 성능향상을 위해 많은 통신 시스템에서 사용되어진다.

상기 통신 시스템에서 사용되는 다양한 기술 중 공간 다이버시티(Spatial Diversoty) 기법은 기존의 SISO(Single Input Single Output)에 비해 동일 주파수 자원을 이용하여 Throughput을 수배 증가시질 수 있는 기술이지만 이는 다수의 안테나들이 충분한 공간상의 차이를 유지하며 매우 작은 상관값(correlation)을 가질 때에 가능하다.

하지만, 상기 공간다중화 기법을 사용하여 통신 시스템 구현시 제한된 공간 을 지난 터미널(terminal)과 같은 경우 안테나간 거리가 0.5λ이상을 유지하기가 거의 불가능하며, 상기 안테나간 거리가 충분하지 못한 상황에서 단말이 가시선(Line of sight: 이하 'LOS'라 칭함)의 환경에 놓이게 되면 분리되어야할 채널간 상관값이 매우 커지는 현상이 발생하며, 이는 상기 통신시스템의 성능을 급격히 열화시키게 되며 이로 인해 또 다른 안테나 특성인 편파 다이버시티(Polarization Diversity)를 이용한 MIMO의 구현이 요구되고 있다.

상기 두 개의 다이버시티 특성을 채널의 환경에 따라 비교하면, 상기 공간 다이버시티의 경우, 비록 안테나 간의 실제 이격거리가 크지 않더라도 상기 안테나들이 비 가시경로(Non-Line Of sight:이하 'NLOS'라 칭함)의 상황에 놓이고 여러 다중 경로(Multi-path)가 존재할 경우 상기 안테나 간에 상관값이 최소화되는 현상이 발생되며 이를 이용하여 복수 개의 분리된 채널의 형성, 즉, 공간 다중화가 가능해 진다.

반면, 상기 편파 다이버시티의 경우 안테나가 LOS상황에 놓이고 다중 경로가 최소화 되었을 경우 복수개의 편파간 직교성(Orthogonality)이 유지되어질 가능성이 가장 커진다. 이는, 상기 NLOS의 상황에서는 다중 경로가 존재하고 전송된 신호의 고유 편파가 반사(Refraction)와 굴절(Reflection)등을 격게될 경우 편파가 틀어져서 서로에게 간섭으로 작용되기 때문이다.

따라서, 채널의 상황에 따라 공간 다이버시티나 편파 다이버시티 중 성능 최적화를 이끌어내기 위해 사용되는 기술이 달라져야 하며, 상기 채널이 상술한 두 개의 상황 중 어느 한쪽에 치우치지 않고 중간의 상황에 놓이게 되는 경우 상기 두 개의 다이버시티를 적절히 조합하여 성능 최적화를 이끌어 낼 수 있는 안테나 구조가 요구된다.

이에 따라 안테나 시스템 상에서 다른 편파 특성을 갖는 분리된 여러 안테나를 동시에 설지하고 그 일부 혹은 전부를 조합하여 수신 신호의 질적 향상을 도모하는 다이버시티 결합(Diversity Combining)이 제안되었으나, 사이즈가 제한된 단말기와 같은 경우 다수의 서로 다른 특성을 갖는 안테나를 설치가 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 안테나 시스템에서 안테나 구조 변환 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 안테나 시스템에서 채널환경에 따라 안테나 구조를 변환하기위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 안테나 시스템에서 최소의 안테나를 사용하여 다양한 안테나 조합을 얻을 수 있는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1견지에 따르면, 안테나 시스템에서 안테나 구조를 변환하기 위한 방법은, 송수신 안테나 간의 채널 환경을 확인하는 과정과, 상기 채널 환경을 기반으로 다수개의 안테나 페어에 대한 연결 구조를 제어하여 다중화 모드를 변경하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2견지에 따르면, 안테나 시스템에서 안테나 구조를 변환하기 위한 장치는, 신호를 송수신하는 다수개의 안테나 페어(pair)와, 송수신 안테나 간의 채널 환경을 기반으로 다중화 모드를 변경하기 위해 상기 다수개의 안테나 페어에 대한 연결 구조를 변경하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 안테나 시스템에서 채널 환경에 따라 안테나 구조를 변환함으로써 최소한의 안테나를 사용하여 편파다중화와 공간다중화의 유동적 변환이 가능하며, 컴팩트한 안테나 구조를 확보할 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명에서는 안테나 시스템에서 채널 환경에 따라 안테나 구조를 변환하는 방법 및 장치에 관해 설명할 것이다.

또한, 터미널의 사이즈를 고려하면 안테나 간의 충분한 이격 거리(약 0.5λ)를 갖는 세 개 이상의 안테나를 하나의 터미널에 탑재하는 것은 불가능하지만, 이는 안테나의 공간 다이버시티 만을 고려하였을 경우이고 편파 다이버시티 특성을 고려하면 두 위치에 직교한 두 개의 안테나(수직편파, 수평편파)를 동시에 탑재할 수 있고 이로 인해 총 내 개의 안테나 탑재가 가능하다. 따라서, 본 발명에서는 상기 두 개의 직교한 편파를 갖는 안테나를 스위칭함으로써 하나의 안테나 페어로 부터 네 개의 서로 다른 편파 특성을 얻어내는 방법 및 장치에 관해 설명할 것이다.

또한, 이하 설명에서는 일반적인 와이브로/와이맥스(Wibro/Wimax) PC-Card 등에 탑재된 두 개의 안테나를 갖는 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 시스템에서 두 개의 안테나 페어가 단말기상의 두 채널에 연결되는 구조를 도시하고 있다.

상기 도 1의 (a)를 참조하면 상기 안테나 시스템은 두 개의 수직안테나 (106, 110), 두 개의 수평안테나(108, 112), 스위칭 회로(100)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 안테나 시스템은 상기 스위칭 회로(100)를 제어함으로써 네 개의 서로 다른 편파 특성을 통해 두 개의 채널(114, 116)에 연결되며, 상기 안테나 시스템은 채널 환경 변화에 맞추어 최적화된 다중화 모드를 지원하기 위해 피드백(Feedback)을 통해 제어된다.

상기 스위칭 회로(100)는 채널환경에 따라 안테나 구조를 변경하고 변경된 안테나 구조에 따라 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 서로 다른 네 개의 편파특성을 얻어낸다. 여기서, 상기 네 개의 편파특성은 상기 스위칭 회로(100)에 따라 우향 원형 편파 연결((Right-Handed Circular Polarization:이하 'RHCP'라 칭함)(120), 좌향 원형 편파 연결(Left-Handed Circular Polarization: 이하 'RHCP'라 칭함)(122), 수직 편파 연결(Vertial Polarization:이하 'VLP'라 칭함)(124), 수평편파 연결(Horizontal Polarization: 이하 'HLP'라 칭함)(126)으로 나뉘며 <표 1> 같이 채널 환경에 따라 스위칭되어 상기 두 개의 채널(114, 116)에 연결된다.

채널 환경	안테나 페어 1		안테나 페어 2		다중화모드
NLOS	VLP		VLP		공간 다중화
	HLP		HLP
NLOS/LOS	VLP/HLP		HLP/VLP		공간 다중화 + 편파 다중화
	RHCP/LHCP		LHCP/RHCP
LOS	VLP		HLP		편파 다중화
	HLP		VLP
	RHLP		LHCP
	LHLP		RHCP
NLOS/LOS + High CINR	VLP	HLP	VHP	HLP	공간 다중화 + 편파 다중화

또한, 상기 도 1의 (b)에서의 90˚ Delay 라인은 페어(Pair)상의 두 안테나 사이에 90˚의 위상차를 이끌어 내고 이를 통한 원형 편파의 생성을 가능하게 하기 위함이다.

도 2는 안테나 시스템에서 채널 환경에 따른 안테나 모드 변환 절차를 도시하고 있다.

상기 도 2를 참조하면 먼저 상기 안테나 시스템은 201단계에서 채널 환경을 확인하고 203단계로 진행하여 상기 채널 환경이 극단적 NLOS 혹은 LOS 환경인지 검사한다. 여기서, 상기 극단적 NLOS 혹은 LOS 환경은 채널 환경이 상기 LOS 혹은 LOS 환경 중 어느 한쪽에 치우쳐 있는 환경인 것을 의미한다.

만일, 상기 채널 환경이 극단적 NLOS 혹은 LOS 환경이 아니면, 즉, 상기 LOS 혹은 LOS 환경 중 어느 한쪽에 치우쳐 있지 않으면, 상기 안테나 시스템은 213단계로 진행하여 혼합 다중화 모드로 동작하고 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다. 여기서, 상기 혼합 다중화 모드는 공간 다이버시티와 편파 다이버시티의 적절한 조합을 통한 모드로 공간 다중화 기술이 메인이 되고 여기에 편파 다이버시티를 통해 안테나간 상관 값을 최소화시키는 모드이다.

한편, 상기 채널 환경이 극단적 NLOS 혹은 LOS 환경이면, 상기 안테나 시스템은 205단계로 진행하여 상기 채널 환경이 NLOS 환경인지 검사한다. 만일, 상기 채널 환경이 NLOS 환경이 아니면, 즉, 상기 채널 환경이 LOS 환경이면 상기 안테나 시스템은 215단계로 진행하여 편파 다중화 모드로 동작한다.

여기서, 상기 편파 다중화 모드의 동작 이유는 상기 LOS 환경에서는 안테나간에 상당한 거리가 유지되어야 상기 안테나 간에 상관값이 작아지고 공간 다이버시티 특성의 이용이 가능해지지만 터미널의 제한된 사이즈로 상기 안테나 이격거리가 제한되어지므로 공간 다중화시의 성능을 급격히 저하시키기 때문이다.

또한, 상기 편파 다중화 모드로 동작하는 경우에도 안테나 페이싱(Facing) 간의 각도에 따라 선형편파 혹은 원형편파를 적절하게 선택하여 성능 최적화가 가능하게 한다. 예를 들어, 상기 페이싱 각도가 정확히 일치할 경우 선형편파의 사용이 가능하고 상기 각도가 일치하지 않을 경우는 원형편파가 더 적합하다.

한편, 상기 채널 환경이 NLOS 환경이면, 상기 안테나 시스템은 207단계로 진행하여 공간 다중화 모드로 동작한다. 상기 NLOS 환경에서 상기 안테나 시스템이 공간 다중화 모드로 동작하는 것은 상기 NLOS의 환경에서는 안테나의 편파특성이 스캐터와 블로커등의 오브젝트(object)와 부딪히면서 깨지기 때문에 편파 다이버시티 특성을 이용하기 어렵기 때문이다.

이후, 상기 안테나 시스템은 209단계에서 신호대 잡음비(Carrier to interface ratio:CINR)가 임계값 이상이면, 즉, 채널의 상황이 매우 좋은 경우 211단계로 진행하여 4×4 MIMO를 구현한다. 이 경우, 90˚ Delay 라인상에 물린 스위치를 오프(off)하고 두 개의 안테나와 하나의 채널에 연결된 스위치를 나이퀴스트 샘플링 이상으로 동작시키면 페어(Pair)상에 두 개의 안테나를 통해 받아진 입력신호를 샘플링한 신호가 다중화되어 두 개의 채널에 도달한다. 즉, 네 개의 입력 신호가 두 개씩 샘플링되어 각각의 채널로 전송이 되어진다. 그러면, 상기 나이퀴스트 샘플링 이론에 의해 샘플링된 각각의 신호는 필터링을 통해 원 신호로의 복원이 가능해진다. 즉, 네 개의 모든 신호의 수신이 가능하고 이를 통해 상기 4×4 MIMO를 구현하는 것이다. 상술한 채널의 상태에 따른 안테나 조합은 상기 <표 1>과 같다.

이후, 상기 안테나 시스템은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

도 3은 안테나 시스템에서 채널 환경에 따른 안테나 조합 구조를 도시하고 있다.

상기 도 3을 참조하면, 상술한 바와 같이 채널 상에 스캐터(scatter)와 블로커(Blocker)의 존재로 NLOS 상황이 형성되면 안테나 배치를 변경하여 공간 다중화를 구현한다. 이후, 갑작스런 채널 환경 변화로 인해 LOS 상황이 형성되면 상기 채널 환경 변화에 맞춰 스위치 조합이 바뀌어 RHCP와 LHCP 등을 이용한 편파 다중화를 구형할 수 있도록 안테나 조합 구조를 변경한다. 또한, 채널 퀄리티(quality)가 좋은 경우 상기 안테나의 조합 구조를 변경하여 4×4 MIMO를 구현할 수도 있다.

상기 도 3에서도 상술한 채널의 상태에 따른 안테나 조합은 상기 <표 1>과 같다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 시스템에서 두 개의 안테나 페어가 단말기상의 두 채널에 연결되는 구조를 도시하는 도면,

도 2는 안테나 시스템에서 채널 환경에 따른 안테나 모드 변환 절차를 도시하는 도면, 및

도 3은 안테나 시스템에서 채널 환경에 따른 안테나 조합 구조를 도시하는 도면.

Claims (21)

1. 안테나 시스템에서 안테나 구조를 변환하기 위한 방법에 있어서,

   송수신 안테나 간의 채널 환경을 확인하는 과정과,

   상기 채널 환경을 기반으로 다수개의 안테나 페어에 대한 연결 구조를 제어하여 다중화 모드를 변경하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 채널 환경을 기반으로 다중화 모드를 변경하는 과정은,

   상기 채널 환경에 따라 다수개의 안테나 페어에 대한 연결 구조를 변경하는 과정을 포함하며,

   상기 다수개의 안테나 페어 각각은, 수평 안테나와 수직 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 채널 환경을 기반으로 다중화 모드를 변경하는 과정은,

   스위칭 회로에 의해 표 2와 같이 안테나 페어가 연결되어 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.

   채널 환경 안테나 페어 1
   안테나 페어 2
   다중화모드 NLOS
   VLP VLP 공간 다중화 HLP HLP NLOS/LOS
   VLP/HLP HLP/VLP 혼합 다중화 모드 RHCP/LHCP LHCP/RHCP LOS
   
   
   VLP HLP 편파 다중화 HLP VLP RHLP LHCP LHLP RHCP NLOS/LOS
   + High CINR VLP HLP VHP HLP 혼합 다중화 모드
4. 제 1항에 있어서,

   상기 채널 환경을 기반으로 다중화 모드를 변경하는 과정은,

   상기 채널 환경이 NLOS 환경이면 공간 다중화 모드로 동작하는 것을 특징으

   로 하는 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 채널 환경이 NLOS 환경이면 신호 대 잡음비(CINR)가 임계값이상인지 검사하여 임계값 이상이면 4×4 MIMO(Multiple Input Multiple Output)를 구현하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 4×4 MIMO의 구현은 스위칭 회로의 90˚Delay 라인 상의 스위치를 오프(Off)하고 하나의 채널에 연결된 스위치를 나이퀴스트 샘플링 레이트(Nyquist Sampling Rate)이상으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 채널 환경을 기반으로 다중화 모드를 변경하는 과정은,

   상기 채널 환경이 LOS 환경이면 편파 다중화 모드로 변환하여 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 채널 환경을 기반으로 다중화 모드를 변경하는 과정은,

   상기 채널 환경이 극단적 NLOS 혹은 LOS 환경이 아니면 혼합 다중화 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 혼합 다중화 모드는 공간 다중화가 메인 기술로 사용되고 편파 다이버시티를 통해 동작하는 모드인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 극단적 NLOS 혹은 LOS환경이 아닌 것은.

    상기 NLOS 혹은 LOS환경 중 어느 한쪽에 치우쳐 있지 않은 환경인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 안테나 시스템에서 안테나 구조를 변환하기 위한 장치에 있어서,

    신호를 송수신하는 다수개의 안테나 페어(pari)와,

    송수신 안테나 간의 채널 환경을 기반으로 다중화 모드를 변경하기 위해 상기 다수개의 안테나 페어에 대한 연결 구조를 변경하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 다수개의 안테나 페어는,

    서로 직교(orthogonal)한 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제 11항에 있어서,

    상기 다수개의 안테나 페어 각각은 수평 안테나와 수직 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제 11항에 있어서,

    상기 스위치는 상기 채널 환경을 기반으로 다중화 모드를 변경하기 위해 표 3과 같이 안테나 페어를 연결하는 것을 특징으로 하는 장치.

    채널 환경 안테나 페어 1
    안테나 페어 2
    다중화모드 NLOS
    VLP VLP 공간 다중화 HLP HLP NLOS/LOS
    VLP/HLP HLP/VLP 혼합 다중화 모드 RHCP/LHCP LHCP/RHCP LOS
    
    
    VLP HLP 편파 다중화 HLP VLP RHLP LHCP LHLP RHCP NLOS/LOS
    + High CINR VLP HLP VHP HLP 혼합 다중화 모드
15. 제 11항에 있어서,

    상기 안테나 시스템은,

    상기 채널 환경이 NLOS 환경이면 공간 다중화 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 안테나 시스템은 채널 환경이 NLOS 환경이면 신호 대 잡음비(CINR)가 임계값이상인지 검사하여 임계값 이상이면 4×4 MIMO(Multiple Input Multiple Output)를 구현하는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제 16항에 있어서,

    상기 4×4 MIMO의 구현은 스위칭 회로의 90 Delay 라인 상의 스위치를 오프(Off)하고 하나의 채널에 연결된 스위치를 나이퀴스트 샘플링 레이트(Nyquist Sampling Rate)이상으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제 11항에 있어서,

    상기 안테나 시스템은,

    상기 채널 환경이 LOS 환경이면 편파 다중화 모드로 변환하여 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제 11항에 있어서,

    상기 안테나 시스템은,

    상기 채널 환경이 극단적 NLOS 혹은 LOS 환경이 아니면 혼합 다중화 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제 19항에 있어서,

    상기 혼합 다중화 모드는,

    공간 다중화가 메인 기술로 사용되고 편파 다이버시티를 통해 동작하는 모드인 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제 19항에 있어서,

    상기 극단적 NLOS 혹은 LOS환경이 아닌 것은.

    상기 NLOS 혹은 LOS환경 중 어느 한쪽에 치우쳐 있지 않은 환경인 것을 특징으로 하는 장치.

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