KR101987815B1 - 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 ｍｉｍｏ용 채널 시뮬레이터 - Google Patents

캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 ｍｉｍｏ용 채널 시뮬레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 매시브 MIMO 안테나를 채택한 기지국과 단말 사이를 연결하여 실시간으로 채널을 생성하는 채널 시뮬레이터에 각종 캘리브레이션 기능을 부가하여 이루어진, 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에 관한 것이다.
본 발명의 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터는 10개 이상의 안테나를 갖는 기지국의 각 안테나 포트에 대한 RF 신호 처리를 수행하되 각 안테나 포트별로 캘리브레이션시 사용되는 테스트 포트와 기지국에 연결되는 메인 포트를 구비한 BS I/F 보드, 1개 이상의 안테나를 갖는 단말의 각 안테나 포트에 대한 RF 신호 처리를 수행하되 각 안테나 포트별로 캘리브레이션시 사용되는 테스트 포트와 기지국에 연결되는 메인 포트를 구비한 UE I/F 보드 및 BS I/F 보드와 UE I/F 보드 사이의 각 채널별 페이딩 처리를 수행하는 LP 보드가 구비된 본체부; 상기 테스트 포트를 통하여 BS I/F 보드와 UE I/F 보드를 외부에서 연결하는 교정 키트; LP 보드의 페이딩 처리를 제어하는 시나리오 서버 및 캘리브레이션 과정에서 시나리오 서버를 통해 LP 보드를 단순 연결 모드로 제어하고, 캘리브레이션 종류에 따라 BS I/F 보드와 UE I/F 보드를 제어하여 안테나 포트 전부를 일괄적으로 테스트 포트측으로 연결하거나 하나씩 테스트 포트에 연결하는 캘리브레이션 서버를 포함하여 이루어진다.

Description

캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 ＭＩＭＯ용 채널 시뮬레이터{massive air-channel simulator for massive MIMO base station with self-calibration}
본 발명은 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에 관한 것으로, 특히 매시브 MIMO 안테나를 채택한 기지국과 단말 사이를 연결하여 실시간으로 채널을 생성하는 채널 시뮬레이터에 각종 캘리브레이션 기능을 부가하여 이루어진, 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에 관한 것이다.
근래 들어, 스마트 기기의 기하급수적인 증가에 따라 요구되는 무선 데이터량 역시 매우 빠른 속도로 증가하고 있으나 사용 가능한 주파수 대역폭과 무선 채널 용량이 한정되어 있기 때문에 기존 무선 자원(주파수 등)의 효율적인 활용이 어느 때보다 강하게 요구되고 있다.
매시브 MIMO(Massive Multiple Input & Multiple Output)는 기지국에 현재보다 매우 많은, 수십 개 이상의 안테나를 장착하여 높은 전송 속도와 더불어 높은 에너지 효율을 얻고자 하는 다중 안테나 기술이다. TDD(Time Division Multiplexing)시스템에서의 매시브 MIMO에 대한 최초의 연구 결과, 즉 업/다운링크의 채널 상관 관계를 이용하여 완벽한 채널 벡터를 얻을 수 있다면 안테나 수가 많아질수록 서로 다른 사용자의 채널 간 간섭이 상쇄되어 단순한 송수신 필터를 사용하여 여러 사용자를 동시에 서비스할 수 있다는 결과 발표 이후 매시브 MIMO에 대한 연구가 활발히 진행되어 현재는 가장 뜨거운 관심 분야 중 하나가 되었다.
이에 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 등의 국제 표준화 기구에서는 LTE-Advanced 시스템의 성능을 개선하기 위한 시도의 일환으로 빔포밍(beam forming)의 개념으로 다중 사용자가 동일한 무선 자원을 동시에 사용하여 기지국 셀의 무선 채널 용량 합(sum rate)을 극대화할 수 있는 FD-MIMO(Full Dimension(또는 3D) MultipleInput & MultipleOutput)기법을 릴리즈(release) 13을 통해 표준으로 채택하고 있다. 이하 매시브 MIMO를 FD-MIMO를 서브셋으로 포함하는 포괄적인 개념으로 사용하는바, 이러한 매시브 MIMO는 현재 개발이 진행되고 있는 5G 시스템에서도 필수 기술로 채택될 것으로 예측되고 있다.
한편, 다중경로 통신 채널에서는 송신기인 기지국(eNB; enhanced Node-B 또는 BS; Base Station)과 수신기인 단말(UE; User Equipment 또는 MS; Mobile Station) 사이에서 직접파(LOS: Line Of Sight) 성분과 반사파 성분 그리고 회절파 성분 등이 한꺼번에 서로 영향을 끼치며 존재한다. 이 신호들이 다중의 경로를 통하여 단말에 수신될 뿐 아니라 단말의 이동에 의해 도플러 확산이 발생하기 때문에 이동 통신은 고정 통신에 비해 열악한 전파 환경에 놓이게 된다.
일반적으로 직접파가 존재하는 시골이나 교외 환경은 라이시안(Ricean) 채널 모델로 설명될 수 있고, 직접 경로 신호가 희박하고 다중 경로에 의한 합성 신호가 많은 도심지는 레일리(Rayleigh) 모델로 설명될 수 있다. 그리고 주위 지형의 불균일성으로 인한 그림자 효과(shading effect)도 존재한다.
이렇듯 무선 채널에 존재하는 전파 환경이 매우 다양하기 때문에 각각의 다른 전파 환경에서도 무선 시스템의 본래의 성능이 제대로 발휘되어야 하는데, 무선 시스템의 성능을 보장하기 위해서는 시뮬레이션과 분석을 통한 검증은 물론이고 프로토 타이핑과 필드 테스트까지 수행해야 한다. 그러나 개발한 무선 시스템을 모든 환경 조건에서 필드 테스트하는 데에는 많은 시간과 비용이 소요되는 단점이 있기 때문에 보다 실용적인 방안으로 실시간 채널 시뮬레이터가 사용될 수 있다. 이는 무선 채널에서 실제 일어날 수 있는 거의 모든 환경을 모사해 볼 수 있는 시스템을 말한다.
이에 본 출원인은 P(>2인 정수)개의 기지국과 Q(>2인 정수)개의 단말 사이의 모든 경로(P*Q)에 대하여 양방향 경로손실 및 양방향 실시간 페이딩을 손쉽게 적용할 수 있도록 구성한 대용량의 채널 시뮬레이터를 특허출원하여 등록번호 제1286023호로 특허받은 바 있고, 이후에도 관련 연구를 지속하고 있는 와중에 최근에 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터까지 개발하기에 이르렀다. 이하 '매시브 MIMO 기지국'은 10개 이상의 안테나를 구비한 기지국으로 정의하고, '매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터'는 매시브 MIMO 기지국이 1개 이상 연결될 수 있는 시뮬레이터로 정의한다.
한편, 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터는 빔포밍 개념을 기반으로 하기 때문에 안테나 간 신호의 크기뿐만 아니라 위상 동기가 정확하게 맞아야 비로소 안정적인 성능을 보장할 수 있기 때문에 이를 실시간으로 신속하게 측정한 후 정확하게 교정하는 것이 매우 중요하다.
그러나 종래 대용량 채널 시뮬레이터에서는 단지 각 채널 간 신호의 크기를 동일하게 유지시키는 정도의 캘리브레이션 작업만을 수행하였기 때문에 이를 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에 그대로 적용할 경우에는 안정적인 성능을 전혀 보장할 수 없다고 하는 문제점이 있었다.
한편, 기지국은 단말로부터 받은 신호나 정보를 이용하여 채널 용량을 적응적으로 트래킹해야 하기 때문에 다운링크 채널과 업링크 채널은 실제 무선 채널(air channel) 환경을 정확히 반영할 수 있어야 한다. 실제 무선 채널 환경에서는 채널 상반성(Channel Reciprocity; CR) 개념에 의해 동일한 주파수/시간에 다운링크 채널과 업링크 채널은 동일한 채널 환경(계수)를 갖는 것으로 알려져 있다.
그러나 기지국과 단말이 유선으로 연결된 채널 시뮬레이터에서는 다운링크 및 업링크 채널에 대한 RF 경로가 서로 다르기 때문에 채널 상반성을 충족시키지 못하였는바, 종래의 2*2 MIMO용 채널 시뮬레이터 등에서는 안테나의 개수가 제한적이기 때문에 이러한 불충족이 큰 문제가 되지 않았으나 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에서는 이러한 불충족이 측정 결과의 신뢰성을 현저하게 떨어뜨리는 요소로 작용하는 문제점이 있었다.
선행기술 1: 10-1286023호 등록특허공보(발명의 명칭 : 채널 시뮬레이터) 선행기술 2: 10-1606354호 등록특허공보(발명의 명칭: 채널 시뮬레이터의 캘리브레이션 방법) 선행기술 3: 10-2017-0077671호 특허출원(발명의 명칭 : 채널 시뮬레이터의 제어 방법)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 매시브 MIMO 안테나를 채택한 기지국과 단말 사이를 연결하여 실시간으로 채널을 생성하는 채널 시뮬레이터에 각종 캘리브레이션 기능을 부가하여 이루어진, 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터는 10개 이상의 안테나를 갖는 기지국의 각 안테나 포트에 대한 RF 신호 처리를 수행하되 각 안테나 포트별로 캘리브레이션시 사용되는 테스트 포트와 기지국에 연결되는 메인 포트를 구비한 BS I/F 보드, 1개 이상의 안테나를 갖는 단말의 각 안테나 포트에 대한 RF 신호 처리를 수행하되 각 안테나 포트별로 캘리브레이션시 사용되는 테스트 포트와 기지국에 연결되는 메인 포트를 구비한 UE I/F 보드 및 BS I/F 보드와 UE I/F 보드 사이의 각 채널별 페이딩 처리를 수행하는 LP 보드가 구비된 본체부; 상기 테스트 포트를 통하여 BS I/F 보드와 UE I/F 보드를 외부에서 연결하는 교정 키트; LP 보드의 페이딩 처리를 제어하는 시나리오 서버 및 캘리브레이션 과정에서 시나리오 서버를 통해 LP 보드를 단순 연결 모드로 제어하고, 캘리브레이션 종류에 따라 BS I/F 보드와 UE I/F 보드를 제어하여 안테나 포트 전부를 일괄적으로 테스트 포트측으로 연결하거나 하나씩 테스트 포트에 연결하는 캘리브레이션 서버를 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, 교정 키트는 상호 다른 방향으로 결합되어 BS I/F 보드의 안테나 포트 및 UE I/F 보드의 안테나 포트가 각각 연결되는 제1 및 제2 신호 분배기를 포함하여 이루어진다.
캘리브레이션 서버는 위상/크기 캘리브레이션 수행시 모든 안테나 포트를 일괄적으로 테스트 포트측으로 연결하고, BS I/F 보드 및 UE I/F 보드에는 각각 안테나 포트별로 위상/크기 오프셋을 교정하는 위상/크기 교정부가 구비되고, 캘리브레이션 서버는 위상/크기 교정부를 제어하여 모든 안테나 포트별 위상/크기 오프셋의 차이가 기준치 이내로 유지되도록 제어한다.
BS I/F 보드 및 UE I/F 보드에는 각각 안테나 포트별 위상/크기 오프셋의 소수배 시간 지연을 교정하는 프랙셔널 딜레이 교정부가 구비되고, 캘리브레이션 서버는 프랙셔널 딜레이 교정부를 제어하여 소수배 시간 지연 시간 성분을 보상한다.
캘리브레이션 서버는 테스트 포트와 메인 포트 사이의 오프셋을 반영하여 위상/크기 교정부를 제어한다.
캘리브레이션 서버는 CR 캘리브레이션 수행시 각 안테나 포트를 하나씩 테스트 포트측으로 연결하고, BS I/F 보드 및 UE I/F 보드에는 각각 안테나 포트별로 주파수 응답의 차이를 보상하는 CR 보상 필터가 구비되고, 캘리브레이션 서버는 모든 안테나 포트별 주파수 응답을 측정한 후에 모든 안테나 포트별 주파수 응답이 동일해지도록 CR 보상 필터를 구성한다.
캘리브레이션 서버는 BS I/F 보드나 UE I/F 보드 중 어느 일측의 모든 안테나 포트의 주파수 응답을 동일하게 만든 후에 나머지 일측에서 이를 역 보상하는 방식으로 CR 보상 필터를 구성한다.
캘리브레이션 서버는 캘리브레이션에 사용되는 참조 신호로서,
Figure 112018019476381-pat00001
로 정의되는 변형 자도프-추 신호를 사용한다.
본 발명에 따르면, 신속하면서도 정확하게 각 채널에 대한 크기/위상 및 주파수 응답을 동일하게 유지시킬 수 있기 때문에 채널의 섬 레이트(sum-rate)를 증가시킬 수 있는 매시브 MIMO 기지국을 실제에 가깝거나 실제 환경을 반영할 수 있는 채널을 실험실 수준에서 생성함으로써 현장에서 발생할 수 있는 문제점을 미리 파악하는데 사용되는 매시브 MIMO 채널 시뮬레이터에서 측정한 데이터의 신뢰성을 현저하게 제고시킬 수가 있다.
도 1은 본 발명의 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터의 전체적인 시스템 구성도.
도 2는 도 1에 도시한 채널 시뮬레이터의 소프트웨어 측면의 시스템 구성도.
도 3은 도 1에서 BS I/F 보드의 내부 기능 블록도.
도 4는 도 1에서 교정 키트의 기능 블록도.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에서 사용되는 변형 ZC 신호를 시간 영역(time sample) 및 주파수 영역에서 보인 그래프.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에서 다운링크 채널 및 업링크 채널을 각각 통과한 신호의 서로 다른 주파수 응답을 필터를 사용하여 보상하는 개념을 설명하기 위한 도.
도 7은 본 발명의 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에서 사용되는 CR 보상 필터를 구체적인 예시한 기능 블록도.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터의 하드웨어적인 시스템 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 채널 시뮬레이터의 소프트웨어적인 시스템 구성도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터는 크게 매시브 MIMO 기지국(600)과 단말(700)을 연결하는 복수의 채널 신호에 대해 실시간 페이딩 처리, 즉 슬로우 페이딩 및 패스트 페이딩 처리를 수행하는 링크 프로세서 보드(Link Processor Board; 이하 간단히 'LP 보드'라 한다)(110), 기지국(600)과 LP 보드(110)를 연결하는 기지국 인터페이스 보드(Base Station Interface Board; 이하 간단히 'BS I/F 보드'라 한다)(120), LP 보드(110)와 단말(700)을 연결하는 단말 인터페이스 보드(User Equipment Interface Board; 이하 간단히 'UE I/F 보드'라 한다)(130)를 포함하여 이루어진 시뮬레이터 본체부(이하 간단히 '본체부'라 한다)(100), 기지국(600) 및 단말(700)을 연결하지 않은 상태에서 각 채널별 본체부(100)의 신호의 크기 및 위상 등을 측정하는데 사용되는 교정 키트(200), 사용자가 원하는 테스트 시나리오, 예를 들어 기지국(600)과 단말(700)의 위치나 거리 또는 각 안테나 방향 등을 GUI(Graphic User Interface) 기반으로 설정할 수 있도록 지원하는 테스트 매니저(Test Manager; TM)(300), 테스트 매니저(300)를 통해 사용자가 설정한 테스트 시나리오에 따른 채널 계수를 계산하여 LP 보드(110)를 제어하는 시나리오 서버(Scenario server; S-server)(400) 및 채널 시뮬레이터의 각종 캘리브레이션 및 그 검증 과정을 관장하는 캘리브레이션 서버(Calibration server; Cal. server 또는 C-server)(500)를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 1의 실시예에서는 64개의 안테나를 갖는 1개의 매시브 MIMO 기지국(600)과 2개의 안테나를 갖는 16개의 단말(700)이 연결된 64*32 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터를 도시하고 있다. 여기에서, BS I/F 보드(120)를 16개로 구성하고 UE I/F 보드(130)를 16개로 구성한 경우에 각 BS I/F 보드(120)에는 4개의 기지국 안테나가 연결되고, 각 UE I/F 보드(130)에는 1개의 단말(700)이 연결될 수 있다. 또한, 각각의 BS I/F 보드(120)와 UE I/F 보드(130)에는 각 채널당 기지국 및 단말에 연결되는 메인 포트(Main Port)(MP)와 교정 키트(200)에 연결되는 테스트 포트(Test Port)(TP)가 구비되어 있는데, 이들 포트 사이의 스위칭은 캘리브레이션 서버(500)의 제어에 따라 개별적 또는 전체적으로 수행될 수 있다. 한편, 테스트 매니저(300)와 캘리브레이션 서버(500)는 상시 서로 다른 시간에 동작하기 때문에 동일 PC 상에 탑재될 수 있다.
도 1에서는 1개의 매시브 MIMO 기지국(600)에 16개의 단말(700)이 연결된 채널 시뮬레이터, 즉 64*32 채널 시뮬레이터를 예시하고 있으나 32개의 안테나를 갖는 기지국의 경우에는 2개가 연결될 수 있을 것이다. 나아가, 128*64 등으로 생성 가능한 채널을 확장할 수도 있을 것이다.
한편 도 2에 도시한 바와 같이, 시뮬레이터 본체부(100), 테스트 매니저(300), 시나리오 서버(400) 및 캘리브레이션 서버(500)는 이더넷 스위치(800)에 의해 상호 연결되어 필요한 데이터나 정보를 실시간적으로 교환할 수 있다.
도 3는 도 1에서 BS I/F 내부 기능 블록도인바, 편의상 1개의 업링크 채널 및 다운링크 채널 쌍에 대한 것만을 도시하고 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 BS I/F 보드(120)는 먼저, 다운링크 채널용으로 신호 경로를 메인 포트(MP) 또는 테스트 포트(TP) 측으로 스위칭하는 RF 스위치(rfs), 다운링크 및 업링크의 양방향 통신을 지원하는 RF 듀플렉서(rfd), RF 신호를 다운 컨버젼하여 베이스밴드 신호(이하 간단히 'BB 신호'라 한다)로 변환하는 업/다운 컨버터(128), 아날로그 BB 신호의 이득을 조정하는 이득 조정부(127d), 바람직하게는 가변 감쇠기나 가변 증폭기, 아날로그 BB 신호를 디지털 BB 신호로 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter)(126d), 후술하는 소수배 지연 성분을 교정하는 프랙셔널 딜레이 교정부(125d), 신호의 크기 및 위상을 교정하는 크기/위상(Amp./Phase) 교정부(124d), 다운링크 및 업링크 채널 신호의 주파수 응답을 동일하게 유지시키기 위한 CR 보상 필터(123d), 캘리브레이션용 참조 신호를 생성(Signal Generator; SG) 및 분석(Signal Analyzer; SA)하는 신호 생성/분석부(122d) 및 광전 변환 또는 그 역변환을 수행하는 광 트랜시버, 예를 들어 SFP I/F(Small Form Factor Pluggable Interface)(121d)를 순차적으로 구비하여 이루어질 수 있다.
다음으로, 업링크 채널용으로는 이와 반대로 SFP I/F(121u), 신호 생성/분석부(122u), CR 보상 필터(123u), 크기/위상 교정부(124u), 프랙셔널 딜레이 보상부(125u), 디지털 BB 신호를 아날로그 BB 신호로 변환하는 DAC(Digital to Analog Converter)(126u), 가변 감쇠기 또는 가변 증폭기로 이루어져서 신호의 이득을 조정하는 이득 조정부(127u), BB 신호를 업 컨버젼하여 RF 신호로 변환하는 업다운 컨버터(128u), 전술한 RF 듀플렉서(rfd) 및 RF 스위치(rfs)가 순차적으로 구비되어 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, 신호 생성/분석부(122d)의 신호 생성기(SG)는 캘리브레이션 서버(500)의 제어에 따라 크기/위상 오프셋 측정 및 CR 캘리브레이션에 사용되는 참조 신호를 생성하고, 그 신호 분석기(SA)는 샘플 버퍼를 구비하여 P개의 안테나 신호가 합쳐진 신호를 디지털 샘플로 캡쳐한 후에 각 안테나 신호 사이의 크기 및 위상 오프셋을 측정할 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나 각각의 UE I/F 보드(130)의 다운링크 채널 및 업링크 채널 쌍에 대한 구성은 그 방향만 달리할 뿐 BS IF 보드(120)와 동일하게 이루어질 수 있다. 도면에서 일점쇄선으로 표시된 부분은 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현되는 구성을 나타낸다.
도 4는 도 1에서 교정 키트의 내부 구성도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 교정 키트(200)는 상호 다른 방향으로 결합된 제1 및 제 2 신호 분배기(Divider)(210),(220)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이 경우에 제1 신호 분배기(210)는, 예를 들어 64*1의 신호 분배기로 이루어져서 BS I/F 보드(120)의 각 채널(안테나)별 테스트 포트(TP)의 RF 신호를 결합하여 제2 신호 분배기(220)로 전달(결합 기능)하거나 제2 신호 분배기(220)로부터 전달받은 RF 신호를 각 채널 별로 분리하여 BS I/F 보드(120)로 전달(분배 기능)한다.
마찬가지로 제2 신호 분배기(220)는, 예를 들어 1*32의 신호 분배기로 이루어져서 UE I/F 보드(130)의 각 채널별 테스트 포트(TP)의 RF 신호를 결합하여 제1 신호 분배기(210)로 전달하거나 제1 신호 분배기(210)로부터 전달받은 RF 신호를 각 채널별로 분리하여 UE I/F 보드(130)로 전달한다.
도면에서 참조 부호 MP.BS#1, MP.BS#64, MP.UE#1 및 MP.UE#32는 각각 시뮬레이터 본체부(100)의 BS I/F 보드 및 UE I/F 보드에 각각 구비된 1번째 및 64번째 메인 포트(MP)와 1번째 및 32번째 메인 포트(MP)를 나타내고, TP.BS#1, TP.BS#64, TP.UE#1 및 TP.UE#32는 각각 시뮬레이터 본체부(100)의 BS I/F 보드 및 UE I/F 보드에 구비된 1번째 및 64번째 테스트 포트(TP)와 1번째 및 32번째 테스트 포트(TP)를 나타낸다.
한편, Δc, Δbu, Δmt 및 Δp는 각각 아래의 표 1과 같이 정의될 수 있다.
항목 내용 비고
Δc 기지국의 각 안테나와 본체부의 BS I/F 보드 사이의 RF 케이블 등의 오프셋 기지국과 연동해야만 보정 가능.NA(Network Analyzer)에 케이블을 물려서 측정.
Δmt 기지국의 각 안테나에 대해 커넥터 및 RF 스위치에 의한 메인 포트와 테스트 포트 사이의 오프셋 생산시 또는 H/W 변경시 등에 오프셋 값을 미리 측정하여 저장.
Δbu 기지국의 각 안테나에 대해 교정 키트의 내부 케이블, 커넥터, 제1 및 제2 신호 분배기에 의한 오프셋 생산시 또는 H/W 변경시 등에 오프셋 값을 미리 측정하여 저장.
Δp 실제 캘리브레이션 작업을 통해 측정한 각 TP별 크기/위상 오프셋
한편, 본 발명의 캘리브레이션 서버(500)는 BS I/F 보드(120) 및 UE I/F 보드(130)를 제어하여 시뮬레이터 본체부(100)의 각 입출력 신호의 크기와 위상을 함께 교정하는 크기/위상 캘리브레이션 및 다운링크와 업링크 사이의 채널 상반성 조건을 충족시키기 위해 다운링크 채널과 업링크 채널의 주파수 응답을 동일하게 유지하는 CR 캘리브레이션을 수행한다. 그리고 이 과정에서 자체 또는 시나리오 서버(400)를 통해 LP 보드(110)의 각 경로에 대한 채널 계수가 1이 되도록, 즉 어떠한 페이딩도 적용되지 않은 단순 연결 모드로 설정되도록 제어한다.한편, CR 캘리브레이션은 BS I/F 보드(120)와 UE I/F 보드(130)를 테스트 포트를 통해 교정 키트(200)에 연결한 채로 수행되기 때문에 메인 포트(MP)와 테스트 포트(TP)의 주파수 특성과 반사 계수를 동일하게 유지시키는 크기/위상 캘리브레이션을 먼저 수행한 후에 CR 캘리브레이션을 수행하고, 다시 크기/위상 캘리브레이션을 수행하는 것이 바람직하다.
캘리브레이션 서버(500)는 크기/위상 캘리브레이션을 위해 임의 UE I/F 보드(130)의 신호 생성기(SA)를 제어하여 참조 신호, 예를 들어 자도프-추 신호, 더 바람직하게는 변형 자도프-추 신호를 생성한 후에 교정 키트(200) 측으로 출력하고, 이와 함께 각 BS I/F 보드(120)를 제어하여 각 BS I/F 보드(120)가 교정 키트(200)를 통해 동시에 수신한 참조 신호를 소정 샘플 만큼씩 지연시켜 출력하도록 한다.
이와 관련하여 본 발명의 캘리브레이션 서버(500)는 복수의 다운링크 채널(경로)에 대한 크기/위상 오프셋을 동시에 측정하기 위해 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation)신호의 일종으로서 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) 및 자기 상관(auto-correlation) 특성이 우수한 자도프-추(Zadoff-Chu) 신호(이하 간단히 'ZC 신호'라 한다)를 참조 신호로 사용하는데, 전력 효율 등을 고려하여 대역폭이 일부 제한된 변형 자도프-추 신호를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 변형 ZC 신호는 아래의 수학식 1과 같이 규정되며, LTE를 대상으로 할 때 30.72㎒의 샘플링 주파수(Fs)로 NZC 개의 샘플만큼 주기적으로 10㎳ 동안 발생될 수 있어야 한다.
Figure 112018019476381-pat00002
일반적으로 ZC 신호의 샘플 수(NZC)는 소수(prime number)로 규정되지만, 본 발명에서는 디지털 연산을 용이하게 하기 위해 그 샘플 수를 2의 멱수(2n)로 하되 충분한 n(=14)을 확보, 예를 들어 소수인 16381에 근사한 16384(=214)로 하여 구현을 단순화한다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에서 사용되는 변형 ZC 신호를 시간 영역(time sample) 및 주파수 영역에서 보인 그래프로서, 콤플렉스 BB I(In-phase)/Q(Quad-phase) 신호를 보이고 있다. 도 5a에 도시한 바와 같이 변형 ZC 신호는 시간 영역에서 CAZAC 특성을 나타내는 것을 알 수 있으며, 도 5b에 도시한 바와 같이 주파수 영역에서는 LTE 주파수 대역폭인 9*2㎒로 대역이 제한된 평평한 스펙트럼을 보여주고 있다.
다음으로, 캘리브레이션 서버(500)는 소정 샘플 만큼씩 지연된 채로 합해져서 출력되는 참조 신호를 UE I/F 보드(130)의 신호 분석기(SA)에서 캡쳐하고, 이렇게 캡쳐된 참조 신호와 원래의 참조 신호 사이의 자기 상관도를 계산하여 각 포트 사이의 크기/위상 오프셋(Δp)을 측정한 후에 그 역수를 곱하여 크기/위상 교정 값을 산출한다. 이러한 교정 값은 예를 들어 각 테스트 포트별 크기/위상 오프셋(Δp)을 1번째 테스트 포트의 크기/위상 오프셋(Δp)을 기준으로 정규화한 상태에서 그 역수를 취하는 방식으로 구해질 수 있다. 그리고, 이 과정에서 각 ADC(126d)의 시작 타이밍의 차이 등에서 야기되는 프랙셔널 딜레이 오프셋을 사전에 보상한다.
이를 정리하면 다음과 같다. 먼저, UE I/F 보드(130)의 SG에서 생성된 변형 ZC 신호
Figure 112018019476381-pat00003
가 교정 키트(200) 및 BS I/F 보드(120)의 i번째 TP 포트를 거쳐서 UE I/F 보드(130)의 SA에 수신되면
Figure 112018019476381-pat00004
가 된다. 즉, i번째 TP 포트의 신호에는 원 신호의 시간 지연 성분
Figure 112018019476381-pat00005
와 위상/크기 오프셋 성분
Figure 112018019476381-pat00006
가 포함되어 있다. 따라서, 아래의 수학식 2와 같은 상관계수 함수
Figure 112018019476381-pat00007
의 최대치를 검색하여
Figure 112018019476381-pat00008
을 추정한다.
Figure 112018019476381-pat00009
마지막으로 이 값에 역수를 곱하면 캘리브레이션 작업이 완료되는데, 동일한 작업을 재수행하면 이론적으로
Figure 112018019476381-pat00010
=1이 된다. 같은 방식으로 모든 UE I/F 보드(130)에서 순차적으로 참조 신호를 발생시켜 가면서 다운링크 채널에 대한 크기/위상 오프셋(Δp)을 측정한다.
한편, 업링크 채널에 대한 캘리브레이션 작업은 UE I/F 보드(130)의 신호 생성기(SG)에서 생성된 변형 ZC 신호가 LP 보드(110)를 거쳐서 BS I/F 보드(120)에 입력된 상태에서 각 채널(포트)마다 소정 샘플씩 지연된 채로 출력되고, 이후 교정 키트(200)를 거쳐서 UE I/F 보드(130)의 신호 분석기(SA)에서 캡쳐된 후에 전술한 바와 동일 과정을 거쳐서 프랙셔널 딜레이 오프셋이 보상되고, 크기/위상 오프셋(Δp)이 측정된다.
이와 같이 하여 기지국을 기준으로 한 모든 다운링크 및 업링크 채널에 대한 크기/위상 오프셋(Δp) 측정이 종료되면, 캘리브레이션 서버(500)는 각 기지국 안테나에 대해 외부의 네트워크 분석기를 사용하여 미리 측정되어 저장된 Δc, Δbu및 Δmt를 적용하여 각 메인 포트에 대한 교정 값을 계산하고, 이에 의거하여 BS I/F 보드(120)의 프랙셔널 딜레이 교정부(125d) 및 크기/위상 교정부(124d)를 구성한다.
한편, CR 캘리브레이션 작업에서는 참조 신호가 섞이는 경우 잡음으로 작용하기 때문에 복수의 포트를 동시에 측정하는 것이 불가능하다. 이에 따라 캘리브레이션 서버(500)는 CR 캘리브레이션 작업 중에 각 포트에 대해 순차적으로 측정, 예를 들어 선택된 포트의 RF 스위치만을 테스트 포트측으로 스위칭한 상태에서 측정을 수행한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에서 다운링크 채널 및 업링크 채널을 각각 통과한 신호의 서로 다른 주파수 응답을 필터를 사용하여 보상하는 개념을 설명하기 위한 도이다.
먼저, 도 6a의 스펙트럼에서 알 수 있는 바와 같이, 다운링크 RF 경로 및 업링크 RF 경로는 도 3에 도시한 바와 같이 상호 독립적인 RF 소자들로 이루어져 있기 때문에 이들 경로를 통과한 신호들 역시 불가피하게 서로 다른 주파수 응답 특성을 나타내게 된다.
도 6b는 도 6a에 나타낸, 서로 다른 주파수 응답 특성을 동일하게 맞추기 위해 그 역수로 구성된 보상 필터로서, 제한된 대역, 예를 들어 LTE 주파수 대역폭인 9*2㎒를 통과 대역으로 하는 보상 필터를 보이고 있다.
도 6c는 도 6b에 도시한 필터에 대한 임펄스 응답을 보이고 있는바, 이러한 임펄스 응답을 갖도록 보상 필터를 구성하면 이를 통과한 신호의 다운링크 및 업링크 주파수 응답 특성이 평평해져서 같아지게 된다.
그러나, 도 1에 도시한 구조의 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에서는 이를 통과하는 신호에 대한 수신측 및 송신측을 분리한 상태의 주파수 응답을 얻을 수 없기 때문에 도 6에서 제시한 단순 역보상 방법은 적용할 수가 없다. 이를 감안하여 본 발명에서는 먼저 수신측의 모든 포트의 주파수 응답을 동일하게 만든 후에 송신측에서 이를 역 보상하는 2단계의 보상 방법을 채택하고 있다.
한편, 캘리브레이션 서버(500)는 BS I/F 보드(120) 및 UE I/F 보드(130)를 제어하여 이러한 CR 캘리브레이션 과정에서 CR 보상 필터(123d),(123u)의 초기값이 1(바이패스)로 설정되도록 한다. 이와 같이 하여 모든 다운링크 채널 및 업링크 채널에 대한 필터 계수가 산출되면 이를 적용하여 CR 보상 필터(123d),(123u)를 구성하게 된다.
도 7은 본 발명의 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터에서 사용되는 CR 보상 필터를 구체적인 예시한 기능 블록도이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 각각의 CR 보상 필터(123d),(123u)는 다운링크 및 업링크 채널 간의 주파수 응답의 차이를 보상하기 위해 서로 다른 값의 복소수(complex)로 된 41탭 이상의 비대칭 FIR(non-symmetric Finite Impulse Filter)로 구현될 수 있는바, 이러한 CR 보상 필터(123d),(123u)는 주파수에 따라 달라지기 때문에 필요시 리로드(re-load)가 가능해야 한다.
이상, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다. 예를 들어 전술한 실시예에서는 LTE를 예로 들어 설명을 진행하였으나, 그 기술 사상을 유지하는 범위 내에서 향후의 5G 기술에도 응용될 수 있을 것이다.
또한, '보드'나 '키트' 등의 용어는 논리적 또는 기능적인 설명의 편의상 임의로 차용한 것일 뿐이기에 권리범위를 한정하는 용도로 사용돼서는 안 되며, 각 기능 구성 역시 더 큰 단위로 통합되거나 작은 단위로 분리되어 설명될 수도 있을 것이다.
예를 들어 전술한 실시예에서는 1개의 BS I/F 보드에 4개의 기지국 안테나가 연결되고, 1개의 UE I/F 보드에 단말의 2개의 안테나가 연결되는 것으로 설명을 진행하였으나, 이에 국한되는 것은 아니고 1개의 BS I/F 보드에 1개의 기지국 안테나가 연결되거나 1개의 BS I/F 보드에 64개의 기지국 안테나가 모두 연결될 수도 있을 것이다. 이하의 청구범위는 BS I/F 보드와 UE I/F 보드에 복수의 안테나 포트 및 RF 채널 경로가 구비된 것으로 하여 기재되지만, 이에 국한되지 않음은 당연할 것이다.
100: 시뮬레이터 본체부, 110: 링크 프로세서(LP) 보드,
120: 기지국 인터페이스(BS I/F) 보드,
121d, 121u: SFP I/F, 122d, 122u: 신호 생성/분석부,
123d, 123u: CR 보상 필터,
124d, 124u: 크기/위상 교정부, 125d, 125u: 프랙셔널 딜레이 교정부,
126d, ADC, 126u: DAC,
127d, 127u: 이득 조정부, 128: 업/다운 컨버터,
130: 단말 인터페이스(BS I/F) 보드,
200: 교정 키트, 210: 제1 신호 분배기,
220: 제2 신호 분배기, 300: 테스트 매니저,
400: 시나리오 서버, 500: 캘리브레이션 서버,
600: 매시브 MIMO 기지국, 700: 단말,
MP: 메인 포트, TP 테스트 포트

Claims (8)

10개 이상의 안테나를 갖는 기지국의 각 안테나 포트에 대한 RF 신호 처리를 수행하되 각 안테나 포트별로 캘리브레이션시 사용되는 테스트 포트와 기지국에 연결되는 메인 포트를 구비한 BS I/F 보드, 1개 이상의 안테나를 갖는 단말의 각 안테나 포트에 대한 RF 신호 처리를 수행하되 각 안테나 포트별로 캘리브레이션시 사용되는 테스트 포트와 기지국에 연결되는 메인 포트를 구비한 UE I/F 보드 및 BS I/F 보드와 UE I/F 보드 사이의 각 채널별 페이딩 처리를 수행하는 LP 보드가 구비된 본체부;
상기 테스트 포트를 통하여 BS I/F 보드와 UE I/F 보드를 외부에서 연결하는 교정 키트;
LP 보드의 페이딩 처리를 제어하는 시나리오 서버 및
캘리브레이션 과정에서 시나리오 서버를 통해 LP 보드를 단순 연결 모드로 제어하고, 캘리브레이션 종류에 따라 BS I/F 보드와 UE I/F 보드를 제어하여 안테나 포트 전부를 일괄적으로 테스트 포트측으로 연결하거나 하나씩 테스트 포트에 연결하는 캘리브레이션 서버를 포함하여 이루어진 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터.
청구항 1에 있어서,
교정 키트는 상호 다른 방향으로 결합되어 BS I/F 보드의 안테나 포트 및 UE I/F 보드의 안테나 포트가 각각 연결되는 제1 및 제2 신호 분배기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터.
청구항 2에 있어서,
캘리브레이션 서버는 위상/크기 캘리브레이션 수행시 모든 안테나 포트를 일괄적으로 테스트 포트측으로 연결하고,
BS I/F 보드 및 UE I/F 보드에는 각각 안테나 포트별로 위상/크기 오프셋을 교정하는 위상/크기 교정부가 구비되고,
캘리브레이션 서버는 위상/크기 교정부를 제어하여 모든 안테나 포트별 위상/크기 오프셋의 차이가 기준치 이내로 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터.
청구항 3에 있어서,
BS I/F 보드 및 UE I/F 보드에는 각각 안테나 포트별 위상/크기 오프셋의 소수배 시간 지연을 교정하는 프랙셔널 딜레이 교정부가 구비되고,
캘리브레이션 서버는 프랙셔널 딜레이 교정부를 제어하여 소수배 시간 지연 성분을 보상하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터.
청구항 4에 있어서,
캘리브레이션 서버는 테스트 포트와 메인 포트 사이의 오프셋을 반영하여 위상/크기 교정부를 제어하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터.
청구항 2에 있어서,
캘리브레이션 서버는 CR 캘리브레이션 수행시 각 안테나 포트를 하나씩 테스트 포트측으로 연결하고,
BS I/F 보드 및 UE I/F 보드에는 각각 안테나 포트별로 주파수 응답의 차이를 보상하는 CR 보상 필터가 구비되고,
캘리브레이션 서버는 모든 안테나 포트별 주파수 응답을 측정한 후에 모든 안테나 포트별 주파수 응답이 동일해지도록 CR 보상 필터를 구성하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터.
청구항 6에 있어서,
캘리브레이션 서버는 BS I/F 보드나 UE I/F 보드 중 어느 일측의 모든 안테나 포트의 주파수 응답을 동일하게 만든 후에 나머지 일측에서 이를 역 보상하는 방식으로 CR 보상 필터를 구성하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터.
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
캘리브레이션 서버는 캘리브레이션에 사용되는 참조 신호로서,
Figure 112018019476381-pat00011
로 정의되는 변형 자도프-추 신호를 사용하는 것을 특징으로 하는 캘리브레이션 기능을 구비한 매시브 MIMO용 채널 시뮬레이터.
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