KR102088984B1

KR102088984B1 - 밀리미터파 이동통신 시스템에서 저 복잡도의 공간분할다중접속 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102088984B1
Application number: KR1020130013556A
Authority: KR
Inventors: 파루크 칸; 스리다 라자고팔.; 아부-수라 사디; 조우유에 피
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2020-03-16
Also published as: EP2813041B1; US20130202054A1; WO2013119039A1; US9444534B2; EP2813041A4; KR20130090847A; EP2813041A1

Abstract

시스템은 공간분할다중접속을 수행하도록 구성된다. 그 시스템은 분극 배열(polarization alignment)이 가능한 적어도 하나의 송신기 또는 수신기를 포함한다. 그 송신기는 신호를 프리코딩하는 기저대역 프리코더, 서브 어레이 안테나의 어레이 및 복수의 무선 주파수(RF) 체인을 포함한다. 각 RF 체인은 상기 어레이의 각 안테나 서브 어레이에 결합된다. 송신기는 기저대역 프리코더가 공간분할다중접속(SDMA) 신호를 프리코딩하는 단계를 포함하는 방법을 수행한다. 그 방법은 또한 복수의 RF 체인 각각이 신호에 위상천이 및 빔포밍 가중치를 적용하고, 위상천이되고 가중된 신호를 서브 어레이 안테나의 어레이를 통해 송신하는 단계를 포함한다.

Description

밀리미터파 이동통신 시스템에서 저 복잡도의 공간분할다중접속 장치 및 방법 {APPARAUS AND METHOD FOR LOW COMPLEXITY SPATIAL DIVISION MULTIPLE ACCESS IN A MILLIMETER WAVE MOBILE COMMUNICATION SYSETM}

본 발명은 일반적으로 밀리미터파 통신 네트워크에 관한 것으로, 특히 밀리미터파 통신 네트워크에서 저복잡도의 공간분할다중접속(SDMA)에 관한 것이다.

이동 통신은 20세기에서 가장 성공적인 혁신들 중 하나였다. 최근 이동통신 서비스 가입자의 수는 45억명을 초과했고 빠르게 성장하고 있다. 동시에 증가하고 있는 요구를 만족시키고, 더 많은 그리고 더 나은 이동통신 애플리케이션과 서비스를 제공하도록 새로운 이동통신 기술들이 개발되어 왔다. 그러한 시스템들의 일부 예들로 3GPP2에 의해 개발된 코드분할다중접속 2000(CDMA 2000) 1xEV-DO 시스템, 제3세대 파트너쉽 프로젝트(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)에 의해 개발된 WCDMA, HSPA 및 롱텀에볼루션 (Long Term Evolution, LTE) 시스템, 및 국제전기전자학회(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)에 의해 개발된 이동 WiMAX 시스템이 있다. 점점 더 많은 사람들이 이동통신 시스템의 사용자가 되고, 더욱 더 많은 서비스들이 이 시스템들을 통해 제공되면서, 보다 큰 용량, 보다 높은 스루풋(throughput), 보다 낮은 레이턴시(latency) 그리고 보다 나은 신뢰도를 갖는 이동통신 시스템에 대한 요구가 증가하고 있다.

밀리미터파는 무선 주파수 30GHz - 300GHz 에 해당하는 1mm-10mm 범위의 파장을 갖는 전파이다. 국제전기통신연합(ITU)에 의한 정의에 따르면, 이 주파수들은 또한 극고주파(EHF) 대역으로 칭해진다. 이 전파는 고유의 전파 특성을 보인다. 예를 들어, 저주파수 전파와 비교해 손실이 더 높고, 빌딩, 벽, 나뭇잎과 같은 물체를 통과하는 능력이 떨어지며, 공기중 입자 (예를 들어, 빗방울)에 의해 대기 중에서 더 쉽게 흡수, 편향 및 회절되기 쉽다. 또는, 보다 작은 파장으로 인해 상대적으로 작은 지역에 더 많은 안테나들이 채워질 수 있고, 따라서 작은 폼 팩터(form factor)로 고이득의 안테나가 가능하다. 또한 상술한 약점으로 간주되는 것에 의해 이 전파는 저주파 전파보다 덜 사용되어 왔다. 이는 또한 저 비용으로 이 대역에서 스펙트럼을 획득하는 새 비지니스에 대한 특별한 기회를 제공한다. ITU는 3GHz-30GHz의 주파수를 초고주파(SHF)로 정의한다. 그러나 초고주파 대역의 일부 고주파들 또한 EHF 대역(즉, 밀리미터파)에서 큰 전파 손실 및 작은 폼 팩터에서 고이득 안테나 구현 가능성과 같은, 전파와 동일한 거동을 보인다.

밀리미터파 대역에서는 막대한 양의 스펙트럼이 사용가능하다. 예를 들어, 보통 60GHz 대역이라고 하는, 60 GHZ 근처의 주파수들은 대부분의 국가에서 무면허(unlicensed) 스펙트럼으로 사용할 수 있다. 미국에서는 60GHz 근처의 7GHz 스펙트럼(57GHz-64GHz)이 무면허 사용용으로 할당되어 있다. 2003년 10월 16일, 연방통신위원회(FCC)는 미국에서 고선명 고정 무선 서비스를 위해 12.9GHz의 스펙트럼을 할당한다는 보고 및 명령을 발표했다 (71-76 GHz, 81-86 GHz, 및 92-95 GHz, 94.0-94.1 GHz는 연방정부 사용용으로 제외). 71-76 GHz, 81-86 GHz, 및 92-95 GHz에서의 주파수 할당은 총체적으로 E-대역으로 지칭된다. 이는 지금까지 FCC에 의한 최대 스펙트럼 할당으로 - 전체 셀룰러 스펙트럼보다 50배 큰 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 송신기와 공간분할다중접속 방법을 제공함에 있다.

본 발명은 송신기를 제공한다. 이 송신기는 신호를 프리코딩하는 기저대역 프리코더를 포함한다. 송신기는 또한 신호에 위상 천이 및 빔포밍(baemforming) 가중치를 적용한 복수의 무선(RF) 체인과 서브 어레이 안테나의 어레이를 포함한다. 각 RF 체인은 상기 어레이의 각 서브 어레이와 결합된다.

본 발명은 공간분할다중접속 방법을 제공한다. 이 방법은 기저대역 프리코더가 공간분할다중접속(SDMA) 신호를 프리코딩하는 단계를 포함한다. 방법은 또 복수의 RF 체인들 각각이 신호에 위상 천이 및 빔포밍 가중치를 적용하는 단계도 포함한다. 방법은 또 위상천이되고 가중된 신호를 상기 어레이의 각 안테나 서브 어레이를 통해 송신하는 단계를 더 포함한다. 각 RF 체인은 안테나 어레이의 각 안테나 서브 어레이에 결합된다.

하기 상세한 설명을 작성하기 전, 본 특허문서 전체에서 사용되는 단어와 구문에 대한 정의를 제시하는 것이 유리할 수 있다: 용어 "포함하다" 및 "구비하다"와 그 파생어들은 제한이 없는 포함을 의미한다; 용어 "또는"은 포괄적인(inclusive) 것으로 '및/또는' 을 의미한다; 구문 "..와 연계된" 및 "..그 안에서 연계된"과 그 파생어들은 포함, ..내에서 포함, 상호연결, 함유, ..내에서 함유된, ..에 또는 ..와 연결된, ..에 또는 ..와 결합된, ..와 통신가능한, ..와 협력하는, 끼우다, 병치하다, 근접한, ..해야 하는 또는 ..에 묶인, 갖다, ..의 특징을 갖다, 등을 의미할 수 있다; 그리고 용어 "제어부"는 적어도 하나의 동작을 제어하는 임의의 디바이스, 시스템 또는 그 일부를 의미하며, 그러한 디바이스는 하드웨어, 펌웨어 또는 소프트웨어, 또는 그들의 적어도 두 개의 결합으로 구현될 수 있다. 임의의 특별한 제어부와 연계된 기능은 집중되어 있거나 국부적으로 혹은 먼 거리에 배분될 수 있다. 어떤 단어와 구문들에 대한 정의들은 본 특허문서 전체에 대해 제공되며, 이 기술이 속한 분야의 당업자는 대부분은 아니더라도 많은 경우 그러한 정의들이 미래뿐만 아니라 그 이전에도 그렇게 정의된 단어와 구문들을 사용하는데 적용된다는 것을 이해해야할 것이다.

본 발명에 따르면 밀리미터파 통신 네트워크에서 저복잡도의 공간분할다중접속( SDMA )을 구현할 수 있는 이점이 있다.

본 발명과 그 장점에 대한 보다 완전한 이해를 위해 첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명이 이뤄진다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다:
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 동적 빔포밍을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 2차원 어레이를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 송신 빔포밍을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 수신 빔포밍을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 평면 어레이의 기하학적 구조를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 디지털 빔포밍을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 아날로그 빔포밍을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 무선 주파수(RF) 빔포밍을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 하이브리드 빔포밍 구조를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 밀리미터파(mmW) 이동통신시스템을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 SDMA 시스템을 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 SDMA 구조를 도시한 것이다.
도 13 내지 16은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 이득을 도시한 것이다.
도 17A 및 17B는 본 발명의 실시예들에 따른 안테나 어레이 종류들을 도시한 것이다.

하기에서 논의되는 도 1 내지 17B, 및 본 특허 문서에서 본 발명의 원리를 설명하기 위해 사용되는 다양한 실시예들은 단지 설명을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하기 위해 임의의 방식으로 해석되어서는 안된다. 본 기술이 속하는 분야의 당업자는 본 발명의 원리가 임의의 적절하게 배열된 무선 통신 시스템으로 구현될 수 있음을 이해할 것이다.

전자부품을 이용한 밀리미터파 무선 통신은 수년동안 존재해 왔다. 일부 기업들은 기가-bps 데이터 속도를 달성할 수 있는 밀리미터파 통신 시스템을 개발해 왔거나 하고 있다. 예를 들어 아시마토스 와이어리스(Asyrmatos Wireless)는 수 킬로미터의 거리에 대해 10Gbps 데이터 전송이 가능한 밀리미터파 통신 시스템을 개발했다. 아시마토스 트랜시버는 포토닉스(photonics)를 기반으로 하여, 140 GHz (F-대역), 94 GHz (W-대역), 70/80 GHz (E-대역), 및 35 GHz(Ka-대역)와 같이 다양한 밀리미터파 대역에서 동작하는 유연성을 제공한다. 다른 예로서, 기가빔(GigaBeam)사는 70GHz 및 80GHz 대역에 대한 멀티 기가비트 무선 기술을 개발했다. 그러나 이 기술들은 비용, 복잡도, 전력소모 및 폼팩터와 같은 문제 때문에 상업적인 이동 통신에는 적합하지 않다. 예를 들어 기가빔사의 와이파이버(WiFiber) G- 1.25 기가 bps 무선 라디오는 점대점(point-to-point) 링크 품질을 위해 요구되는 안테나 이득을 달성하려면 2피트 길이의 안테나가 요구된다. 전력 증폭기, 저잡음 증폭기, 믹서, 발진기, 합성기, 도파로 등을 포함해 이 시스템에 사용되는 전자부품은 크기가 너무 크고 너무 많은 전력을 소모하므로 이동통신에는 적용할 수 없다.

근거리 무선 통신에 밀리미터파를 사용하기 위해 많은 공학기술과 사업적인 노력이 투입되어 왔고, 투입되고 있다. 몇몇 기업들과 산업 컨소시엄이 수 미터(10미터까지) 내에서 무면허 60GHz 대역을 사용해 기가-bps 속도로 데이터를 전송하기 위한 기술과 표준을 개발해 왔다. 몇몇 산업 표준들이 개발되어 왔는데, 예를 들어, WirelessHD 기술, ECMA-387, "고속 60GHz PHY, MAC 및 HDMI PAL", 2008, 12월, 및 IEEE 802.15.3c IEEE 802.15.3c, "고속 무선 개인통신망들(WPANs)을 위한 무선 매체접속제어 (MAC) 및 물리계층 (PHY) 규격: 밀리미터파 기반의 대체 물리계층 확장 개정", 2009, 10월 이 있으며, 페라히어, E., 코르데이로, C., 박민영, 양 L.L, "IEEE 802.11ad: 차세대 멀티-Gbps Wi-Fi 정의", 2010년 7차 IEEE 소비자 통신 및 네트워킹 회의(CNCC), vol., no., pp.1-5, 9-12 2010, 1월, 에서의 무선기가비트협회(WGA) 및 IEEE 802.11 작업 그룹 ad(TGad)와 같은 다른 기구들도 적극적으로 경쟁적인 근거리 60GHz 기가-bps 연결(connectivity) 기술을 개발하고 있다. 각각의 내용은 본원에 의해 참조로 포함된다. 집적회로(IC)에 기반한 트랜시버도 또한 이 기술들의 일부에 사용될 수 있다. 예를 들어, 버클리 무선 연구센터(BWRC)와 조지아 전자설계센터(GEDC)는 저비용, 저전력 60GHz RFIC 및 안테나 솔루션 개발에 중요한 진전을 이뤘다. 그 내용이 본원에 의해 참조로 포함되는, 도안 C.H., 에마미 S., 닉네자드 A.M., 브로더슨 R.W., "밀리미터파 CMOS 설계", 고체 회로 (Sloid-State Circuits) IEEE 저널, vol.40, no.1, pp. 144- 155, 2005년 1월, 에서 BWRC 연구원들은 60GHz 전력증폭기들이 130nm 벌크 '디지털' CMOS로 설계 및 제작될 수 있음을 보였다. 2004년 SiBeam 사가 공동설립한 BWRC의 연구원들로 이루어진 핵심 팀은 WirelessHD 기술을 위해 CMOS 기반의 RFIC 및 기저대역 모뎀을 개발했다. 근거리 60GHz 연결 기술의 가장 큰 난제가 RFIC 라는 것이 공통된 관점이라는 사실을 말해 둬야겠다. 따라서 보다 전력에서 효율적인 60GHz RFIC들의 개발에 많은 공학기술과 노력이 투입되어 왔다. 많은 설계와 기술들이 70-80-90 GHz 대역과 같은 다른 밀리미터파 대역을 위한 RFIC 설계로 이전됐다. 오늘날 60GHz가 여전히 저효율과 고비용 문제를 겪고 있지만 밀리미터파 RFIC 기술의 진보는 고효율, 저비용 방향을 지향하고 있으며, 이는 결국 밀리미터파 RFIC들을 사용해 장거리 통신을 가능하게 할 수 있다.

밀리미터파에서 전파 손실을 극복하기 위해 빔포밍이 채용될 수 있다. 빔포밍은 특히 밀리미터파에서 더 많은 안테나들이 비교적 작은 지역에 배치될 수 있어 고이득 빔포밍이 가능할 때 유리하다.

빔포밍은 무선 시스템에서 지향성 신호의 전송 또는 수신에 사용되는 신호처리기술이다. 공간 선택률은 적응형 수신/송신 빔 패턴을 사용하여 달성될 수 있다. 송신시, 빔포머는 각 송신기 안테나에서 신호의 위상과 상대적인 진폭을 제어하여 파면(wavefront)에서 보강 및 상쇠 간섭패턴을 생성할 수 있다. 수신기는 기대 방사패턴이 우선 관측되는 방식으로 다른 안테나들로부터의 정보를 결합한다. 무지향성 수신/송신과 비교되는 개선은 수신/송신 이득으로 알려져 있다. 예를 들어, 송신 안테나가 N개인 경우,

dB의 송신 빔포밍 이득을 얻을 수 있다. 이는 N개 안테나로부터의 총 송신 전력이 단일 무지향성 안테나로부터의 송신 전력과 같다는 것을 가정한 것이다. 유사하게, 수신 안테나가 M개인 경우,

dB의 수신 빔포밍 이득을 얻을 수 있다. 송신 및 수신 빔포밍이 N개의 송신 안테나와 M개의 수신 안테나를 통해 이뤄지면, 총

dB의 결합 빔포밍 이득을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 동적 빔포밍을 도시한 것이다. 도 1에 도시된 동적 빔포밍에 대한 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

등간격 선형 어레이(ULA)를 갖는 트랜시버(100)는 위상 제어에 기반한 가중치(105)를 조절함으로써 동적 빔포밍을 실행한다. 다중 안테나(110)로부터 송신된 (또는 수신된) 신호에 대해 적절한 위상 조절을 사용함으로써 빔(115)은 특정 방향으로 스티어링(steer)될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 2차원(2D) 어레이를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 2D 어레이(200)의 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

ULA를 구비한 송신기는 안테나 엘레멘트들의 중심선을 포함하는 단일 평면에서 빔을 스티어링할 수 있다. 빔을 기지국으로부터의 수평 및 수직 스티어링과 같이 임의의 방향으로 스티어링하기 위해서 송신기는 도시된 것과 같은 2D 안테나 어레이(200)를 채용한다. 어레이 격자(205)는 동일하거나 혹은 동일하지 않은 행 간격(d_x)(210) 및 열 간격(d_y)(215)을 가질 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 송신 빔포밍을 도시한 것이다. 도 3에 도시된 송신 빔포밍(300)의 실시예들은 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

송신기는 i번째 송신 안테나로부터 송신된 신호(310)에 빔포밍 가중치 또는 이득 g_i(305)를 적용한다. 송신기는 이득(305)을 적용하여 각 송신 안테나(315)로부터 송신되는 신호(310)의 위상 및 상대적인 진폭을 조정한다. 신호(310)은 각 송신 안테나(315)로부터의 송신을 위해 별도로 증폭될 수 있다(320). 어떤 실시예들에서, 송신 안테나들(315)의 수와 관계없이 단일 증폭기(320)가 사용된다. 어떤 실시예들에서, 송신기는 송신 안테나들(315)의 수보다 더 작은 수의 증폭기들(320)을 포함한다. 즉, 송신 안테나들(315)의 수보다 더 작은 수의 증폭기들(320)이 사용된다. 어떤 실시예들에서 빔포밍 가중치 또는 이득(305)은 신호 증폭(320) 전에 적용된다. 어떤 실시예들에서 빔포밍 가중치 또는 이득(305)는 신호 증폭(320) 후에 적용된다.

도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 수신 빔포밍을 도시한 것이다. 도 4에 도시된 수신 빔포밍(400)의 실시예들은 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

각 수신 안테나(405)로부터 수신된 각 신호는 저잡음 증폭기(LNA)(410)에 의해 증폭된다. 수신기를 i 번째 수신 안테나(405)로부터 수신되어 증폭된 신호(420)에 빔포밍 가중치 또는 이득 g_i(415)을 적용한다. 수신기는 이득(415)를 사용하여 각 수신안테나(405)로부터 수신된 신호(420)의 위상과 상대적인 진폭을 조정한다. 위상 및 진폭이 조정된 신호들은 결합되어 수신 신호(420)를 만든다. 수신 빔포밍 이득(415)은 각 수신 안테나로부터의 신호들에 대한 코히런트(coherent) 또는 보강 결합으로 얻어진다.

도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 평면 어레이의 기하학적 구조를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 기하학적 구조에 대한 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

행과 열로 된 안테나 엘레멘트들(505)의 수는 각각 y축 (510) 및 x축(515)을 따라 빔 스티어링 능력을 결정한다. 예를 들어, y축(510)을 따라 더 많은 안테나들(505)이 있다면 빔(520)은 y축(510)을 따라 더 큰 그래뉼래티(granularity)와 유연성을 갖고 스티어링된다. x축(515)을 따르는 안테나들(505)의 수가 더 많으면 또한 빔(520)이 더 좁아지고, 안테나 수가 증가하면서 x축(515)을 따라 빔폭(535)이 결정된다. 따라서 특별한 애플리케이션을 위한 평면 어레이의 기하학적 구조가 빔폭과 빔 스티어링 요구조건을 기반으로 선택될 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 디지털 빔포밍을 도시한 것이다. 도 6에 도시된 디지털 빔포밍(600)은 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

도 6에 도시된 예에서, 송신기(605)는 디지털 빔포밍 기술을 사용하여 신호를 송신한다. 수신기(610)는 해당 디지털 빔포밍 기술을 사용하여 신호를 수신한다.

성능, 복잡도 및 유연성간의 다른 트레이드오프(tradeoff)를 할 수 있게 하는 다른 빔포밍 아키텍쳐(architecture)가 가능하다. 예를 들어, 디지털 빔포밍 접근법(600)은 M(N) 풀 트랜시버를 갖는 매우 높은 하드웨어 복잡도를 요구하는 반면 모든 채널 조건에 대해 최적의 용량을 가능하게 한다. 이 아키텍쳐는 또한 매우 높은 시스템 전력 소모를 가져온다. 송신기(605)에서 빔포밍 가중치(615)

는 아날로그로 신호변환되기 전, 즉, 디지털-아날로그 변환(DAC) 블록(620) 전에 적용된다. 수신기(610)에서 빔포밍 가중치(625)

는 신호가 아날로그-디지털 변환(ADC)기(630)를 사용하여 디지털로 변환된 후에 적용된다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 아날로그 빔포밍을 도시한 것이다. 도 7에 도시된 아날로그 빔포밍(700)은 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

도 7에 도시된 예에서, 송신기(705)는 아날로그 빔포밍 기술을 사용하여 신호를 송신한다. 수신기(710)는 해당 아날로그 빔포밍 기술을 사용하여 신호를 수신한다.

아날로그 기저대역 빔포밍(700)은 중간 복잡도 및 전력소모를 일으키는 데이터 변환기들(ADC/DAC)의 수를 감소시키는 반면, 빔포밍 제어에서 일부 유연성을 잃는다. 송신기(705)의 빔포밍 가중치(715)

는 아날로그로 신호 변환 후, 즉, 디지털-아날로그 변환(DAC) 블록(720) 이후에 적용된다. 수신기(710)에서 빔포밍 가중치(725)

는 신호가 아날로그-디지털 변환(ADC)기(730)를 사용해 디지털로 변환되기 전에 적용된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무선 주파수(RF) 빔포밍을 도시한 것이다. 도 8에 도시된 RF 빔포밍(800)은 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

도 8에 도시된 예에서, 송신기(805)는 아날로그 빔포밍 기술을 사용하여 신호를 송신한다. 수신기(810)는 해당 아날로그 빔포밍 기술을 사용하여 신호를 수신한다.

RF 빔포밍(800)은 데이터 변환기들(ADC/DAC)의 수를 감소시키는 것 외에 요구되는 믹서의 수를 감소시킨다. 따라서 가장 낮은 복잡도와 전력 소모를 제공할 수 있다. 그러나 이러한 복잡도의 감소는 다수의 사용자들에게 동시에 서비스하는 다중 접속에 대한 제한된 옵션들뿐만 아니라 빔포밍 제어에서 유연성을 감소시키는 댓가로 이뤄진다. 송신기(805)에서 빔 포밍 가중치(815)

는 신호가 RF 주파수로 상향변환된 후, 즉 믹서 블록(820) 이후에 적용된다. 수신기(810)에서 빔포밍 가중치(825)

는 신호가 RF로부터 하향변환되기 전, 즉, 믹서 블록(830) 전에 적용된다.

WirelessHD 기술, ECMA-387, IEEE 802.15.3c, 및 IEEE 802.11ad와 같은 현재의 동등계층(Peer-to-Peer, P2P) 밀리미터파 표준은 송신기와 수신기 모두에 적응형 안테나 어레이를 채용한다. 그러나 이 시스템에 채용된 안테나 어레이는 단일 사용자에게 전송을 하기 위한 것으로, 공간다중접속(SDMA)을 사용하여 다수의 사용자들에게 동시에 서비스할 때에는 지원되지 않는다.

도 9는 본 발명에 따른 실시예들에 따른 하이브리드 빔포밍 아키텍쳐를 도시한 것이다. 하이브리드 빔포밍은 기저대역에서 디지털 프리코딩과 위상 천이기를 사용한 RF/아날로그 프리코딩을 결합하여 사용하는 빔포밍을 말한다. 도 9에 도시된 하이브리드 빔포밍 아키텍쳐(900)에 대한 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

디지털 및 아날로그 빔포밍을 갖는 하이브리드 아키텍쳐는 과거에도 고려되었다. 이 아키텍쳐에서 모든 RF 체인들은 RF 체인의 수와 동일한 입력 수를 갖는 결합기들(combiners)을 사용하는 모든 안테나들과 연결되어 신호들이 모든 안테나로부터 전송된다. 하이브리드 빔포밍 아키텍쳐에서 U는 사용자들의 수, S는 사용자별 스트림 개수이다. 이 정보(U*S)는 [US×K]의 크기를 갖는 디지털 기저대역 프리코더(905)로 전송된다. 여기서 K는 RF 체인들(910)의 수이다. 각 RF 체인(910)은 K개 입력을 갖는 결합기를 통해 동일한 N개의 안테나들(915) 세트에 연결된다. 또한 기저대역 프리코더로 불리는 디지털 프리코더(905)는 각 RF 체인(910)에 정보(U*S)의 프리코딩된 버전을 제공한다. 디지털 프리코더(905)는 또한 정보(U*S)의 디지털 가중, 즉, 기저대역에서의 가중을 포함한다. 각 RF 체인(910)은 또한 아날로그 가중, 즉, RF에 대한 가중을 포함한다. 위상 천이는 위상 천이기(920)에 의해 적용된다. 위상 천이가 적용된 후, 각 RF 체인(910)으로부터의 신호는 결합기들(925)에 의해 결합되고, 그 각각은 각 안테나(915)에 결합된다.

수신기는 안테나를 통해 신호를 수신한다. 각 안테나는 해당 RF 체인에 의해 처리될 신호를 분리하는 각 결합기에 연결된다. 위상 천이 역시 각 RF 체인별로 신호에 적용된다. 각 RF 체인은 신호들을 처리하고 RF 가중을 적용한다. 각 RF 체인에 대한 신호들은 디지털 가중에 적용해 신호를 처리하는 기저대역 결합기에 의해 수신된다.

본 발명의 실시예들은 안테나 어레이 시스템과 밀리미터파 이동 통신을 위한 공간분할다중접속(SDMA)을 제공하는 장치 및 방법을 설명한다. 어떤 실시예들은 밀리미터파와 통신하는 맥락으로 개시되었지만, 그 실시예들은 분명 다른 통신 매체, 예를 들어 밀리미터파와 유사한 특징으로 보이는 3GHz-30GHz 주파수를 갖는 전파에 적용가능하다. 일부 경우에, 실시예들은 또한 테라헤르츠 주파수, 적외선, 가시광선 및 다른 광 매체를 갖는 전자기파에도 적용가능하다.

밀리미터파는 저주파 전파보다 더 큰 전파 손실을 겪는다. 이 더 큰 전파손실은 밀리미터파가 근거리(10m-100m) 또는 광역(>100m) 통신을 위해 사용될 때 두드러진다. 큰 전파손실을 보상하기 위해 높은 안테나 이득을 갖는 안테나들이 종종 밀리미터파 통신에 사용된다. 최근 비용면에서 효과적인 많은 안테나들과 RFIC 솔루션들이 밀리미터파 통신에 사용할 수 있게 되었다. 또한 밀리미터파의 작은 파장 (예를 들어 60GHz 반송파 주파수에 대해 λ=5mm) 때문에 빔포밍 목적의 안테나 크기와 이격거리는 매우 작아질 수 (약 λ/2) 있다. 밀리미터파 안테나의 작은 크기와 이격거리는 작은 영역에 많은 수의 안테나를 구비하게 하고, 이는 상대적으로 작은 영역에 고이득의 안테나 구현을 가능하게 한다.

설명을 위해, 어떤 실시예들은 기지국들과 이동국들만을 사용하여 도시되어 있다. 그러나 이동통신 기술은 당업자가 기지국들간의 릴레이 통신, 이동국들간의 직접 통신 및 다른 종류의 협력 통신과 같은 다른 진보된 시스템 기술도 지원될 수 있다는 것을 이해하도록 진화되어 왔다. 본 발명의 실시예들은 그러한 통신 시스템에 적용한다.

도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 밀리미터파(mmW) 이동 통신 시스템을 도시한 것이다. mmW 이동 통신시스템(1000)의 실시예는 단지 설명을 위해 도시된 것이다. 다른 실시예들도 본 발명이 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

어떤 실시예들에서, mmW 이동통신시스템(1000)은 기지국(BS)(1005)에서 기지국(1005)까지의 통신뿐만 아니라 기지국(1005)에서 이동국(MS)(1010)까지의 통신도 제공한다. 기지국(1005)에서 기지국(1005)까지의 통신은 기지국(1005)에서 이동국(1010) 통신까지의 통신과 동일한 시간-주파수 자원을 사용하여 이루어질 수 있다. 이는 mmW 주파수에서 큰 안테나 어레이에 의해 가능해진, 비간섭적인 좁은 빔에 의해 가능해진다. 기지국들 사이의 안테나 어레이 기반 백홀(backhaul) 통신의 다른 유리한 점은 가시거리가 장애물에 의해 차단된 경우 적응형 비가시거리(NLOS) 동작이 백홀(1015)에 대해 가능해질 수 있다는 것이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 SDMA 시스템을 도시한 것이다. 도 11에 도시된 SDMA 시스템(1100)은 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

도 11의 SDMA 시스템(1100)은 디지털 프리코더(1105)로 입력되는 다중 스트림들(S₁(t), S₂(t),…S_k(t))을 포함한다. 프리코더(1105)의 출력은 별도의 RF 체인들(1110)에게 전송되고, 여기에서 위상배열(phased array) 안테나를 통해 2차 아날로그 프리코딩이 이뤄진다. 각 RF 체인(1110)은 디지털-아날로그 변환기(DAC)(1115), 빔포밍 가중(1120) 및 안테나 어레이들(1130)에 결합된 전력 증폭기들(PA)(1125)을 포함한다. 이 아키텍쳐의 중요성은 각 RF 체인(1110)별 어레이들("서브 어레이"라 함)이 독립적이며 상호연결이 되어 있지 않다는 것이다. 따라서 각 RF 체인은 하나의 서브 어레이에 연결되어 안테나에 대한 서브 어레이 구조의 어레이로 이어진다. 더욱이 어떤 실시에들에서, 이 SDMA 시스템(1100) 구조에서의 안테나들(1130)은 서로 일정한 간격을 가질 수 있고, 단일 유닛으로 동작한다고 간주될 수 있다. SDMA 시스템(1100) 구조는 모든 안테나들(1130)과 위상 천이기들이 효과적으로 사용되는 디지털 프리코드(들)(1105)을 사용하고 빔포밍 이득(1120)을 제공하는 다중 사용자 시스템과 단일 사용자 시스템 사이를 유연하게 전환할 수 있다.

SDMA(1110) 시스템에서 수신기는 비교할만한 배열을 포함한다. 즉, 수신기는 복수의 체인들을 통해 송신기로부터 신호를 수신한다. 각 RF 체인에서 신호는 다수의 안테나들(1135) 중 적어도 하나에 의해 수신되고, LNA들(1140)에 의해 증폭되며, 빔포밍 가중치가 적용되고(1145), 아날로그-디지털 변환기(ADC)(1150)에 의해 변환되며, SDMA 처리 회로(1155)에 의해 처리된다.

도시된 실시예들에는 U명의 사용자들과 사용자당 S개의 스트림이 있다. 또한 RF 체인들의 수는 K이고 RF 체인당 전체 안테나 수는 N이다.

도 12는 본 발명에 실시예들에 따른 SDMA 아키텍쳐를 도시한 것이다. 도 12에 도시된 SDMA 아키텍쳐(1200)는 RF 체인들과 안테나들 사이에 상호연결이 없다. 도 12에 도시된 SF 체인들과 인테나들 사이에 상호연결이 되어 있지 않은 SDMA 아키텍쳐(1200)의 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

SDMA 아키텍쳐(1200)은 도 9에 도시된 하이브리드 빔포밍 아키텍쳐(900)의 구현을 대폭 간소화한 것이다. 예를 들어, 비교를 위해, 안테나들(1205)의 수가 N으로 유지된다면 위상 천이기들과 결합기들의 수는 감소된다. 즉, 위상 천이기들의 수는 N/K로 감소하고 어떠한 결합기도 필요하지 않다. 또는 같은 수의 위상 천이기들을 유지함으로써 이 SDMA 아키텍쳐(1200)는 도 9에 비해 K배 많은 안테나를 제공하고, 안테나를 구비한 각 결합기에 트레이드오프를 제공한다.

또한, SDMA 아키텍쳐(1200)는 감소된 상호연결 복잡도를 제공한다. 예를 들어, 도 9의 시스템에서 각 RF 체인(910)은 각 안테나(915)에 결합된다. 따라서 적어도 RF 체인(910)은 각 안테나(915)로부터 상당한 거리만큼 떨어져서 배치된다. 가장 멀리 있는 RF 체인(910)에서 각 안테나까지의 경로 길이는 시스템에 손실과 제한을 야기한다.

전통적인 아키텍쳐는 RF 체인당 N의 빔포밍 이득을 제공하는 반면, 새 SDMA 아키텍쳐(1200)는 (각 결합기가 안테나로 대체된 것을 가정하면) N 내지 N*K의 빔포밍 이득을 제공할 수 있으며, 여기서 이득은 송신과 수신 방향에 의해 결정된다. 빔포밍 이득은 모든 안테나들이 동일한 방향을 향할 때 K*N이다.

도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 이득을 도시한 것이다. 도 13에 도시된 송신기(1300) 시스템에서 사용자들은 다른 방향에 있도록 예정된다. 도 13에 도시된 송신기(1300) 시스템과 빔포밍 이득에 대한 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명이 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

아날로그 빔포밍(1305)은 일반적인 빔 방향의 형상을 갖도록 사용되고 디지털 빔포밍(1310)은 아날로그 빔포밍에 의해 결정된 형상 내에서 동작한다. 예를 들어, 도 13에서 모든 사용자들이 다른 방향으로 향해 있고, 각 RF 체인에 대한 빔포밍(1305)이 다른 방향을 향한다면, 각 방향에 대한 빔포밍 이득은 적어도 10*log₁₀(N) (여기서 N은 RF 체인당 안테나 수)와 같다. 즉, 각 방향에 대한 빔포밍 이득은 수학식 1에 따라 정의될 수 있다.

<수학식 1>

10*log₁₀(N) ≤ 빔포밍 이득 ≤ 10*log₁₀(N*K)

사용자들이 실질적으로 다른 방향을 향하고 있을 때, 디지털 프리코더(1315)는 빔포밍 이득에 중요한 영향을 미치지 않는다. 그러나 디지털 프리코더(1315) 가중치들은 전력 할당 또는, 예를 들어, 채널 응답에 대한 보상에 사용될 수 있다. 디지털 프리코더(1315)의 진폭과 위상 모두는 원하는 기능을 갖도록 변경될 수 있다.

도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 이득을 도시한 것이다. 도 14에 도시된 송신기(1400) 시스템에서 모든 사용자들은 동일한 방향을 향하도록 예정된다. 도 14에 도시된 송신기(1400) 시스템 및 빔포밍 이득에 대한 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

모든 사용자들이 동일한 방향에 있을 때, 모든 사용자들에 대한 시스템에서 10*log₁₀(N*K)의 빔포밍 이득이 얻어질 수 있다. 그러나 이것은 사용자들이 디지털 빔포밍(프리코딩)을 사용하여 다른 사용자들로부터 오는 신호들을 삭제해 사용자들을 공간적으로 분리할 수 있고 간섭 제거 기술을 사용하여 잔류(residual) 간섭을 억제할 수 있다는 것을 가정한다.

도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 이득을 도시한 것이다. 도 15에 도시된 시스템에서 송신기(1500)은 본 발명의 실시예들에 따른 단일 사용자의 구성을 채용한다. 도 15에 도시된 송신기(1500) 시스템과 빔포밍 이득의 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

어떤 실시예들에서, 안테나들은 유니터리(unitary) 프리코딩 행렬(1505)를 사용하여 동일 신호를 모든 RF 체인(1510)으로 전송함으로써 단일 사용자 시스템으로 동작하도록 유연하게 구성될 수 있다. 이 경우, 이 시스템에서 모든 안테나(1515)들은 동일한 신호를 모든 프리코더들(1520)로 전송하고, K×K (여기서, K는 RF 체인들(1510)의 수) 크기의 유니터리 프리코더(1505)를 사용함으로써 10*log₁₀(N*K)의 빔포밍 이득을 얻도록 사용된다.

도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 이득을 도시한 것이다. 도 16에 도시된 시스템에서 송신기(1600)는 본 발명의 실시예들에 따른 단일 사용자 다중 스트림 구성을 포함한다. 도 16에 도시된 송신기(1600) 시스템과 빔포밍 이득의 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

어떤 실시예들에서 다중 스트림은 도 16에 도시된 단일 사용자에게 전송될 수 있다. 어떤 실시예들에서 송신기(1600)는 여러 사용자들에게 공간적으로 다중화된 신호뿐만 아니라 단일 사용자에게 다중 스트림 결합을 송신할 수 있다.

도 17A 및 17B는 본 발명의 실시예들에 따른 안테나 어레이 종류들을 도시한 것이다. 도 17A 및 17B에 도시된 어레이 종류들에 대한 실시예들은 단지 설명을 위한 것이다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이 어떤 실시예들에서 안테나 어레이는 등간격 선형 어레이(1705)로 구성된다. 등간격 선형 어레이(1705)는 사용자(1720)별로 RF 체인(1715) 당 N개의 안테나들(1710)을 포함한다. 어떤 실시예들에서 안테나 어레이는 2D 평면 안테나(1725)와 같은 다른 어레이 구조로 구성될 수 있다.

본 발명은 예시적인 실시예와 함께 설명되었으나, 다양한 변경과 변형이 당업자에게 제안될 수 있다. 본 발명은 그러한 변경과 변형이 첨부된 청구범위의 범주에 포함되도록 의도되었다.

Claims

무선통신 네트워크에 사용하기 위한 장치에 있어서,
기저대역 프리코더;
복수의 무선 주파수(radio frequency, RF) 체인들, 상기 복수의 RF 체인들 중 각 RF 체인은 하나의 위상 천이기(phase shifter) 세트를 통해 하나의 서브 어레이와 연결되고;
복수의 위상 천이기 세트들; 및
복수의 서브 어레이들(sub-arrays)을 포함하는 어레이 안테나(array antenna)를 포함하고,
상기 기저대역 프리코더는 디지털 빔포밍 가중치를 적용하도록 구성되고,
상기 복수의 RF 체인들 중에서 제1 RF 체인 및 상기 복수의 위상 천이기 세트들 중에서 제1 위상 천이기 세트는 아날로그 빔포밍 가중치를 적용하도록 구성되고,
상기 복수의 서브 어레이들 중에서, 상기 제1 RF 체인 및 상기 제1 위상 천이기에 대응하는 제1 서브 어레이는 상기 디지털 빔포밍 가중치 및 상기 아날로그 빔포밍 가중치가 적용된 신호를 전송하도록 구성되는 장치.
제1항에 있어서,
상기 기저대역 프리코더는 상기 디지털 빔포밍 가중치를 신호에 적용하기 위한 디지털 프리코더를 포함하고,
상기 복수의 RF 체인들 각각은 DAC(digital-to-analog converter) 및 믹서(mixer)를 포함하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 RF 체인들은 제2 RF 체인을 더 포함하고,
상기 기저대역 프리코더는 상기 제1 RF 체인에 제1 프리코딩된 신호를 공급하고, 상기 제2 RF 체인에 제2 프리코딩된 신호를 공급하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 기저대역 프리코더 및 상기 복수의 RF 체인들은 상기 신호의 송신 방향에 기초하여 이득을 적용하도록 구성되고,
상기 이득은 상기 복수의 RF 체인들의 개수 또는 하나의 서브 어레이에 연결되는 안테나들의 개수 중 적어도 하나와 관련되는 장치.
제4항에 있어서,
상기 장치는 다른 방향에 위치하는 복수의 사용자들 각각에게 신호들을 공급하도록, 아날로그 빔포밍 가중치 및 디지털 빔포밍 가중치를 적용하도록 추가적으로 구성되는 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 RF 체인들은 제2 RF 체인을 더 포함하고,
상기 복수의 위상 천이기 세트들은 제2 위상 천이기 세트를 더 포함하고,
상기 복수의 서브 어레이들은 상기 제2 RF 체인 및 상기 제2 위상 천이기 세트에 대응하는 제2 서브 어레이를 포함하는 장치.
제6항에 있어서,
상기 아날로그 빔포밍 가중치는 제1 방향에 적용되고,
상기 디지털 빔포밍 가중치는 제2 방향에 적용되고,
상기 제1 방향 및 제2 방향은 동일한 장치와 관련된 장치.
제1항에 있어서,
상기 기저대역 프리코더는
유니터리 프리코딩 행렬을 적용하고,
동일하게 프리코딩된 신호를 각 RF 체인에 공급함으로써, 복수의 스트림들을 포함하는 다중-스트림을 단일 장치에게 제공하도록 구성되고,
상기 복수의 스트림들 중에서 각 스트림은 하나의 서브 어레이를 통해 송신되는 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 서브 어레이들 각각은 동일한 아날로그 빔포밍 가중치를 적용하도록 구성되고,
상기 복수의 서브 어레이들 각각은 서로 다른 디지털 빔포밍 가중치를 적용하도록 구성되는 장치.
제1항에 있어서,
상기 어레이 안테나는 2-차원 어레이 및 선형 어레이 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
무선 통신 네크워크에서 사용하기 위한 장치에 의해 수행되는 방법에 있어서,
기저대역 프리코더를 이용하여 디지털 빔포밍 가중치를 적용하는 과정;
복수의 위상 천이기 세트들 중에서 제1 위상 천이기(phase shifter) 세트 및 복수의 무선 주파수(radio frequency, RF) 체인들 중에서 제1 RF 체인을 이용하여 아날로그 빔포밍 가중치를 적용하는 과정, 상기 복수의 RF 체인들 중 각 RF 체인은 하나의 위상 천이기 세트를 통해 하나의 서브 어레이와 연결되고; 및
어레이 안테나(array antenna)의 복수의 서브 어레이들(sub-arrays) 중에서 상기 제1 RF 체인 및 상기 제1 위상 천이기에 대응하는 제1 서브 어레이를 이용하여, 상기 디지털 빔포밍 가중치 및 상기 아날로그 빔포밍 가중치가 적용된 신호를 전송하는 과정을 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 기저대역 프리코더는 상기 디지털 빔포밍 가중치를 신호에 적용하기 위한 디지털 프리코더를 포함하고,
상기 복수의 RF 체인들 각각은 DAC(digital-to-analog converter) 및 믹서(mixer)를 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍 가중치를 적용하는 과정은,
제1 프리코딩된 신호를 상기 제1 RF 체인에 공급하는 과정과,
제2 프리코딩된 신호를 상기 복수의 RF 체인들 중에서 제2 RF 체인에 공급하는 과정을 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 신호에 적용된 이득은 상기 신호의 송신 방향에 기초하고, 상기 복수의 RF 체인들의 개수 또는 하나의 서브 어레이에 연결되는 안테나들의 개수 중 적어도 하나와 관련되는 방법.
제14항에 있어서, 다른 방향에 위치하는 복수의 사용자들 각각에게 신호들을 공급하도록, 아날로그 빔포밍 가중치 및 디지털 빔포밍 가중치를 적용하는 과정을 더 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 복수의 RF 체인들은 제2 RF 체인을 더 포함하고,
상기 복수의 위상 천이기 세트들은 제2 위상 천이기 세트를 더 포함하고,
상기 복수의 서브 어레이들은 상기 제2 RF 체인 및 상기 제2 위상 천이기 세트에 대응하는 제2 서브 어레이를 포함하는 방법.
제16항에 있어서,
상기 아날로그 빔포밍 가중치는 제1 방향에 적용되고,
상기 디지털 빔포밍 가중치는 제2 방향에 적용되고,
상기 제1 방향 및 상기 제2 방향은 동일한 장치와 관련되는 방법.
제11항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍 가중치를 적용하는 과정은,
유니터리 프리코딩 행렬을 적용하는 과정과,
동일하게 프리코딩된 신호를 상기 각 RF 체인에 공급함으로써, 복수의 스트림들을 포함하는 다중-스트림을 단일 장치에게 제공하는 과정을 포함하고,
상기 복수의 스트림들 중에서 각 스트림은 하나의 서브 어레이를 통해 송신되는 방법.
제11항에 있어서,
상기 복수의 서브 어레이들 각각에게 서로 다른 디지털 빔포밍 가중치가 적용되도록 기저대역 프로세서를 제어하는 과정과,
상기 복수의 서브 어레이들 각각에게 동일한 아날로그 빔포밍 가중치를 적용되도록 상기 어레이 안테나를 제어하는 과정을 더 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 어레이 안테나는 2-차원 어레이 및 선형 어레이 중 적어도 하나를 포함하는 방법.