KR102111855B1 - 그룹배열안테나 기반의 mimo 송수신 방법, mimo 송신기 및 mimo 수신기 - Google Patents

그룹배열안테나 기반의 mimo 송수신 방법, mimo 송신기 및 mimo 수신기 Download PDF

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Abstract

그룹배열안테나 기반의 MIMO 송수신 방법은 송신기의 제1 그룹배열안테나가 제1 신호를 송신하고, 상기 송신기의 제2 그룹배열안테나가 제2 신호를 송신하는 단계 및 수신기의 제3 그룹배열안테나가 상기 제1 신호를 수신하고, 상기 수신기의 제4 그룹배열안테나가 상기 제2 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나를 포함하고, 상기 2개의 배열안테나는 전자기파의 반파장(λ/2)보다 큰 이격 거리를 갖고, 상기 2개의 배열안테나로 전달되는 신호는 서로 180도 위상차를 갖고, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 이용하여 MIMO(Multiple Input Multiple Output ) 통신을 수행한다.

Description

그룹배열안테나 기반의 MIMO 송수신 방법, MIMO 송신기 및 MIMO 수신기{METHOD FOR MIMO TRANSMISSION AND RECEPTION BASED ON GROUP ARRAY ANTENNAS, MIMO TRANSMITTER AND MIMO RECEIVER}
이하 설명하는 기술은 다중 신호를 전송하는 송수신 장치 및 송수신 방법에 관한 것이다.
MIMO(multiple-input and multiple-output) 전송기술은 공간자원을 활용하여 동일한 시간/주파수 자원을 통해 다수의 심볼들을 동시에 송수신하는 기술이다. MIMO는 이상적인 환경(rich scattering)에서 송신 및 수신안테나의 수가 N이라고 할 때 최대 N개의 심볼들을 동시에 전송함으로써 높은 주파수 효율을 얻는 장점을 가진다.
한국공개특허 제10-2017-0108422호
종래 MIMO 기술은 송신기와 수신기 사이의 무선채널이 직접경로(direct path)만을 갖는 LoS(line-of-sight) 채널인 경우에 송신기와 수신기 사이의 거리가 증가함에 따라 동시에 전송할 수 있는 심볼들의 수(즉, 채널의 rank)가 급격하게 감소하는 문제점이 있다. 이하 설명하는 기술은 LoS 채널 환경에서도 송수신 거리의 제약을 극복하는 MIMO 통신 기법을 제공하고자 한다.
그룹배열안테나 기반의 MIMO 송수신 방법은 송신기의 제1 그룹배열안테나가 제1 신호를 송신하고, 상기 송신기의 제2 그룹배열안테나가 제2 신호를 송신하는 단계 및 수신기의 제3 그룹배열안테나가 상기 제1 신호를 수신하고, 상기 수신기의 제4 그룹배열안테나가 상기 제2 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나를 포함하고, 상기 2개의 배열안테나는 전자기파의 반파장(λ/2)보다 큰 이격 거리를 갖고, 상기 2개의 배열안테나로 전달되는 신호는 서로 180도 위상차를 갖고, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 이용하여 MIMO 통신을 수행한다.
MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 송신기는 베이스밴드 신호를 아날로그신호로 변환하는 신호 변환기, 아날로그 신호인 제1 신호를 송신하는 제1 그룹배열안테나 및 아날로그 신호인 제2 신호를 송신하는 제2 그룹배열안테나를 포함하한다. 상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나를 포함하고, 상기 2개의 배열안테나는 전자기파의 반파장(λ/2)보다 큰 이격 거리를 갖고, 상기 2개의 배열안테나로 전달되는 신호는 서로 180도 위상차를 갖는다.
MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 수신기는 RF(radio frequency) 신호인 제1 신호를 수신하는 제1 그룹배열안테나, RF 신호인 제2 신호를 수신하는 제2 그룹배열안테나 및 상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나를 포함한다. 상기 2개의 배열안테나는 전자기파의 반파장(λ/2)보다 큰 이격 거리를 갖고, 상기 2개의 배열안테나가 각각 수신하는 2개의 신호에 대해 서로 180도 위상차를 갖는 가중치를 합산하여 상기 제2 신호를 생성하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 이용하여 MIMO 통신을 수행한다.
이하 설명하는 기술은 LoS 환경에서 종래 MIMO 시스템과 비교하여 상대적으로 높은 채널용량을 갖게 하고, 동시에 다중 신호를 유효하게 전달할 수 있는 거리를 증가시킨다.
도 1은 종래 MIMO 시스템의 개념을 도시한 예이다.
도 2는 그룹배열안테나 기반 MIMO 시스템의 개념을 도시한 예이다.
도 3은 그룹배열안테나를 구성하는 안테나 소자의 방사 패턴에 대한 예이다.
도 4는 그룹배열인자가 서로 다른 그룹배열안테나에 대한 예이다.
도 5는 그룹배열안테나 기반 송신기 구조에 대한 예이다.
도 6은 그룹배열안테나 기반 송신기 구조에 대한 다른 예이다.
도 7은 그룹배열안테나 기반 송신기 구조에 대한 또 다른 예이다.
도 8은 그룹배열안테나 기반 송신기 구조에 대한 또 다른 예이다.
도 9는 그룹배열안테나 기반 수신기 구조에 대한 예이다.
도 10은 그룹배열안테나 기반 수신기 구조에 대한 다른 예이다.
도 11은 그룹배열안테나 기반 수신기 구조에 대한 또 다른 예이다.
도 12는 그룹배열안테나 기반 수신기 구조에 대한 또 다른 예이다.
도 13은 그룹배열안테나 기반 수신기 구조에 대한 또 다른 예이다.
도 14는 그룹배열안테나 기반 송신기 및 수신기에 대한 블록도의 예이다.
도 15는 그룹배열안테나 기반 MIMO 시스템에 대한 예이다. (A)(B)
도 16은 종래 MIMO 시스템에 대한 예이다.
도 17은 이중 편파 MIMO 시스템에 대한 예이다. (A)(B)
도 18은 4×4 MIMO 시스템들의 조건수에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 19는 4×4 MIMO 시스템들의 채널용량에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 20은 4×4 MIMO 시스템들의 심볼오류율에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 21은 4×4 MIMO 시스템들의 심볼오류율에 대한 다른 시뮬레이션 결과이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
MIMO 시스템은 다수의 송신 안테나와 다수의 수신안테나를 사용하여 하나 이상의 신호를 송수신하는 시스템을 말한다.
배열안테나(array antenna)는 하나 이상의 안테나 소자가 규칙적인 형태로 배열된 안테나이다. 예컨대, 배열 안테나는 UPA(uniform planar array), UCA(uniform circular array) 등 다양한 배열형태를 가질 수 있다.
그룹배열안테나(group array antenna)는 하나 이상의 배열안테나들로 구성된 안테나이다.
LoS 채널은 송신측 안테나와 수신측 안테나 사이에 신호 도달 경로가 직접 경로만 존재하는 무선 채널을 가리킨다.
방사패턴(radiation pattern)은 원역장(far-field) 방사패턴을 줄여서 표현하는 말이다. 방사패턴은 안테나 소자에서 방사되는 전자파에 의해 원역장 지점에 나타나는 전기장(E-field)의 크기와 위상을 나타낸다. 전기장은 안테나 소자의 중심을 기준으로 하는 3차원 공간에서 (θ,φ)방향의 수직편파(vertical polarization) 성분과 수평편파(horizontal polarization) 성분을 각각 Bv(θ,φ) 와 Bh(θ,φ)로 나타내며, 이 Bv(θ,φ) 와 Bh(θ,φ)는 각각 크기(magnitude)와 위상(phase)을 갖는 복소수(complex number)로 표현된다. 방사패턴은 근역장(near-field) 방사패턴과 원역장 방사패턴의 2 가지 종류가 있으나, 이하 설명에서 '방사패턴'은 원역장 방사패턴을 나타낸다. 근역장 방사패턴을 나타내고자 하는 경우에는 방사패턴 앞에 근역장을 명시하여 사용한다.
이하 설명하는 기술은 그룹배열안테나를 사용하는 MIMO 시스템에 해당한다. MIMO 시스템은 송신기 또는 수신기의 안테나 개수에 따라 다양한 형태가 존재한다. 이하 설명의 편의를 위해 4×4 MIMO를 기준으로 설명한다. 물론 이하 설명하는 기술은 N = 2, 4, 6, 8 등 임의의 N×N 시스템으로 확장하여 적용할 수 있다. 이하 확장되는 경우 부가적으로 필요한 내용은 별도로 설명한다.
도 1은 종래 MIMO 시스템의 개념을 도시한 예이다. MIMO 시스템은 송신기(10) 및 수신기(20)를 포함한다. 송신기(10) 및 수신기(20)는 다양한 구성을 포함하지만, 도 1은 설명의 편의를 위하여 안테나만을 도시하였다. 송신기(10)는 4개의 송신 안테나(15)를 포함하고, 수신기(20)는 4개의 수신 안테나(25)를 포함한다. 도 1은 4개의 안테나를 갖는 예를 도시한다. 다만 송신기(10) 및 수신기(20)는 각각 다양한 개수의 안테나를 포함할 수 있다. 송신기(10) 및 수신기(20)는 동일한 방사패턴을 갖는 안테나 소자들을 사용한다. 도 1에서 원으로 도시한 안테나는 단일 안테나 소자로 구성될 수도 있고 다수의 안테나 소자로 구성된 어레이(array) 안테나로 구성될 수도 있다. 종래 MIMO 시스템은 송신기(10)와 수신기(20) 사이의 무선채널이 직접경로(direct path)만을 갖는 순수 LoS 채널인 경우에 송신기와 수신기 사이의 거리(T-R distance)가 증가함에 따라 동시에 전송할 수 있는 심볼들의 수(즉, 채널의 rank)가 급격하게 감소하는 한계를 가진다. 즉 이상적인 환경이 아닌 경우 종래 MIMO 시스템은 MIMO 통신으로 기재할 수 있는 효과를 얻지 못한다.
이하 설명하는 기술은 순수 LoS 환경의 MIMO 시스템에 마치 이상적인 채널(rich scattering)에서 송수신되는 것과 같은 독립적인 채널을 제공한다. 이하 설명하는 MIMO 시스템은 그룹배열안테나를 사용한다. 예컨대, 송신기 또는 수신기가 4개의 그룹배열안테나를 사용한다면, 그룹배열안테나가 서로 공간적 상관도가 작은 그룹방사패턴을 갖도록 구성한다. 여기서, 그룹배열안테나라 함은 1개 이상의 배열안테나들(array antenna)의 모임을 의미하며, 하나의 배열안테나는 동일한 방사패턴을 갖는 한 개 이상의 안테나 소자(antenna element)로 구성된다.
송신기는 송신될 심볼(symbol)들을 그룹배열안테나(group array antenna)에 매핑(mapping)하여 송신한다. 수신기는 그룹배열안테나들을 사용하여 신호를 수신하고 이 수신된 신호로부터 송신된 심볼을 복호한다.
도 2는 그룹배열안테나 기반 MIMO 시스템의 개념을 도시한 예이다. 도 2는 그룹배열안테나 기반의 4×4 MIMO 시스템 개념도의 예이다.
송신기(30)는 4개의 심볼 x1, x2, x3 및 x4를 각각 4개의 그룹배열안테나(31 내지 34)에 매핑(mapping)하여 송신한다. 4개의 그룹배열안테나(31, 32, 33 및 34)는 서로 공간적 상관도가 작은 그룹방사패턴을 갖도록 구성된다. 수신기(40)는 4개의 그룹배열안테나(41 내지 44)을 사용하여 신호를 수신하고 수신된 신호 y1, y2, y3 및 y4로부터 송신된 심볼을 복호한다. 4개의 그룹배열안테나(41, 42, 43 및 44)는 서로 공간적 상관도가 작은 그룹방사패턴을 갖도록 구성된다.
송신기(30)와 수신기(40)에서 사용되는 그룹배열안테나들은 2가지 속성(attribute)에 의해 구별된다. (i) 한 가지 속성은 그룹배열안테나를 구성하는 안테나소자들의 방사패턴이 갖는 편파 속성(polarization type)이다. (ii) 다른 한 개의 속성은 그룹배열안테나를 구성하는 배열안테나들의 위치와 배열안테나들의 빔패턴(beam pattern)들에 의해 결정되는 그룹배열인수(group array factor)이다. 따라서, 하나의 그룹배열안테나들은 편파 속성과 그룹배열인수를 조합한 어느 하나의 속성을 갖는다. 도 2는 2가지 종류로 구분되는 편파 속성과 2가지 종류로 구분되는 그룹배열인수를 가정한다. 편파 속성 또는 그룹배열인수는 각각 1 또는 2라는 값으로 구분된다고 가정한다. 따라서 그룹배열안테나는 편파 속성과 그룹배열인수를 조합하여 4가지 종류로 구분된다. 4가지 종류로 구분되는 그룹배열안테나는 서로 낮은 상관도를 갖는다.
도 2에서 송신기(30)를 살펴보면, 그룹배열안테나(31)는 편파 속성 1과 그룹배열인수 1을 갖는다. 그룹배열안테나(32)는 편파 속성 1과 그룹배열인수 2를 갖는다. 그룹배열안테나(33)는 편파 속성 2와 그룹배열인수 1을 갖는다. 그룹배열안테나(34)는 편파 속성 2와 그룹배열인수 2를 갖는다. 도 2에서 수신기(40)를 살펴보면, 그룹배열안테나(41)는 편파 속성 1과 그룹배열인수 1을 갖는다. 그룹배열안테나(42)는 편파 속성 1과 그룹배열인수 2를 갖는다. 그룹배열안테나(43)는 편파 속성 2와 그룹배열인수 1을 갖는다. 그룹배열안테나(44)는 편파 속성 2와 그룹배열인수 2를 갖는다.
서로 다른 편파 속성은 그룹배열안테나들을 편파 속성에 따라 서로 다른 타입으로 구분한다. 서로 다른 편파 속성은 배열안테나의 방사 패턴의 공간적 상관도를 작게 만든다. 편파 속성은 구현되는 그룹배열안테나에 따라 많은 경우의 수가 나타날 수 있기 때문에 몇 가지로 특정하여 명시하는 것은 가능하지 않다. 즉, 편파 속성에 따른 그룹배열안테나는 다양한 타입으로 특정될 수 있다.
다만 설명의 편의를 위해 2가지 편파 속성을 예로 든다. 2개의 그룹배열안테나를 예로 설명한다. 2개의 그룹배열안테나가 서로 다른 수직 편파특성(vertical polarization 또는 v-pol로 표기)을 갖는 다이폴(dipole) 안테나 소자를 사용할 수 있다. 예컨대, 그룹배열안테나 타입 1은 특정한 수직 편파특성을 갖는 제1 다이폴 안테나 소자를 사용하고, 그룹배열안테나 타입 2는 제1 다이폴 안테나 소자의 주 로브(lobe) 중심 방향에 직교하는 평면에서 90도 우측으로 기울인(90 degree slanted) 제2 다이폴 안테나 소자를 사용할 수 있다.
도 3은 그룹배열안테나를 구성하는 안테나 소자의 방사 패턴에 대한 예이다. 도 3은 다이폴 안테나 소자의 방사 패턴의 예이다. 도 3(A) 특정 평면을 기준으로 기울어지지 않은 안테나 소자(전술한 제1 다이폴 안테나 소자)의 방사 패턴에 대한 예이다. 도 3(B)는 제1 다이폴 안테나 소자에 90도 기울어진 안테나 소자(전술한 제2 다이폴 안테나 소자)의 방사 패턴에 대한 예이다. 도 3은 서로 다른 배치 방향을 갖는 다이폴 안테나 소자를 사용하여 2개의 편파 속성을 구현한 예이다.
예컨대, 송신기(30) 또는 수신기(40)에서 편파 속성 1을 갖는 그룹배열안테나가 제1 다이폴 안테나 소자로 구성될 수 있다. 또 편파 속성 2를 갖는 그룹배열안테나가 제2 다이폴 안테나 소자로 구성될 수 있다.
나아가 바와 같이 다양한 구조의 안테나 소자를 사용하여 2개 이상의 편파 속성을 나타낼 수 있다. 즉, 어느 배열안테나는 N개의 편파 속성을 가질 수 있다. 여기서 N ≥2이다.
서로 다른 그룹배열인수 속성은 그룹배열안테나는 서로 공간적 상관도가 작다는 속성을 갖는다. 서로 다른 그룹배열인수 속성을 갖는 그룹배열안테나들은 자신이 갖는 그룹배열인수 속성에 따라 서로 다른 타입으로 구분된다. 설명의 편의를 위해 2개의 그룹배열안테나를 예로 설명한다. 서로 다른 그룹배열인수 속성을 갖는 2개의 그룹배열안테나는 서로 다른 2개의 타입으로 분류된다. 그룹배열안테나 타입 1은 하나의 배열안테나로 구성될 수 있다. 이 경우 제1 그룹배열안테나는 그 그룹배열인수가 송수신 각도(즉, 송신기의 AoD(angle of departure)와 수신기의 AoA(angle of arrival))에 따른 크기(magnitude)와 위상(phase)의 변화가 작도록 한다. 제2 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나로 구성될 수 있다. 여기서 2개의 배열안테나들은 서로 각각의 중심을 기준으로 반파장(λ/2) 보다 큰 이격거리를 갖는다. 그리고 제2 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나로 송신되는 신호가 180도+α의 위상차를 갖도록 할 수도 있다. 제2 그룹배열안테나는 위상천이기(phase shifter)를 사용하거나 또는 2개 배열안테나의 빔포머 가중치를 위상이 180도+α차이가 나도록 제어할 수 있다. 여기서 α는 0도가 될 수도 있고, 0과 360도 사이의 임의의 값을 가질 수 있다. 하나의 그룹배열안테나에 포함되는 2개의 배열안테나는 동일한 게인(gain) 또는 서로 다른 게인을 가질 수 있다.
나아가 제1 그룹배열안테나도 2개의 배열안테나를 사용하여 구성할 수도 있다. 제1 그룹배열안테나와 제2 그룹배열안테나가 서로 공간적 상관도가 작도록 구성되면 된다.
도 4는 그룹배열인자가 서로 다른 그룹배열안테나에 대한 예이다. 도 4는 하나의 배열안테나를 갖는 그룹배열인수 타입 1의 그룹배열안테나와 2개의 배열안테나를 갖는 그룹배열인수 타입 2의 그룹배열안테나를 도시한 예이다. 도 4(A)는 송신기(30)에서 사용되는 그룹배열인수 타입 1의 그룹배열안테나와 그룹배열인수 타입 2의 그룹배열안테나를 도시한다. 예컨대, 송신기(30)에서 그룹배열안테나(31 및 33)는 그룹배열인수 타입 1의 그룹배열안테나일 수 있다. 또 송신기(30)에서 그룹배열안테나(32 및 34)는 그룹배열인수 타입 2의 그룹배열안테나일 수 있다. 도 4(B)는 송신기(40)에서 사용되는 그룹배열인수 타입 1의 그룹배열안테나와 그룹배열인수 타입 2의 그룹배열안테나를 도시한다. 예컨대, 송신기(40)에서 그룹배열안테나(41 및 43)는 그룹배열인수 타입 1의 그룹배열안테나일 수 있다. 또 송신기(40)에서 그룹배열안테나(42 및 44)는 그룹배열인수 타입 2의 그룹배열안테나일 수 있다.
그룹배열안테나(타입 2)는 2개의 배열안테나를 포함한다. 2개의 배열안테나는 dn라는 배열 안테나 사이의 이격 거리 갖는다. 기본적으로 dn은 반파장(λ/2) 보다 크다. 여기서 파장은 안테나가 송신하는 신호의 길이를 의미한다.
나아가 그룹배열인수는 3개 이상의 타입을 가질 수 있다. 3가지 타입의 그룹배열인수를 갖는 그룹배열안테나는 다음과 같이 구성될 수 있다. 예컨대, (1) 하나의 배열안테나 포함하는 제1 그룹배열안테나, 2개의 배열안테나를 포함하는 제2 그룹배열안테나 및 2개의 배열안테나를 포함하는 제3 그룹배열안테나이다. 또는 (2) 2개의 배열안테나를 포함하는 3개의 그룹배열안테나일 수도 있다.
2개의 배열안테나를 갖는 그룹배열안테나가 복수인 경우, 그룹배열안테나는 각 그룹배열안테나를 구성하는 2개의 배열안테나 사이의 이격거리가 서로 다를 수 있다. 즉, 2개의 배열안테나 상의 이격거리 dn을 사용하여 서로 다른 그룹배열인수를 부여할 수 있다.
정리하면 그룹배열안테나는 (i) 그룹배열안테나를 구성하는 안테나 소자의 편파 특성 및 (ii) 그룹배열안테나를 구성하는 배치 상태 내지 빔 패턴에 따른 그룹배열인수 중 적어도 하나를 조합하여 하나의 고유 특성을 가질 수 있다. 복수의 그룹배열안테나는 편파특성 및 그룹배열인수 중 적어도 하나의 조합으로 특정되는 특성이 서로 다르면 된다. 즉 복수의 그룹배열안테나는 서로 공간적 상관도가 작으면 된다.
이하 도 5 내지 도 8은 그룹배열안테나 기반의 송신기에 대한 예이다. 예컨대, 송신기(30)는 도 5 내지 도 8에 따르는 구조 중 어느 하나를 가질 수 있다.
도 5는 그룹배열안테나 기반 송신기 구조에 대한 예이다. 도 5는 4개의 그룹배열안테나를 갖는 송신기를 도시한다. 도 5에서 송신할 심볼은 x로 표시하고, 송신기에서 안테나로 전달하는 신호는 s로 표시한다.
송신 심볼 x1을 송신하는 제1 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 1)로 구성된다. 송신 심볼 x2을 송신하는 제2 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 2)로 구성된다. 송신 심볼 x3을 송신하는 제3 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 3 및 Ant 5)로 구성된다. 송신 심볼 x4를 송신하는 제4 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 4 및 Ant 6)로 구성된다.
도 5에서 원은 배열안테나를 나타내며, s1 ~ s6는 각각 송신 배열안테나 Ant 1 ~ Ant 6를 통해 송신되는 신호를 나타내다. 배열안테나(원) 안의 문자 A 및 B는 배열안테나의 방사 패턴 타입(편파 속성)을 나타낸다. 속성 A의 배열안테나는 속성 B의 배열안테나와 교차편파 격리도(cross-polarization isolation)가 큰 것을 사용한다. 송신기의 배열안테나 Ant 1과 Ant 2는 각각 타입 A와 타입 B가 아닌 다른 타입의 방사패턴을 갖는 안테나를 사용할 수도 있다.
송신기에서 신호 x1, x2, x3 및 x4를 배열안테나 Ant 1 ~ 6에 맵핑하여 송신하는 과정을 설명한다. 송신신호 x1은 편파 속성 A의 단일 배열안테나(Ant 1)를 통해 송신된다. 신호 x2는 편파 속성 B의 단일 배열안테나(Ant 2)를 통해 송신된다. 신호 x3는 편파 속성 A를 갖는 2개의 배열안테나(Ant 3와 Ant 5)로 구성된 그룹배열안테나를 통해 송신된다. 신호 x4는 편파 속성 B를 갖는 2개의 배열안테나(Ant4와 Ant 6)로 구성된 그룹배열안테나를 통해 송신된다.
x3가 송신되는 2개의 배열안테나(Ant 3과 Ant 5)가 2개 배열안테나의 중심을 기준으로 물리적으로 반파장보다 큰 이격거리를 갖는다. 또한 x4가 송신되는 2개의 배열안테나(Ant 4와 Ant 6)도 2개 배열안테나의 중심을 기준으로 물리적으로 반파장보다 큰 이격거리를 갖는다.
배열안테나 Ant 3와 배열안테나 Ant 5는 신호 x3를 신호 s3와 s5로 송신한다. 이때 송신기는 송신되는 신호 s3와 s5 사이에 서로 180도+ α(알파)의 위상차가 발생하도록 송신한다(예,
Figure 112018067125318-pat00001
= 0을 적용할 경우, s5 = -s3임). 배열안테나 Ant 4와 배열안테나 Ant 6는 신호 x4를 신호 s4와 s6로 송신한다. 이때 송신기는 송신되는 신호 s4와 s6 사이에 180도+ α(알파)의 위상차가 발생하도록 송신한다(예,
Figure 112018067125318-pat00002
= 0을 적용할 경우, s6 = -s4임).
도 6은 그룹배열안테나 기반 송신기 구조에 대한 다른 예이다. 도 6은 배열안테나 4개로 구성되는 4개의 그룹배열안테나를 갖는 송신기에 대한 예이다. 도 6에서 송신할 심볼은 x로 표시하고, 송신기에서 안테나로 전달하는 신호는 s로 표시한다.
도 6의 송신기는 하나의 배열안테나를 서로 다른 2개의 그룹배열안테나가 공유하는 형태이다. 송신 심볼 x1을 송신하는 제1 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 5)로 구성된다. 송신 심볼 x3을 송신하는 제3 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 3 및 Ant 5)로 구성된다. 배열안테나 Ant 5는 송신 심볼 x1과 송신 심볼 x3를 송신한다. 다만 송신기는 s1의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 5)로 신호를 송신한다.
송신 심볼 x2을 송신하는 제2 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 6)로 구성된다. 송신 심볼 x4를 송신하는 제4 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 4 및 Ant 6)로 구성된다. 배열안테나 Ant 6는 송신 심볼 x2과 송신 심볼 x6를 송신한다. 다만 송신기는 s2의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 6)로 신호를 송신한다.
2개의 배열안테나를 갖는 그룹배열안테나에 대한 신호처리는 도 5의 송신기와 같다. 즉, 하나의 그룹배열안테나를 구성하는 2개의 배열안테나 사이의 이격 거리는 반파장보다 크다. 또 하나의 그룹배열안테나를 구성하는 2개의 배열안테나가 송신하는 신호는 180보다 위상차이가 크다.
도 7은 그룹배열안테나 기반 송신기 구조에 대한 또 다른 예이다. 도 7은 배열안테나 4개로 구성되는 4개의 그룹배열안테나를 갖는 송신기에 대한 다른 예이다. 도 7에서 송신할 심볼은 x로 표시하고, 송신기에서 안테나로 전달하는 신호는 s로 표시한다.
도 7의 송신기는 하나의 배열안테나를 서로 다른 2개의 그룹배열안테나가 공유하는 형태이다. 송신 심볼 x1을 송신하는 제1 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 3)로 구성된다. 송신 심볼 x3을 송신하는 제3 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 3 및 Ant 5)로 구성된다. 배열안테나 Ant 3은 송신 심볼 x1과 송신 심볼 x3를 송신한다. 다만 송신기는 s1의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 3)로 신호를 송신한다.
송신 심볼 x2을 송신하는 제2 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 4)로 구성된다. 송신 심볼 x4를 송신하는 제4 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 4 및 Ant 6)로 구성된다. 배열안테나 Ant 4는 송신 심볼 x2과 송신 심볼 x6를 송신한다. 다만 송신기는 s2의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 4)로 신호를 송신한다.
2개의 배열안테나를 갖는 그룹배열안테나에 대한 신호처리는 도 5의 송신기와 같다. 즉, 하나의 그룹배열안테나를 구성하는 2개의 배열안테나 사이의 이격 거리는 반파장보다 크다. 또 하나의 그룹배열안테나를 구성하는 2개의 배열안테나가 송신하는 신호는 180보다 위상차이가 크다.
도 8은 그룹배열안테나 기반 송신기 구조에 대한 또 다른 예이다. 도 8은 배열안테나 4개로 구성되는 4개의 그룹배열안테나를 갖는 송신기에 대한 또 다른 예이다. 도 8에서 송신할 심볼은 x로 표시하고, 송신기에서 안테나로 전달하는 신호는 s로 표시한다.
도 8의 송신기는 배열안테나를 서로 다른 2개의 그룹배열안테나가 공유하는 형태이다. 송신 심볼 x1을 송신하는 제1 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 3 및 Ant 5)로 구성된다. 송신 심볼 x3을 송신하는 제3 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 3 및 Ant 5)로 구성된다. 배열안테나 Ant 3 및 Ant 5는 송신 심볼 x1과 송신 심볼 x3를 송신한다. 다만 송신기는 s1의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 5)로 신호를 송신한다.
송신 심볼 x2을 송신하는 제2 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 4 및 Ant 6)로 구성된다. 송신 심볼 x4를 송신하는 제4 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 4 및 Ant 6)로 구성된다. 배열안테나 Ant 4 및 Ant 6는 송신 심볼 x2과 송신 심볼 x6를 송신한다. 다만 송신기는 s2의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 6)로 신호를 송신한다.
송신 심볼 x3 및 x4를 송신하는 그룹배열 안테나 그룹배열안테나에 대한 신호처리는 도 5의 송신기와 같다. 즉, 하나의 그룹배열안테나를 구성하는 2개의 배열안테나 사이의 이격 거리는 반파장보다 크다. 또 하나의 그룹배열안테나를 구성하는 2개의 배열안테나가 송신하는 신호는 180보다 위상차이가 크다.
이하 도 9 내지 도 13은 그룹배열안테나 기반의 수신기에 대한 예이다. 예컨대, 수신기(40)는 도 9 내지 도 13에 따르는 구조 중 어느 하나를 가질 수 있다.
도 9는 그룹배열안테나 기반 수신기 구조에 대한 예이다. 도 9는 4개의 그룹배열안테나를 포함하는 수신기를 예로 도시한다. 도 9에서 r1 내지 r6는 각각 수신 배열안테나 Ant 1 내지 Ant 6를 통해 수신된 신호를 나타낸다. 도 9에서 y1 내지 y4는 그룹배열안테나가 수신한 신호에 해당한다. 2개의 배열안테나로 구성된 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나가 수신한 신호를 이용하여 하나의 수신 신호를 생성한다.
수신 신호 y1을 수신하는 제1 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 1)로 구성된다. 수신 신호 y2을 수신하는 제2 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 2)로 구성된다. 수신 신호 y3을 수신하는 제3 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 3 및 Ant 5)로 구성된다. 수신 신호 y4를 수신하는 제4 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 4 및 Ant 6)로 구성된다.
도 9에서 원은 배열안테나를 도시하고, 배열안테나(원) 안의 문자 C 및 D는 배열안테나의 방사패턴(편파) 속성을 나타낸다. 편파 속성 A 안테나는 편파 속성 B 안테나와 교차편파 격리도가 큰 것을 사용한다. 편파 속성 C 안테나는 편파 속성 D 안테나와 교차편파 격리도가 큰 것을 사용한다. 나아가 수신기의 배열안테나 Ant 1과 배열안테나 Ant 2는 각각 편파 속성 C와 편파 속성 D가 아닌 다른 편파 속성의 방사패턴을 갖는 안테나를 사용할 수 있다.
수신기에서 배열안테나 Ant 1 ~ 6를 통해 수신된 신호들 r1 ~ r6를 y1 ~ y4에 맵핑하는 과정을 설명한다. 수신신호 y1은 편파 속성 C의 단일 배열안테나(Ant 1)를 통해 수신된 신호로서 r1과 같다. 수신신호 y2는 편파 속성 D의 단일 배열안테나(Ant 2)를 통해 송신된 신호로서 r2와 같다. 수신신호 y3는 편파 속성 C를 갖는 2개의 배열안테나(Ant 3와 Ant 5)로 구성된 그룹배열안테나를 통해 수신된다. 수신신호 y4는 편파 속성 D를 갖는 2개의 배열안테나(Ant4와 Ant 6)로 구성된 그룹배열안테나를 통해 수신된다.
y3를 구성하는 신호들 r3와 r5가 수신되는 2개의 배열안테나(Ant 3과 Ant 5)는 2개 배열안테나의 중심을 기준으로 물리적으로 반파장보다 큰 이격거리를 갖는다. 또한 y4를 구성하는 신호들 r4와 r6가 수신되는 2개의 배열안테나(Ant 4와 Ant 6)도 2개 배열안테나의 중심을 기준으로 물리적으로 반파장보다 큰 이격거리를 갖는다.
수신신호 r3와 r5로부터 신호 y3를 구할 때, 서로 180도+α의 위상차를 갖는 가중치(weight)들을 사용하여 가중치 합(weighted sum)을 구한다(예, ψ3=0을 적용할 경우, y3 = r3 - r5임). 또한 수신신호 r4와 r6로부터 신호 y4를 구할 때, 서로 180도+α의 위상차를 갖는 가중치들을 사용하여 가중치 합을 구한다(예, ψ4=0을 적용하는 경우, y4 = r4 -r6임).
도 10은 그룹배열안테나 기반 수신기 구조에 대한 다른 예이다. 도 10에서 r1 내지 r6는 각각 수신 배열안테나 Ant 1 내지 Ant 6를 통해 수신된 신호를 나타낸다. 도 10에서 y1 내지 y4는 그룹배열안테나가 수신한 신호에 해당한다. 2개의 배열안테나로 구성된 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나가 수신한 신호를 이용하여 하나의 수신 신호를 생성한다.
도 10의 수신기는 하나의 배열안테나를 서로 다른 2개의 그룹배열안테나가 공유하는 형태이다. 수신 신호 y1을 수신하는 제1 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 5)로 구성된다. 수신 신호 y3을 수신하는 제3 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 3 및 Ant 5)로 구성된다. 배열안테나 Ant 5는 수신 신호 y1과 y3를 수신하는데 관여한다. 다만 수신기는 r1의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 5)로부터 수신 신호 y1을 수신한다.
수신 신호 y2을 수신하는 제2 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 6)로 구성된다. 수신 신호 y4를 수신하는 제4 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 4 및 Ant 6)로 구성된다. 배열안테나 Ant 6은 수신 신호 y2과 y4를 수신하는데 관여한다. 다만 수신기는 r2의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 6)로부터 수신 신호 y2을 수신한다.
2개의 배열안테나를 갖는 그룹배열안테나에 대한 신호처리는 도 9의 수신기와 같다. 즉, 하나의 그룹배열안테나를 구성하는 2개의 배열안테나 사이의 이격 거리는 반파장보다 크다. 수신신호 r3와 r5로부터 신호 y3를 구할 때, 서로 180도+α의 위상차를 갖는 가중치(weight)들을 사용하여 가중치 합(weighted sum)을 구한다. 또한 수신신호 r4와 r6로부터 신호 y4를 구할 때, 서로 180도+α의 위상차를 갖는 가중치들을 사용하여 가중치 합을 구한다.
도 11은 그룹배열안테나 기반 수신기 구조에 대한 또 다른 예이다. 도 11에서 r1 내지 r6는 각각 수신 배열안테나 Ant 1 내지 Ant 6를 통해 수신된 신호를 나타낸다. 도 11에서 y1 내지 y4는 그룹배열안테나가 수신한 신호에 해당한다. 2개의 배열안테나로 구성된 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나가 수신한 신호를 이용하여 하나의 수신 신호를 생성한다.
도 10의 수신기는 하나의 배열안테나를 서로 다른 2개의 그룹배열안테나가 공유하는 형태이다. 수신 신호 y1을 수신하는 제1 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 3)로 구성된다. 수신 신호 y3을 수신하는 제3 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 3 및 Ant 5)로 구성된다. 배열안테나 Ant 3은 수신 신호 y1과 y3를 수신하는데 관여한다. 다만 수신기는 r1의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 3)로부터 수신 신호 y1을 수신한다.
수신 신호 y2을 수신하는 제2 그룹배열안테나는 하나의 배열 안테나(Ant 4)로 구성된다. 수신 신호 y4를 수신하는 제4 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 4 및 Ant 6)로 구성된다. 배열안테나 Ant 4는 수신 신호 y2과 y4를 수신하는데 관여한다. 다만 수신기는 r2의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 4)로부터 수신 신호 y2을 수신한다.
2개의 배열안테나를 갖는 그룹배열안테나에 대한 신호처리는 도 9의 수신기와 같다. 즉, 하나의 그룹배열안테나를 구성하는 2개의 배열안테나 사이의 이격 거리는 반파장보다 크다. 수신신호 r3와 r5로부터 신호 y3를 구할 때, 서로 180도+α의 위상차를 갖는 가중치(weight)들을 사용하여 가중치 합(weighted sum)을 구한다. 또한 수신신호 r4와 r6로부터 신호 y4를 구할 때, 서로 180도+α의 위상차를 갖는 가중치들을 사용하여 가중치 합을 구한다.
도 12는 그룹배열안테나 기반 수신기 구조에 대한 또 다른 예이다. 도 12에서 r1 내지 r6는 각각 수신 배열안테나 Ant 1 내지 Ant 6를 통해 수신된 신호를 나타낸다. 도 12에서 y1 내지 y4는 그룹배열안테나가 수신한 신호에 해당한다. 2개의 배열안테나로 구성된 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나가 수신한 신호를 이용하여 하나의 수신 신호를 생성한다.
도 12의 수신기는 배열안테나를 서로 다른 2개의 그룹배열안테나가 공유하는 형태이다. 수신 신호 y1을 수신하는 제1 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 3 및 Ant 5)로 구성된다. 수신 신호 y3을 수신하는 제3 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 3 및 Ant 5)로 구성된다. 배열안테나 Ant 3 및 Ant 5는 수신 신호 y1과 y3를 수신하는데 관여한다. 다만 수신기는 r1의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 3 및 Ant5)로부터 신호를 수신한다.
수신 신호 y2을 송신하는 제2 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 4 및 Ant 6)로 구성된다. 수신 신호 y4를 송신하는 제4 그룹배열안테나는 두 개의 배열 안테나(Ant 4 및 Ant 6)로 구성된다. 배열안테나 Ant 4 및 Ant 6는 수신 신호 y2과 y4를 수신하는데 관여한다. 다만 송신기는 r2의 위상에 대한 변화를 주지 않고 배열 안테나(Ant 4 및 Ant 6)로부터 신호를 수신한다.
수신 신호 y3와 y4에 대한 신호처리는 도 9의 수신기와 같다. 즉, 하나의 그룹배열안테나를 구성하는 2개의 배열안테나 사이의 이격 거리는 반파장보다 크다. 수신신호 r3와 r5로부터 신호 y3를 구할 때, 서로 180도+α의 위상차를 갖는 가중치(weight)들을 사용하여 가중치 합(weighted sum)을 구한다. 또한 수신신호 r4와 r6로부터 신호 y4를 구할 때, 서로 180도+α의 위상차를 갖는 가중치들을 사용하여 가중치 합을 구한다.
도 13은 그룹배열안테나 기반 수신기 구조에 대한 또 다른 예이다. 도 13은 4개의 배열안테나가 각각 서로 다른 수신 신호 y1 내지 y4를 수신하는 예이다. 이 경우 서로 같은 방사 패턴 C를 갖는 배열 안테나 Ant 5와 Ant 3는 서로 일정하게 이격되는 것이 바람직하다. 또한 서로 같은 방사 패턴 D를 갖는 배열 안테나 Ant 4와 Ant 6는 서로 일정하게 이격되는 것이 바람직하다.
도 14는 그룹배열안테나 기반 송신기 및 수신기에 대한 블록도의 예이다. 도 14(A)는 송신기(100)에 대한 예이다. 도 14(A)는 MIMO 송신기에 대한 개략적인 구성을 도시한 예이다. 송신기의 일반적인 구성은 간략하게 설명하거나, 설명을 생략한다. 베이스밴드 신호 처리부(110)는 송신할 심볼을 포함하는 베이스밴드 신호를 처리한다. 베이스밴드 신호 처리부(110)는 DSP modem이 계산한 전처리 행렬을 변조(modulation)가 끝난 상태의 데이터(QPSK, 16QAM 등)에 반영하면서 샘플 심볼을 생성한다. 전처리 행렬은 서브밴드(subband)마다 각각 따로 계산하여 각 안테나별로 인가하는 신호를 묶어서 다중 반송파 변조기(multicarrier modulator)에 인가한다. DAC(120)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 업 변환기(up converter, 130)는 DAC(120)에서 변환한 신호를 IF(intermediate frequency) 또는 RF(radio frequency)로 변환한다.
그룹배열안테나(140)는 전술한 바와 같이 편파 속성 내지 그룹배열인수가 서로 상이한 복수의 안테나로 구성된다. 위상 처리부(141)는 2개의 배열안테나를 갖는 그룹배열안테나에서 신호에 대한 위상을 변경하는 구성이다. 전술한 바와 같이 위상 처리부(141)는 위상 처리기(phase shifter) 또는 일정한 가중치를 부여한 빔 포머일 수 있다. 안테나(142)는 전술한 배열안테나를 의미한다. 업 변환기(130)는 송신 신호에 대한 위상 처리 이전 또는 이후에 신호를 변환할 수 있다.
도 14(B)는 수신기(200)에 대한 예이다. 도 14(B)는 MIMO 수신기에 대한 개략적인 구성을 도시한 예이다. 수신기의 일반적인 구성은 간략하게 설명하거나, 설명을 생략한다. 그룹배열안테나(210)는 전술한 바와 같이 편파 속성 내지 그룹배열인수가 서로 상이한 복수의 안테나로 구성된다. 안테나(211)는 전술한 배열안테나를 의미한다(211). 신호처리부(212)는 2개의 배열안테나로 수신하는 신호에 대한 가중치를 합산하여 하나의 신호를 생성하는 구성을 의미한다.
다운 변환기(220)는 RF 신호를 베이스밴드 신호 또는 IF 신호로 변환한다. ADC(230)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 다운 변환기(220)는 안테나(211)가 수신한 신호에 대한 신호 처리 이전 또는 이후에 신호를 변환할 수 있다. 즉 다운 변환기(220)는 수신기의 배열안테나가 수신한 신호 r 또는 그룹배열안테나가 수신한 신호 y에 대하여 신호를 변환할 수 있다.
이하 전술한 그룹배열안테나에 기반한 4x4 MIMO 시스템을 기준으로 랭크(Rank)를 분석한다.
수신신호 벡터를 y = [y1, y2, y3, y4]T, 송신신호 벡터를 x = [x1, x2, x3, x4]T, 그리고 가산 잡음(additive noise)을 n = [n1, n2, n3, n4]T로 정의한다. a=0인 경우에 도 5의 MIMO 시스템의 수신신호는 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112018067125318-pat00003
여기서, Hproposed는 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112018067125318-pat00004
LoS 채널 환경에서 수신 안테나 Ant i와 송신 안테나 Ant j 사이의 채널은 아래의 수학식 3과 같다.
Figure 112018067125318-pat00005
여기서, gi,j 및 qi ,j는 각각 아래의 수학식 4와 수학식 5와 같다.
Figure 112018067125318-pat00006
Figure 112018067125318-pat00007
Bi v(.)와 Bi h(.)는 수신안테나 Ant i가 갖는 방사패턴의 수직편파(V-pol)과 수평편파(H-pol) 성분을 나타낸다. Bj v(.)와 Bj h(.)는 m번째 송신안테나 방사패턴의 V-pol과 H-pol 성분을 나타낸다. χv i ,j와 χh i,j는 각각 LoS 경로에 대한 수직 XPD(Cross-polar discrimination) 및 수평 XPD를 나타낸다. ki ,j는 CPR(co-polar ratio)을 나타낸다. ψv ,v i,j, ψv ,h i,j, ψh ,v i,j, ψh,h i,j는 위상을 나타낸다.
수학식 2는 수학식 3과 같이 아래의 수학식 6으로 다시 표현할 수 있다.
Figure 112018067125318-pat00008
여기서 Hplus는 아래의 수학식 7과 같다.
Figure 112018067125318-pat00009
여기서, B1, B2, C1, C2 및 D는 각각 아래의 수학식과 같다.
Figure 112018067125318-pat00010
Figure 112018067125318-pat00011
Figure 112018067125318-pat00012
Figure 112018067125318-pat00013
Figure 112018067125318-pat00014
상기 식으로부터 순수 LoS 채널환경에서 송신 안테나들와 수신 안테나들 사이의 거리가 레일리 거리(Rayleigh distance)보다 증가함에 따라 편파 MIMO 채널 Hpol-MIMO의 랭크는 2로 급격히 수렴하는 것을 알 수 있다. 반면 수학식 7의 Hplus는 랭크 4를 갖기 때문에, 수학식 6으로부터 결과적으로 Hproposed도 랭크 4를 갖게 됨을 알 수 있다.
이하 전술한 그룹배열안테나 기반 MIMO 시스템의 성능을 설명한다. 제안 기술의 유효성을 검증하기 위하여 28 GHz 대역의 MIMO 시스템에 대해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 도 18 내지 도 21에서 시뮬레이션 결과를 도시하였다.
성능 비교를 위해 다음 4가지 시스템 구성을 고려하였다. 4가지 시스템 다음과 같다.
(1) 전술한 그룹배열안테나 기반의 4x4 MIMO 시스템이다. 도 15는 그룹배열안테나 기반 MIMO 시스템에 대한 예이다. 도 15(A)는 전술한 도 5의 송신기와 도 9의 수신기를 사용하는 MIMO 시스템에 해당한다. 배열안테나는 각각 RF 모듈, 빔포머(beamformer) 모듈 및 편파 배열안테나로 구성될 수 있다. 배열안테나의 방사패턴은 2가지 편파 특성(H-pol 및 V-pol)로 구분된다. 2개의 배열안테나로 구성되는 그룹배열안테나의 신호처리는 전술한 바와 같다. 예컨대, 송신 신볼 x3를 송신하는 그룹배열안테나는 배열안테나 Ant 3 및 Ant 5를 포함한다. 배열안테나 Ant 3 및 Ant 5는 서로 반파장 이상 이격된다. 배열안테나 Ant 3 및 Ant 5가 전송하는 신호는 서로 180도 이상의 위상차를 갖는다. 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면에서 도 15(A)에 해당하는 시스템을 "Proposed"라고 표시하였다.
도 15(B)는 4개의 배열안테나로 구성되는 4개의 그룹배열안테나를 갖는 송신기 및 수신기에 대한 예이다. 도 15(B)는 전술한 도 6의 송신기와 도 10의 수신기를 사용하는 MIMO 시스템에 대한 예이다. 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면에서 도 15(A)에 해당하는 시스템을 "Proposed(option 1)"라고 표시하였다.
(2) 동일 편파 기반의 종래 MIMO 시스템이다. 도 16은 종래 MIMO 시스템에 대한 예이다. 배열안테나는 동일한 편파 특성을 갖는다. 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면에서 도 16에 해당하는 시스템을 "Conventional MIMO"라고 표시하였다.
(3) 동일 간격 이중 편파 MIMO 시스템이다. 도 17은 이중 편파 MIMO 시스템에 대한 예이다. 도 17(A)는 동일 간격 이중 편파 MIMO 시스템에 대한 예이다. 배열안테나가 일정하게 서로 다른 편파 특성을 갖고, 서로 같은 편파 특성을 갖는 배열안테나가 일정한 간격을 갖는 경우이다. 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면에서 도 16에 해당하는 시스템을 "Polarization MIMO (equalSep)"라고 표시하였다.
(4) 최대 간격 이중 편파 MIMO 시스템이다. 도 17(B)는 최대 간격 이중 편파 MIMO 시스템에 대한 예이다. 배열안테나가 일정하게 서로 다른 편파 특성을 갖고, 서로 같은 편파 특성을 갖는 배열안테나가 최대의 간격을 갖는 경우이다. 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면에서 도 16에 해당하는 시스템을 " Polarization MIMO (linearMax)"라고 표시하였다.
4가지 시스템 간의 공평한 비교를 위하여 송신측과 수신측에 모두 동일하게 96개의 다이폴 안테나 소자를 사용하도록 하였다. 또한 송신측과 수신측 모두에 대하여 사용되는 배열안테나들이 점유하는 수직 높이를 같도록 배열안테나들 사이의 간격을 정하였다. 성능 분석을 위한 시뮬레이션에는 α=0을 적용하였다.
송신안테나들과 수신안테나들 사이에는 직접경로만 존재하는 LoS 채널을 적용하였다. 송신측 어레이들과 수신측 어레이들이 모두 정확히 빔의 로브 중심을 마주본다고 바라본다고 가정하고 사용되는 빔포밍 가중치에는 모두 1을 적용하였다. 채널 행렬을 산출하는 데에는 사용된 안테나 소자의 기울기에 따른 방사패턴을 적용하였다. 하나의 안테나 소자의 방사패턴은 수학식 5에 서술한 바와 같이 수직 편파와 수평 편파 성분으로 구성된다. 수직 편파 성분은 전파의 송신 방사각(AoD) 또는 수신 도달각(AoA)에 따른 전기장의 세기와 위상 특성의 q 성분을 의미하고, 수평 편파 성분은 전파의 방사각 또는 수신 도달각에 따른 에 따른 전기장의 세기와 위상 특성의 f 성분을 의미한다.
주어진 채널에서의 심볼오류율을 비교하기 위하여 수신 SNR = 20 dB의 조건에서 선형 등화기(linear equalizer)와 ML 검출기를 사용하였고, 10,000개의 심볼을 전송하여 평균치를 산출하였다.
도 18은 4×4 MIMO 시스템들의 조건수에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도면에서 보는 바와 같이 그룹배열안테나에 기반한 방식(Proposed)에 따른 조건수가 다른 시스템 구성에 비해 매우 작은 것을 알 수 있다. 또한, 그룹배열안테나 구성시 단순 이격만을 취한 단순 이격 그룹핑 방식(Simple Separation)을 비롯한 나머지 3가지 시스템 구성의 조건수는 송수신 거리(T-R distance)가 증가함에 따라 급격히 상승함을 볼 수 있다.
도 19는 4×4 MIMO 시스템들의 채널용량에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도 19는 송수신 거리에 따른 채널용량을 비교한 것이다. 기존의 MIMO 시스템 구성은 송수신 거리가 상승함에 따라 채널용량이 급격히 감소하여 1 Km의 거리에서 14 bps/Hz 부근의 값을 갖는 반면, 그룹배열안테나에 기반한 방식은 다른 방식들에 비해 레일리 거리(Rayleigh distance)보다 큰 모든 송수신 거리에서 우수한 채널용량을 가지는 것을 볼 수 있다.
도 20은 4×4 MIMO 시스템들의 심볼오류율에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도 20은 수신 SNR = 20 dB 조건에서 16-QAM 신호를 전송하는 경우이다. 도 21은 4×4 MIMO 시스템들의 심볼오류율에 대한 다른 시뮬레이션 결과이다. 도 21은 수신 SNR = 20 dB 조건에서 64-QAM 신호를 전송하는 경우이다. 그룹배열안테나에 기반한 방식의 심볼오류율이 나머지 방식에 비해 낮음을 볼 수 있다. 그룹배열안테나에 기반한 방식에 따르면 심볼오류율(SER, symbol error rate)=0.1 이하로 전송 가능한 거리가 16-QAM 신호의 경우에는 390m이고, 64-QAM 신호의 경우에는 180m이 이르는 것을 볼 수 있다.
그룹배열안테나에 기반한 방식 가장 좋은 성능을 보이는 이유는 다음과 같다. 도 15(A)를 기준으로 설명하면, H-pol 송신신호 x3는 Ant 3와 Ant 5를 사용하여 송신 방위각에 따른 방사패턴의 변화가 최대화되도록 한다. H-pol 송신신호 x1은 방위각에 따른 방사패턴의 변화가 상대적으로 작게 되도록 한다. V-pol 송신신호 x4와 x2도 마찬가지 방식으로 구성한다. 따라서 이 4개 신호들 x1, x2, x3 및 x4가 전파되는 공간채널 특성이 서로 상관성이 작게 되도록 하였기 때문이다. 또한, 수신기에서도 y1, y2, y3 및 y4의 수신채널 특성이 서로 상관성이 작게 되도록 송신기와 같은 방식으로 안테나를 구성하였기 때문이다. 결과적으로 전체 4x4 MIMO 채널의 랭크가 개선되고 전체 시스템의 주파수 효율(spectral efficiency)이 개선되었다.
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
10 : 송신기
15 : 송신 안테나
20 : 수신기
25 : 수신 안테나
30 : 송신기
31, 32, 33, 34 : 그룹배열안테나
40 : 수신기
41, 42, 43, 44 : 그룹배열안테나
100 : 송신기
110 : 베이스밴드 신호 처리부
120 : DAC
130 : 업 변환기
140 : 그룹배열안테나
141 : 위상처리부
142 : 안테나
200 : 수신기
210 : 그룹배열안테나
211 : 안테나
212 : 신호 처리부
220 : 다운 변환기
230 : ADC

Claims (17)

  1. 송신기의 제1 그룹배열안테나가 제1 신호를 송신하고, 상기 송신기의 제2 그룹배열안테나가 제2 신호를 송신하는 단계; 및
    수신기의 제3 그룹배열안테나가 상기 제1 신호를 수신하고, 상기 수신기의 제4 그룹배열안테나가 상기 제2 신호를 수신하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 그룹배열안테나에 포함되는 상기 2개의 배열안테나는 전자기파의 반파장(λ/2)보다 큰 이격 거리를 갖고, 상기 2개의 배열안테나로 전달되는 신호는 서로 180도 위상차를 갖고,
    상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 이용하여 MIMO(Multiple Input Multiple Output ) 통신을 수행하고,
    상기 제1 그룹배열안테나와 상기 제2 그룹배열안테나는 서로 다른 속성을 갖고, 상기 제3 그룹배열안테나와 상기 제4 그룹배열안테나는 서로 다른 속성을 갖되,
    상기 속성은 편파 속성 및 그룹배열인수를 조합한 정보로 결정되고, 상기 그룹배열인수는 배열안테나의 위치 및 빔패턴에 따라 결정되는 그룹배열안테나 기반의 MIMO 송수신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나가 모두 2개의 배열안테나를 포함하는 경우, 상기 제1 그룹배열안테나와 상기 제2 그룹배열안테나에 각각 포함되는 2개의 배열안테나는 서로 이격 거리가 상이한 그룹배열안테나 기반의 MIMO 송수신 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3 그룹배열안테나 및 상기 제4 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나를 포함하고,
    상기 수신기의 그룹배열안테나에 포함된 상기 2개의 배열안테나는 전자기파의 반파장(λ/2)보다 큰 이격 거리를 갖고, 서로 180도 위상차를 갖는 가중치를 적용하여 합산값을 결정하는그룹배열안테나 기반의 MIMO 송수신 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 그룹배열안테나와 상기 제2 그룹배열안테나에 포함되는 배열안테나는 동일한 방사 패턴을 갖는 그룹배열안테나 기반의 MIMO 송수신 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 송신기의 제5 그룹배열안테나가 제3 신호를 송신하고, 상기 송신기의 제6 그룹배열안테나가 제4 신호를 송신하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제5 그룹배열안테나 및 상기 제6 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나에 포함되는 2개의 배열안테나는 전자기파의 반파장(λ/2)보다 큰 이격거리를 갖고,
    상기 제5 그룹배열안테나 또는 상기 제6 그룹배열안테나에 속하는 2개의 배열 안테나로 전달되는 신호는 서로 180도 위상차를 갖는 그룹배열안테나 기반의 MIMO 송수신 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나에 포함되는 배열안테나와 상기 제5 그룹배열안테나 및 상기 제6 그룹배열안테나에 포함되는 배열안테나는 서로 방사 패턴이 상이한 그룹배열안테나 기반의 MIMO 송수신 방법.
  7. 베이스밴드 신호를 아날로그신호로 변환하는 신호 변환기;
    아날로그 신호인 제1 신호를 송신하는 제1 그룹배열안테나; 및
    아날로그 신호인 제2 신호를 송신하는 제2 그룹배열안테나를 포함하되,
    상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나를 포함하고, 상기 2개의 배열안테나는 전자기파의 반파장(λ/2)보다 큰 이격 거리를 갖고, 상기 2개의 배열안테나로 전달되는 신호는 서로 180도 위상차를 갖고,
    상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 이용하여 MIMO(Multiple Input Multiple Output ) 통신을 수행하고,
    상기 제1 그룹배열안테나와 상기 제2 그룹배열안테나는 서로 다른 속성을 갖고, 상기 속성은 편파 속성 및 그룹배열인수를 조합한 정보로 결정되고, 상기 그룹배열인수는 배열안테나의 위치 및 빔패턴에 따라 결정되는 MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 송신기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나가 모두 2개의 배열안테나를 포함하는 경우, 상기 제1 그룹배열안테나와 상기 제2 그룹배열안테나에 각각 포함되는 2개의 배열안테나는 서로 이격 거리가 상이한 MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 송신기.
  9. 제7항에 있어서,
    아날로그 신호인 제3 신호를 송신하는 제3 그룹배열안테나; 및
    아날로그 신호인 제4 신호를 송신하는 제4 그룹배열안테나를 더 포함하되,
    상기 제3 그룹배열안테나 및 상기 제4 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나에 포함되는 2개의 배열안테나는 전자기파의 반파장(λ/2)보다 큰 이격 거리를 갖고,
    상기 제3 그룹배열안테나 또는 상기 제4 그룹배열안테나에 속하는 2개의 배열 안테나로 전달되는 신호는 서로 180도 위상차를 갖는 MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 송신기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나에 포함되는 배열안테나와 상기 제3 그룹배열안테나 및 상기 제4 그룹배열안테나에 포함되는 배열안테나는 서로 방사 패턴이 상이한 MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 송신기.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나에서 신호의 위상차를 조절하기 전 또는 후에
    상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나가 각각 전송하는 아날로그 신호를 IF(intermediate frequency) 또는 RF(radio frequency)로 변환하는 변환기를 더 포함하는 MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 송신기.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나는 상기 제1 신호와 상기 제2 신호에 대한 상기 위상차를 만드는 위상천이기 또는 빔포머를 포함하는 MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 송신기.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제2 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나 및 상기 제2 신호에 위상차를 부여하는 구성을 포함하고,
    상기 제1 그룹배열안테나는 제2 그룹배열안테나를 구성하는 상기 2개의 배열안테나 중 어느 하나의 배열안테나를 포함하되, 위상이 변경되지 않은 상기 제1 신호를 상기 어느 하나의 배열안테나로 송신하는 MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 송신기.
  14. RF(radio frequency) 신호인 제1 신호를 수신하는 제1 그룹배열안테나;
    RF 신호인 제2 신호를 수신하는 제2 그룹배열안테나; 및
    상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나를 포함하고, 상기 2개의 배열안테나는 전자기파의 반파장(λ/2)보다 큰 이격 거리를 갖고,
    상기 2개의 배열안테나가 각각 수신하는 2개의 신호에 대해 서로 180도 위상차를 갖는 가중치를 합산하여 상기 제2 신호를 생성하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 이용하여 MIMO(Multiple Input Multiple Output ) 통신을 수행하고,
    상기 제1 그룹배열안테나와 상기 제2 그룹배열안테나는 서로 다른 속성을 갖고, 상기 속성은 편파 속성 및 그룹배열인수를 조합한 정보로 결정되고, 상기 그룹배열인수는 배열안테나의 위치 및 빔패턴에 따라 결정되는 MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 수신기.
  15. 제14항에 있어서,
    RF(radio frequency) 신호인 제3 신호를 수신하는 제3 그룹배열안테나; 및
    RF 신호인 제4 신호를 수신하는 제4 그룹배열안테나를 더 포함하되,
    상기 제3 그룹배열안테나 및 상기 제4 그룹배열안테나 중 적어도 하나의 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나를 포함하고, 상기 2개의 배열안테나는 전자기파의 반파장(λ/2)보다 큰 이격 거리를 갖는 MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 수신기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 그룹배열안테나 및 상기 제2 그룹배열안테나에 포함되는 배열안테나와 상기 제3 그룹배열안테나 및 상기 제4 그룹배열안테나에 포함되는 배열안테나는 서로 방사 패턴이 상이한 MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 수신기.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제2 그룹배열안테나는 2개의 배열안테나를 포함하고,
    상기 제1 그룹배열안테나는 제2 그룹배열안테나를 구성하는 상기 2개의 배열안테나 중 어느 하나의 배열안테나를 통해 상기 제1 신호를 수신하는 MIMO 통신을 위한 그룹배열안테나 기반의 수신기.
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