KR102520406B1

KR102520406B1 - 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 방법 및 장치

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Publication number: KR102520406B1
Application number: KR1020170018454A
Authority: KR
Inventors: 손주호; 김종돈; 변철우; 심세준; 양하영; 이대영; 이정호; 이주현; 최선규; 최찬호
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2023-04-12
Also published as: US20200067608A1; US10680726B2; KR20180074542A

Abstract

본 개시는 LTE와 같은 4G 통신 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G 또는 pre-5G 통신 시스템에 관련된 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 방법은, 대용량 안테나 시스템에서 안테나의 위상 보정 방법으로, 상기 대용량 안테나들을 미리 설정된 개수의 그룹으로 그룹핑하는 단계; 상기 그룹핑 된 안테나 포트들이 궤환 경로를 갖도록 경로를 설정하는 단계; 상기 각 그룹의 각 안테나 포트로 출력할 테스트 신호를 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 부가하여 출력하는 단계; 상기 궤환 경로를 통해 수신된 신호에서 상기 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 이용하여 해당 그룹 내의 각 안테나 포트별로 신호를 분리하는 단계; 및 상기 분리된 신호의 위상 변화를 검출하여 보상 값을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 연구는 미래창조과학부 '범부처 Giga KOREA 사업'의 지원을 받아 수행하였다.

Description

대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CALIBRATING PHASE OF ANTENNA IN A MASSIVE ANTENNA SYSTEM}

본 발명은 대용량 안테나 시스템에서 안테나의 위상을 보정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 연구는 미래창조과학부 '범부처 Giga KOREA 사업'의 지원을 받아 수행하였다.

4G 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후(Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE 시스템 이후(Post LTE)의 시스템이라 불리어지고 있다.

높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역(예를 들어, 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO: FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나 (large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다.

또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀(advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud radio access network: cloud RAN), 초고밀도 네트워크(ultra-dense network), 기기 간 통신(Device to Device communication: D2D), 무선 백홀(wireless backhaul), 이동 네트워크(moving network), 협력 통신(cooperative communication), CoMP(Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거(interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다.

이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation: ACM) 방식인 FQAM(Hybrid FSK and QAM Modulation) 및 SWSC(Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(non orthogonal multiple access), 및 SCMA(sparse code multiple access) 등이 개발되고 있다.

앞에서 살펴본 바와 같이 대용량 다중 입출력(massive MIMO) 안테나 시스템을 채용하는 경우 각 안테나들 간에 위상(phase) 정보를 사전에 획득하여 안테나 간 위상 정렬(phase alignment)을 하는 기술이 필요하다. 이처럼 위상 정렬을 활용하는 기술을 안테나 보정(calibration) 기술이라 한다. 안테나 보정 기술은 주로 빔 포밍(BF, beam-forming)을 사용하는 경우에 많이 활용된다. 안테나 보정을 위해서는 미리 정해진 보정 신호(calibration signal)를 전송하여 안테나 별 위상(phase) 정보를 추정하는 과정이 필요하다.

대용량 다중 입력/다중출력 시스템은 데이터 전송 효율을 높이기 위해서 대용량 안테나를 사용하여 송/수신 신호의 신호 대비 잡음의 비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 증대시키는 시스템으로써 LTE release 13/14에서 full-dimension multiple-input multiple-output(이하 FD-MIMO)로 표준화 되었고, 또한 5G 통신 시스템에서도 주요 요소 기술로 논의되고 있다.

대용량 다중 입력/다중 출력 시스템에서 안테나 보정을 수행하는 경우 많은 개수의 안테나에 대해서 보정을 진행해야 하므로, 안테나 보정에 소요되는 시간이 증가한다. 또한 안테나 보정의 소요 시간에는 통상적인 통신 서비스를 중지한 상태에서 안테나 보정을 수행해야 한다는 점이 시스템의 부담으로 작용한다. 특히 대용량 다중 입력/다중 출력 시스템에서는 그만큼 많은 수의 안테나들에 대하여 각각 안테나 보정을 수행해야 하므로, 안테나 보정에 소요되는 시간이 더욱 증가하게 된다. 이처럼 안테나 보정에 많은 시간이 소요되는 경우 시스템에서는 신을 중단해야 하는 시간이 증대되므로, 매우 큰 부담이 될 수 있다.

따라서 대용량 다중 입력/다중 출력 시스템에서 안테나 보정에 소요되는 시간을 줄이기 위한 장치 및 방법이 요구되고 있다.

따라서 본 발명에서는 대용량 다중 입력/다중 출력 시스템에서 안테나 보정에 소요되는 시간일 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명에서는 대용량 다중 입력/다중 출력 시스템에서 안테나 보정 시간을 줄여 시스템의 부담을 줄일 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 방법은, 대용량 안테나 시스템에서 안테나의 위상 보정 방법으로, 상기 대용량 안테나들을 미리 설정된 개수의 그룹으로 그룹핑하는 단계; 상기 그룹핑 된 안테나 포트들이 궤환 경로를 갖도록 경로를 설정하는 단계; 상기 각 그룹의 각 안테나 포트로 출력할 테스트 신호를 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 부가하여 출력하는 단계; 상기 궤환 경로를 통해 수신된 신호에서 상기 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 이용하여 해당 그룹 내의 각 안테나 포트별로 신호를 분리하는 단계; 및 상기 분리된 신호의 위상 변화를 검출하여 보상 값을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나의 위상 보정을 위한 장치로, 상기 각 안테나에 대응하는 안테나 포트들을 포함하며, 상기 미리 결정된 안테나 개수 단위로 그룹핑된 궤환 포트를 포함하는 무선부; 상기 무선부의 각 안테나 포트들에 대응하는 송/수신 스위치들과 상기 송/수신 스위치들에 대응하는 아날로그-디지털 변환기들을 포함하는 스위칭 및 A/D 변환부; 및 상기 그룹핑 된 안테나 포트들이 궤환 경로를 갖도록 경로의 설정을 제어하고, 상기 각 그룹의 각 안테나 포트로 출력할 테스트 신호를 생성하며, 생성된 테스트 신호마다 직교성을 갖는 서로 다른 코드 또는 시퀀스를 부가하여 출력하고, 상기 궤환 경로를 통해 수신된 신호에서 상기 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 이용하여 해당 그룹 내의 각 안테나 포트별로 신호를 분리하며, 상기 분리된 신호의 위상 변화를 검출하여 보상 값을 계산하는 모뎀;을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 장치는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나의 위상 보정을 위한 장치로, 상기 각 안테나에 대응하는 안테나 포트들을 포함하며, 상기 각 안테나 포트에 대응하는 궤환 포트를 포함하는 무선부; 상기 무선부의 각 안테나 포트들에 대응하는 송/수신 스위치들과 상기 송/수신 스위치들에 대응하며, 상기 궤환 포트들로부터 출력된 신호를 수신하는 아날로그-디지털 변환기들을 포함하는 스위칭 및 A/D 변환부; 및 상기 각 안테나 포트로 출력할 테스트 신호를 생성하여 출력하며, 상기 각 궤환 경로를 통해 수신된 신호로부터 위상 변화를 검출하여 보상 값을 계산하는 모뎀;을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 본 발명에서는 대용량 다중 입력/다중 출력 시스템을 사용하면, 안테나 보정에 소요되는 시간을 줄여 시스템의 부담을 줄이고, 통신의 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 대용량 다중 입력/다중 출력(massive MIMO) 안테나 시스템의 기능적인 블록 구성도이다.
도 2는 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 수신 위상을 보정하기 위한 구성도이다.
도 3은 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 송신 위상을 보정하기 위한 구성도이다.
도 4는 모뎀에서 각 안테나 포트들의 테스트를 위해 출력되는 테스트 신호의 출력 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 송신 위상을 보정하기 위한 구성도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따라 각 그룹별로 테스트 신호가 송신되는 경우를 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 송신 위상을 보정할 경우의 제어 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 송신 위상을 보정하기 위한 구성도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 송신 위상을 보정하기 위한 구성도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 다양한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면들에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 이하에 첨부된 본 발명의 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로, 본 발명의 도면에 예시된 형태 또는 배치 등에 본 발명이 제한되지 않음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 하기의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

도 1은 대용량 다중 입력/다중 출력(massive MIMO) 안테나 시스템의 기능적인 블록 구성도이다.

일반적으로 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템은 기지국에 채용되는 경우가 일반적이다. 따라서 도 1의 경우도 기지국인 경우를 가정하여 설명하기로 한다. 하지만, 경우에 따라서는 단말에서도 채용될 수 있으며, 본 발명의 사상의 범위 내에서 동일 또는 유사한 형태로 적용할 수 있다.

도 1에 예시한 바와 같이 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템은 매우 많은 수의 안테나들을 포함한다. 안테나들 1, 2, 3, …, k-2, k-1, k가 무선부 10와 연결되어 있으며, 신호를 송/수신을 수행하는 종단에 위치한다. 여기서 안테나의 개수를 나타내는 k는 매우 큰 수가 될 수 있다.

무선부 10은 각각의 안테나들 1, 2, 3, …, k-2, k-1, k로 신호를 송출하거나 또는 각각의 안테나들 1, 2, 3, …, k-2, k-1, k로부터 신호를 수신하기 위한 포트들(도 1에 미도시)을 포함할 수 있다. 또한 무선부 10은 해당하는 시스템에서 요구하는 대역으로의 신호의 상승 변환하여 출력하고, 특정 안테나 또는 복수의 안테나들로부터 수신된 신호를 중간주파수 또는 기저대역의 신호로 변환하여 출력한다. 본 발명의 설명에 필요한 무선부 10의 구성들은 후술되는 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.

스위칭 및 A/D 변환부 20은 신호를 송신하기 위한 경로와 수신하기 위한 경로를 구분하여 스위칭하며, 무선부 10으로부터 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하고, 모뎀으로부터 수신된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 출력하다. 본 발명의 설명에 필요한 스위칭 및 A/D 변환부 20에 대한 구성 또한 후술되는 도면에서 더 상세히 설명하기로 한다.

모뎀 30은 본 발명에 따라 각각의 안테나들 1, 2, 3, …, k-2, k-1, k를 처리하기 위한 신호를 생성하여 출력하고, 스위칭 및 A/D 변환부 20과 무선부 10에서 신호의 경로 설정을 제어할 수 있다. 또한 모뎀 30은 각각의 안테나들 1, 2, 3, …, k-2, k-1, k로 송신 경로 및 수신 경로에 대응하여 안테나들의 위상을 보정하기 위한 신호를 측정하고, 측정된 결과에 따른 보상을 수행할 수 있다. 모뎀 30은 상술한 동작을 제어하기 위해 통신 프로세서 형태로 구성될 수 있다. 또한 모뎀 30은 도면에 예시하지 않았으나, 신호의 위상을 측정하고 측정된 정보를 저장하고, 보정 정보를 저장하기 위한 메모리를 포함할 수 있다. 모뎀 30에 메모리를 포함하지 않는 경우 외부에 구비되어 있는 별도의 메모리(도 1에 예시하지 않음)에 상술한 데이터를 저장하거나 또는 독취(read)할 수 있다. 이러한 구체적인 동작은 후술되는 도면에서 보다 상세히 살펴보기로 한다.

제어부 40은 기지국의 전반적인 제어를 수행한다. 예컨대, 제어부 40은 자신의 셀 내에 위치한 특정한 전자장치와 데이터 또는/및 신호의 송/수신을 제어한다. 또한 제어부 40은 특정한 전자장치와 데이터의 송/수신을 위한 스케줄링을 수행할 수 있다. 뿐만 아니라 제어부 40은 상위의 네트워크에 연결된 다른 장치와 통신을 위한 제어를 수행할 수 있다. 기지국에서 수행되는 대부분의 제어는 제어부 40에서 이루어질 수 있으며, 이러한 제어 동작들은 널리 알려진 내용들이므로 여기서는 추가 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 수신 위상을 보정하기 위한 구성도이다.

이하 도 2를 참조하여 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 수신을 위한 보정이 이루어지는 구성 및 동작에 대하여 살펴보기로 한다. 또한 도 2에서 수신 위상의 측정을 설명하기 위해 수신 동작에 대응한 라인들은 실선으로 표기하였으며, 신호의 수신과 관련 없는 송신 동작에 관한 라인들은 점선으로 표기하였다. 또한 송신에 대한 구체적인 동작은 후술되는 도면을 참조하여 더 상세히 살펴보기로 한다.

먼저 도 2의 구성을 살펴보기로 하자. 무선부 10의 내부에는 안테나 수에 대응하는 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k과 별도의 송신 궤환 포트 101을 포함한다. 즉, 무선부 10의 안테나 포트 #1 11은 안테나 1과 대응되며, 안테나 포트 #2 12는 안테나 2와 대응되고, 안테나 포트 #3 13은 안테나 3과 대응되며, 안테나 포트 #k 1k는 안테나 k와 대응된다. 이에 따라 각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k는 기본적으로 각 안테나들 1, 2, 3, …, k-2, k-1, k로부터 수신된 신호를 스위칭 및 A/D 변환부 20으로 출력할 수 있다. 또한 무선부 10에는 테스트를 위한 테스트 신호를 각 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k로 궤환(feedback)하기 위한 송신 궤환 포트 101을 포함할 수 있다.

다음으로 스위칭 및 A/D 변환부 20의 구성을 살펴보면, 각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k에 대응하는 수만큼의 송/수신 스위치들 211, 212, 213, …, 21k와 A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k를 포함한다. 송/수신 스위치들 211, 212, 213, …, 21k는 각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k와 1:1 매핑될 수 있다. 도 2에 예시한 바와 같이 무선부 10의 안테나 포트 #1 11은 스위칭 및 A/D 변환부 20의 송/수신 스위치 #1 211에 대응되고, 안테나 포트 #2 12는 송/수신 스위치 #2 212에 대응되며, 안테나 포트 #3 13은 송/수신 스위치 #3 213에 대응되고, 안테나 포트 #k 1k는 송/수신 스위치 #k 21k에 대응된다. 또한 도 2에 예시한 바와 같이 송수신 스위치들 211, 212, 213, …, 21k는 각각의 A/D 변환기 221, 222, 223, …, 22k에 대응된다.

각각의 A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k는 내부에 송신할 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환기와 변환된 아날로그 신호를 대역 상승 변환하기 위한 대역 상승 변환기를 포함할 수 있다. 또한 A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k는 내부에 수신한 대역의 고주파 신호를 중간주파수 또는 기저대역의 신호로 변환하기 위한 대역 하강 변환기와 대역 하강 변환된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기를 포함할 수 있다. 도 2에서는 이러한 구성들이 모두 포함된 형태를 A/D 변환기로 예시하였다.

마지막으로 모뎀 30은 내부에 각각의 A/D 변환기 221, 222, 223, …, 22k에 대응하는 신호 계산부 또는 신호 계산 모듈을 포함할 수 있다. 도 2에서는 각 안테나 포트들에 대응하여 보상 신호 계산부들 311, 312, 313, …, 31k를 예시하였다. 또한 모뎀 30의 내부에는 수신 포트 테스트 신호를 생성하여 송신하기 위한 수신 포트 테스트 신호 송신부 301을 포함할 수 있다. 이러한 송신부 및 계산부는 각각의 모듈들로 구성하여 하드웨어적인 로직으로 구성될 수도 있고, 소프트웨어로 구성될 수도 있고, 펌웨어 형식으로 구성할 수도 있다.

그러면 위의 구성을 갖는 경우 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 수신 안테나의 위상을 측정하기 위한 동작에 대해서 살펴보기로 하자. 먼저 수신 포트 테스트 신호 송신부 301는 각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k에서 수신 신호의 위상을 검사하기 위한 테스트 신호를 생성하여 스위칭 및 A/D 변환부 20으로 출력한다. 이때 테스트 신호는 모뎀 30에서 미리 알고 있는 신호이다.

수신 포트 테스트 신호 생성부 301에서 출력된 테스트 신호는 복수의 A/D 변환기들 중 하나를 통해 아날로그 신호로 변환되고, 대역 상승 변환되어 출력될 수 있다. 도 2에서는 마지막에 예시한 A/D 변환기 #k 22k가 디지털 테스트 신호를 아날로그 테스트 신호로 변환하고, 대역 상승 변환하여 출력하는 경우를 예시하였다. 하지만, 도 2에 예시되어 있는 다른 A/D 변환기를 통해서 또는 별도의 A/변환기(도 2에 예시하지 않음)를 통해 출력되어도 무방하다.

A/D 변환기 #k 22k에서 아날로그 신호로 변환되어 출력된 테스트 신호는 송신 궤환 포트 101로 입력된다. 송신 궤환 포트 101은 각각의 안테나들과 1:1 매핑되어 있는 각 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k로 신호를 제공하기 위한 궤환 경로에 연결된다. 따라서 송신 궤환 포트 101에서 출력된 테스트 신호는 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 사용하는 모든 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k로 동일한 테스트 신호가 입력된다. 이에 따라 각 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k는 동일한 시점에서 동일한 테스트 신호를 수신할 수 있다. 각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k에서 수신된 테스트 신호는 각 안테나 포트들에 대응하는 송/수신 스위치들 211, 212, 213, …, 21k로 입력된다.

송/수신 스위치들 211, 212, 213, …, 21k는 송신 신호와 수신 신호의 경로를 스위칭하기 위한 구성이므로, 모뎀 30의 제어에 의해 또는 제어부 40의 제어에 의해 테스트 신호를 수신 루트로 스위칭할 수 있다. 도 2에서는 도면의 라인이 복잡해지므로, 이러한 제어 라인들은 도시하지 않았으며, 단지 신호의 송/수신 경로만을 도시하였다.

각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k에서 송/수신 스위치들 211, 212, 213, …, 21k를 통해 수신 패스로 연결된 테스트 신호는 해당하는 각각의 A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k로 입력된다. 각각의 A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k는 대역 상승되어 있는 아날로그의 테스트 신호들을 대역 하강변환하고, 다시 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 이처럼 각각의 A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k에서 출력된 신호는 다시 모뎀 30에 포함된 각 안테나 포트 보상 신호 계산부들 311, 312, 313, …, 31k로 입력된다.

각 안테나 포트 보상 신호 계산부들 311, 312, 313, …, 31k는 궤환되어 입력된 테스트 신호를 수신한 후 미리 알고 있는 송신 신호를 이용하여 위상의 변화를 검출할 수 있다. 이처럼 위상의 변화를 검출하면, 송신한 신호로부터 수신한 신호의 위상을 대비함으로써 수신 경로에서의 위상 변화를 계산할 수 있다. 따라서 모뎀 30은 각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k에 대응한 수신 경로들에 대하여 각 안테나 별로 위상의 보정을 수행할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 수신 신호에 대한 보상은 한 번의 신호를 송신하여 궤환 경로를 통해 각 경로 별로 용이하게 위상 변화를 검출할 수 있다. 이를 통해 수신 경로마다 필요한 위상 보정 값이 저장된 테이블로부터 위상을 보정하거나 또는 미리 설정된 보정 연산을 통해 각 수신 경로 별로 안테나의 위상을 조정할 수 있다.

도 3은 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 송신 위상을 보정하기 위한 구성도이다.

그러면 도 3을 참조하여 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나의 송신 위상을 보정하는 구성 및 동작에 대하여 살펴보기로 하자. 도 3에서는 도 2와 달리 송신 위상의 측정을 설명하기 위한 구성이므로, 송신 동작에 대응한 라인들은 실선으로 표기하였으며, 신호의 송신과 관련 없는 수신 동작에 관한 라인들은 점선으로 표기하였다.

도 3의 구성을 도 2와 대비하여 살펴보면, 기본적인 구성들은 모두 동일하다. 다만 무선부 10 내에 수신 궤환 포트 102를 포함하며, 각 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k는 수신 궤환 포트 102와 경로가 연결된 상태이다. 즉, 각 안테나 포트들에서 출력된 신호들이 직접 안테나로 출력되지 않고, 테스트를 위해 설정된 수신 궤환 포트 102로 연결된다.

또한 모뎀 30은 각 안테나 포트들로 출력할 신호들을 생성하여 스위칭 및 A/D 변환부 20로 출력한다. 스위칭 및 A/D 변환부 20의 구성은 앞서 살펴본 도 2의 구성과 동일한 구성을 가진다. 따라서 스위칭 및 A/D 변환부 20은 각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k에 대응하는 수만큼의 송/수신 스위치들 211, 212, 213, …, 21k와 A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k를 포함한다. 송/수신 스위치들 211, 212, 213, …, 21k는 각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k와 1:1 매핑될 수 있다. 또한 송수신 스위치들 211, 212, 213, …, 21k는 각각의 A/D 변환기 221, 222, 223, …, 22k에 대응된다. 앞서 설명한 바와 같이 각각의 A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k는 내부에는 송신할 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환기와 변환된 아날로그 신호를 대역 상승 변환하기 위한 대역 상승 변환기를 포함할 수 있으며, A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k는 내부에 수신한 대역의 고주파 신호를 중간주파수 또는 기저대역의 신호로 변환하기 위한 대역 하강 변환기와 대역 하강 변환된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기를 포함할 수 있다.

그러면 이상의 구성을 갖는 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 송신 위상을 보정하기 위한 동작을 살펴보기로 하자.

모뎀 30은 각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k로 출력하기 위한 신호를 생성하여 각 안테나 포트들에 대응하여 순차적으로 테스트 신호를 생성하여 출력한다. 이때 테스트 신호는 모뎀 30이 미리 알고 있는 신호가 된다. 그러면 각각의 A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k는 입력된 테스트 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 대역 상승 변환하여 출력한다. 각각의 A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k에서 출력된 신호는 송/수신 스위치들 211, 212, 213, …21k에서 안테나 포트로 송신 경로를 설정하여 출력된다. 그러면 각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …1k에서는 송신 신호를 수신 궤환 포트 102로 궤환한다.

수신 궤환 포트 102는 입력된 신호를 다시 A/D 변환기들 221, 222, 223, …, 22k 중 하나로 입력한다. 도 3에서는 마지막에 도시한 A/D 변환기 #k 22k로 입력되는 경우를 예시하고 있다. 따라서 A/D 변환기 #k 22k는 입력된 신호를 다시 대역하강 변환하고, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 모뎀 30으로 출력한다.

이때, 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서는 매우 많은 수의 안테나를 가지므로, 무선부 10의 안테나 포트들은 매우 많은 수의 안테나에 대응하여 매우 많은 수의 안테나 포트들을 가진다. 반면에 도 3에 예시한 바와 같이 각각의 안테나에 대응하는 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k로부터 테스트 신호를 궤환하기 위한 포트는 하나만을 가지고 있다. 따라서 한 번에 모든 안테나 포트로 신호가 송신되면 수신 궤환 포트 102에서는 모든 신호들이 혼합된 상태로 입력된다. 따라서 어떠한 안테나 포트에서 입력된 신호인지에 대해 구분할 수 없게 되는 문제가 있다. 따라서 모뎀 30은 각각의 안테나 포트들로 출력할 테스트 신호를 시간적으로 연속한 형태로 출력할 수 있다.

도 3에서 살핀 바와 같이 송신 경로에 대하여 테스트 신호를 송신하는 경우 수신 궤환 포트 102를 하나의 경로만 두는 이유는 테스트 신호를 송신하여 위상을 측정하고, 보상이 이루어지는 경우 각 수신 경로간의 위상(phase) 및 증폭도(amplitude)의 차이로 인한 추가적인 고려를 배제하기 위함이다.

도 4는 모뎀에서 각 안테나 포트들의 테스트를 위해 출력되는 테스트 신호의 출력 타이밍도이다.

도 4를 참조하면, 각각의 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k로 순차적으로 테스트 신호들 401, 402, 403, …, 40k가 출력되는 형태를 예시하였다. 즉, t0의 시점부터 t1의 시점까지는 안테나 포트 #1 11로 출력하기 위한 테스트 신호 401이 모뎀 30에서 출력되며, t11의 시점부터 t12의 시점까지는 제2안테나 포트 #2 12로 출력하기 위한 테스트 신호 402가 모뎀 30에서 출력되고, t2의 시점부터 t3의 시점까지는 안테나 포트 #3 13으로 출력하기 위한 테스트 신호 403이 모뎀 30에서 출력되며, t(k-1)의 시점부터 t(k)의 시점까지는 제k안테나 포트 #k 1k로 출력하기 위한 테스트 신호 40k가 모뎀 30에서 출력된다. 여기서 각 테스트 신호들 사이에 약간의 신호의 출력 경로를 변경하기 위한 시간은 고려하지 않은 상태에서 도 4의 도면을 예시하였다.

따라서 실제로 수신 궤환 포트 102에서는 각 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k로부터 도 4와 같은 형태로 각각의 테스트 신호들이 입력되며, 결과적으로 A/D 변환기 22k로 입력되는 형태도 동일한 형태가 된다. 이에 따라 다시 모뎀 30에서 각 안테나 포트들 11, 12, 13, …, 1k에 대하여 테스트 신호를 수신하여 각 안테나 포트들에 대한 위상을 측정할 수 있다.

하지만, 이상에서 설명한 방식에서는 모뎀 30에서 각각의 안테나 포트들 별로 신호를 송신해야 하기 때문에 안테나의 수와 모뎀 30에서의 처리 시간에 비례하여 송신 경로의 위상 측정 및 각각의 안테나 포트들에 대한 보정에 매우 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 송신 위상을 보정하기 위한 구성도이다.

도 5를 참조하면, 기본적인 블록의 구성은 앞서 설명한 도 2 및 도 3의 구성과 동일한 형태로 이해될 수 있다. 다만 도 5에서는 송신 테스트 신호를 처리하기 위해 복수의 안테나 포트들 단위로 그룹핑(grouping)을 수행한다. 도 5에서는 설명의 편의를 위해 안테나 포트들을 2개의 그룹을 형성한 형태로 도시하였다. 하지만 도 5에 예시한 바와 달리 2개 이상 복수 개의 그룹으로 안테나 포트들을 그룹핑할 수도 있다.

먼저 도 5의 구성을 살펴보기로 한다. 각각의 안테나 포트들 11, 12, …, 1(k-p-1)는 하나의 그룹으로 형성되어 하나의 수신 궤환 포트 #1 111로 입력된다. 또한 다른 그룹의 안테나 포트들 1(k-p), 1(k-p+1), …, 1k는 다른 하나의 수신 궤환 포트 #2 112로 입력된다. 각 안테나 포트들 11, 12, …,1(k-p-1), 1(k-p), 1(k-p+1), …1k는 앞서 설명한 바와 같이 각각의 스위칭 및 A/D 변환부 20의 내부에 포함된 각각의 송/수신 스위치들 211, 212, …, 21(k-p), 21(k-p+1), … 21k와 1:1 매핑된다. 또한 각각의 송/수신 스위치들 211, 212, …, 21(k-p), 21(k-p+1), … 21k는 각각의 A/D 변환기들 221, 222, …, 22(k-p-1), 22(k-p), 22(k-p+1), …, 22k와 1:1 매핑된다.

도 3과 대비할 때, 무선부 10 내에 수신 궤환 포트 #1 111 및 수신 궤환 포트 #2와 같이 복수의 수신 궤환 포트들을 가지며, 각각이 수신 궤환 포트들 111, 112는 해당하는 그룹 내의 A/D 변환기들로 신호를 출력하도록 경로가 설정된다. 도 5에서는 수신 궤환 포트 #1 111의 궤환 경로가 A/D 변환기 22(k-p-1)로 입력되도록 예시하였으며, 수신 궤환 포트 #2 112의 궤환 경로가 A/D 변환기 22k로 입력되도록 예시하였다.

따라서 무선부 10의 각 안테나 수와 안테나 포트의 수는 앞서 설명한 도 3의 경우와 동일하다. 이처럼 안테나 포트들을 그룹핑하는 경우 모뎀 30은 그룹핑된 각각의 안테나 포트들로 동일 시점에 기준 신호들을 생성하여 출력할 수 있다. 이를 위해 본 발명에서는 먼저 각 그룹들 간의 평균 지연(delay)을 보정하고, 송신 테스트 신호를 생성하여 출력한다. 또한 각 그룹 내에 포함된 각각의 안테나 포트로의 경로에 대응하여 위상의 보정을 위해 동일 시점에 동일한 테스트 신호들을 송신하기 위해 각각의 포트로 송신될 테스트 신호들에 대하여 직교성을 갖는 코드(orthogonal code)를 곱하여 출력한다. 따라서 안테나 포트의 그룹 수는 모뎀 30에서 테스트 신호의 송신 및 수신에 대응하여 한 번에 처리할 수 있는 개수와 직교성을 갖는 코드의 수에 따라 결정될 수 있다.

즉, 모뎀 30은 제1그룹의 각 안테나 포트들 11, 12, …1(k-p-1)의 경로로 출력하여 궤환할 테스트 신호들 각각에 직교성을 갖는 코드들을 곱하여 동시에 출력한다. 그러면 각각의 A/D 변환기들 221, 222, …, 22(k-p-1)는 직교 코드가 곱해진 테스트 신호들을 아날로그 신호로 변환하고, 대역 상승하여 출력한다. 이에 따라 각 A/D 변환기들 221, 222, …, 22(k-p-1)에 대응하는 송/수신 스위치들 211, 212, …, 21(k-p-1)은 테스트 신호가 대응하는 각각의 안테나 포트들 11, 12, …, 1(k-p-1)로 입력되도록 설정하여 출력한다.

이에 따라 제1그룹에 속하는 각 안테나 포트들 11, 12, …, 1(k-p-1)은 수신 궤환 포트 #1 111로 신호를 출력한다. 앞에서 설명한 바와 같이 각 안테나 포트들 11, 12, …, 1(k-p-1)로 출력된 신호들은 모두 동일 시점에 직교성을 갖는 코드가 곱해진 상태로 출력된 신호들이므로, 수신 궤환 포트 #1 111에서 수신된 신호는 동일 시점에 입력된다. 따라서 제1그룹에 해당하는 수신 궤환 포트 #1 111은 동일 시점에 입력된 직교성을 갖는 코드가 곱해진 신호를 A/D 변환기 22(k-p-1)로 한 번에 출력할 수 있다.

이에 따라 A/D 변환기 22(k-p-1)는 입력된 신호를 대역 하강변환하고, 다시 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 모뎀 30으로 출력한다. 모뎀 30은 내부에 각 그룹에 대응하여 송신 포트 보상 신호 계산부들 501, 502를 포함할 수 있다. 모뎀 30의 내부에 포함된 각각의 송신 포트 보상 신호 계산부들 501, 502는 프로그램 형태로 구현할 수도 있고, 로직 형태로 구현할 수도 있으며, 펌웨어 형태로 구현할 수도 있다. 송신 포트 보상 신호 계산부 501과 502는 동일한 동작을 수행하므로, 하나의 동작만을 살펴보기로 하자.

송신 포트 보상 신호 계산부 #1 501은 직교성을 갖는 코드가 곱해진 각 안테나 포트들 11, 12, …, 1(k-p-1)로 출력된 테스트 신호들을 한 번에 수신하여 각각의 코드를 다시 곱하여 제거함으로써 각 포트들 11, 12, …, 1(k-p-1)로 출력된 신호들을 구분할 수 있다. 이를 통해 각 포트마다 테스트 신호의 송신 경로에 따른 위상의 변화를 쉽게 검출할 수 있다.

제2그룹인 안테나 포트들 1(k-p), 1(k-p+1), …, 1k로 출력되는 신호들은 제1그룹의 코드와 동일한 코드를 사용할 수 있으며, 동일 시점에 신호를 송신하도록 구성할 수도 있고, 제1그룹의 신호가 송신된 이후에 제2그룹의 테스트를 위한 신호들을 한 번에 송신하도록 구성할 수도 있다. 이러한 시점의 결정은 모뎀 30의 처리 능력에 따라 각 그룹별로 일정한 시간 차이를 두고 테스트 신호가 전송되도록 구성하거나 또는 각 그룹들로 모두 동시에 테스트 신호가 전송되도록 구성할 수 있다.

그러면 여기서 직교성을 갖는 코드들에 대하여 좀 더 살펴보기로 하자. 직교성을 갖는 코드에서 요구되는 특징은 아래와 같다.

1) 서브 밴드별로 누적할 시 직교성(orthogonal) 특징에 의해 각 안테나별로 시퀀스의 구분이 가능해야 한다.

2) 최소 서브 밴드별로 테스트에 필요한 안테나의 수만큼 분할(division)할 수 있는 코드의 직교가 필요하다.

위의 코드 시퀀스 특징을 만족하면서 코드 분할하여 테스트 신호로 사용 가능한 시퀀스 또는 코드는 자도프-추(Zadoff-Chu) 시퀀스, 월시 코드(Walsh code), 하다마드(Hadarmad) 시퀀스 등이 있다. 또한 위의 시퀀스들 또는 코드들을 이용하여 안테나 별 위상 응답(phase response)은 아래 <수학식 1>과 같이 계산할 수 있다.

<수학식 1>에서

는 테스트 신호의 중에서 m번째 안테나의 k번째 주파수에 해당하는 테스트 신호이고,

는 m번째 안테나의 k번째 서브캐리어에 해당하는 위상 응답이다. 각 안테나에서 동일 시간에 전송되는

는 수신단에서 안테나 별로 합쳐져서 k번째 주파수를 통해 수신되는 신호가 <수학식 1>과 같이 표현된다.

또한 <수학식 1>의 코드 시퀀스는 특징에 따라 하기 <수학식 2>가 성립한다.

이에 따라 다시 <수학식 1>과 <수학식 2>를 이용하여 m번째 안테나의 k번째 서브캐리어의 응답인

를 계산할 수 있다. 단 m번째 안테나의 k번째 서브캐리어의 응답인

는 서브 밴드의 누적에 의해 계산된 값이므로, 톤의 개수(N_tone)의 서브캐리어는 동일한

을 적용해야 한다. 즉, 안테나 위상 특성이 서브밴드의 톤의 개수(N_tone)내에서는 플랫(flat)하다는 가정이 필요하다. 이에 따라 하기 <수학식 3>과 같이 결정될 수 있다.

그러면 이상에서 설명한 형태에 따라 다양하게 테스트 신호가 전송될 수 있는 방안들에 대하여 살펴보기로 한다. 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따라 각 그룹별로 테스트 신호가 송신되는 경우를 설명하기 위한 타이밍도이다.

먼저 도 6a를 참조하면, 그룹으로 구분된 포트들의 구분 없이 모든 포트들로 동일한 시점인 t0의 시점부터 t1의 시점까지 테스트 신호가 송신된다. 이때, 각각의 테스트 신호들은 포트별로 구분된 그룹 내에서 서로 다른 직교성을 갖는 코드가 곱해진 상태이다. 즉, 안테나 포트 #1 11로 출력되는 테스트 신호 601과 안테나 포트 #2 12로 출력되는 테스트 신호 602는 동일한 테스트 신호이지만 서로 다른 직교성을 갖는 코드가 곱해진 상태이다. 이러한 코드는 CDM 코드를 사용할 수 있다. 이때, 각 그룹들 간에는 서로 동일한 코드들이 사용될 수 있다. 가령 안테나 포트 #1 11로 출력되는 신호에 곱해진 직교 코드와 안테나 포트 #k-p 1(k-p)에 곱해진 직교 코드는 같은 코드가 될 수 있다. 즉, 각 그룹별로 직교 코드를 재사용할 수 있다. 이와 같은 방법을 이용하여 도 6a에서는 안테나 포트 #1 11부터 안테나 포트 #k까지 모두 한 번에 테스트 신호가 송신되는 경우를 예시한 타이밍도이다.

다음으로 도 6b를 참조하면, 각 그룹별로 테스트 신호를 송신하는 시점을 달리하는 경우이다. 즉, 제1그룹인 안테나 포트 11, 12, …, 1k-p-1로 출력되는 각각의 테스트 신호들이 모두 동일하게 t0의 시점부터 t1의 시점까지 전송된다. 이때에도 각각의 테스트 신호들 601, 602, …60k-p-1은 서로 다른 직교성을 갖는 코드들이 곱해진 신호이며, 예컨대 CDM 코드가 곱해진 상태일 수 있다. 이처럼 제1그룹의 안테나 포트들에 대하여 테스트 신호를 송신 및 궤환하여 각 안테나 포트들의 경로별로 위상의 변화를 검사하고 각각에 대응한 보상을 수행할 수 있다.

이후 다시 t21시점부터 t22의 시점까지 제2그룹인 안테나 포트 1(k-p), 1(k-p+1), …, 1k로 출력되는 각각의 테스트 신호들이 전송된다. 이때에도 각각의 테스트 신호들 60k-p, 60k-p+1, …60k는 서로 다른 직교성을 갖는 코드들이 곱해진 신호이며, 예컨대 CDM 코드가 곱해진 상태일 수 있다. 또한 제1그룹과 제2그룹은 서로 다른 그룹이므로, 서로 동일한 코드가 사용될 수 있다. 예컨대, 안테나 포트 #1 11로 출력되는 신호에 곱해진 직교 코드와 안테나 포트 #k-p 1(k-p)에 곱해진 직교 코드는 같은 코드가 될 수 있다. 즉, 각 그룹별로 직교 코드를 재사용할 수 있다.

이처럼 제1그룹의 안테나 포트들에 대한 테스트 신호의 송신 및 궤환 처리가 이루어진 후 다시 제2그룹의 안테나 포트들에 대하여 테스트 신호를 송신 및 궤환하여 각 안테나 포트들의 경로별로 위상의 변화를 검사하고 각각에 대응한 보상을 수행할 수 있다. 도 6b와 같이 신호를 송신하는 경우에는 도 5에서 수신 궤환 포트를 하나만 갖도록 구성할 수 있다. 즉, 하나의 수신 궤환 포트만을 이용하고, 각각의 안테나 포트들에 대한 그룹핑은 동일하게 한 후 각 그룹별로 서로 다른 시간에 테스트 신호를 송신하도록 구성하는 것이 가능하다. 도 6b의 경우처럼 송신하는 경우의 이점은 무선부 10에 궤환 포트를 추가로 구성하기 어려운 경우에 본 발명을 적용할 수 있다. 도 6b의 물리적인 구성 형태는 후술되는 도 8에서 다시 살펴보기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 송신 위상을 보정할 경우의 제어 흐름도이다.

이하의 설명에서 도 7의 흐름도는 제어부 40에서 이루어질 수도 있고, 모뎀 30에서 이루어질 수도 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 모뎀 30에서 이루어지는 경우로 설명하기로 한다.

모뎀 30은 700단계에서 테스트 신호의 궤환 경로를 설정하도록 제어한다. 즉, 도 5에서 송/수신 스위치들 211, 212, …, 21(k-p-1), 21(k-p), 21(k-p+1), …, 21k의 송/수신 스위치 경로를 송신 패스가 되도록 설정한다. 또한 모뎀 30은 700단계에서 각각의 안테나 포트들 11, 12, 1(k-p-1)까지의 안테나 포트는 수신 궤환 포트 #1 111로 연결되도록 제어하고, 안테나 포트 1(k-p), 1(k-p+1), …, 1k까지의 안테나 포트는 수신 궤환 포트 #2 112로 연결되도록 스위칭을 수행한다.

이후 모뎀 30은 710단계에서 송/수신 스위치와 무선부 10 간의 각 그룹별 안테나 경로의 평균 지연을 보상한다. 가령 수신 궤환 포트 #1 111로의 궤환 경로와 수신 궤환 포트 #2 112로의 궤환 경로의 지연이 상이한 경우 해당하는 값만큼 보상하는 것이다. 예를 들어 수신 궤환 포트 #1 111로의 궤환 경로가 수신 궤환 포트 #2 112로의 궤환 경로보다 0.1ms 만큼 빠른 속도를 갖는 경우 수신 궤환 포트 #1 111로의 신호를 0.1ms만큼 지연시켜 출력할 수 있다. 다른 방법으로 수신 신호에서 지연시간만큼을 보상할 수도 있다. 710단계는 각 궤환 경로 별 보상 값을 미리 인지하는 단계임을 밝혀둔다.

710단계의 지연을 보상한 후 모뎀 30은 720단계로 진행하여 모든 안테나 포트로 각각 직교 코드를 곱한 테스트 신호를 송신한다. 즉, 도 6a에서와 같이 모든 포트들로 신호를 송신하며, 송신되는 신호는 앞서 설명한 바와 같이 직교 코드 또는 시퀀스가 곱해진 형태로 출력된다. 따라서 720단계에서 신호가 전송되면, 각각의 경로마다 A/D 변환기들 221, 222, …, 22(k-p-1), 22(k-p), 22(k-p+1), …, 22k와 송/수신 스위치들 211, 212, …, 21(k-p-1), 21(k-p), 21(k-p+1), …, 21k를 통해 해당하는 각각의 안테나 포트들 11, 12, …, 1(k-p-1), 1(k-p), 1(k-p+1), …, 1k로 출력되어 해당하는 수신 궤환 포트들 111, 112로 입력된다. 궤환 포트들은 다시 연결된 A/D 변환기들 22(k-p-1), 22k를 통해 모뎀 30으로 신호가 궤환된다.

모뎀 30은 궤환된 신호는 모든 신호가 동일 시점에 전송되었거나 시간 보상이 이루어진 상태일 수 있다. 만일 시간 보상이 이루어지지 않고 전송된 경우 모뎀 30은 수신된 신호를 이용하여 시간 보상을 수행한다. 이후 각 궤환 포트마다 수신된 신호에서 각 안테나 포트 별 신호를 분리한다. 이러한 분리는 앞서 설명한 <수학식 3>을 이용할 수 있다. 이처럼 신호를 분리한 후 모뎀 30은 740단계로 진행하여 분리된 신호로부터 각 안테나 포트의 위상 변화를 검출 또는 계산할 수 있다.

모뎀 30은 740단계에서 분리된 신호들 각각에 대하여 각 안테나 별로 위상 변화를 검출하고, 750단게에서 검출된 위상 변화에 기반하여 송신 신호의 보정 값을 생성할 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 송신 위상을 보정하기 위한 구성도이다.

도 8의 무선부 10은 앞서 설명한 도 3의 경우와 동일한 구성을 가진다. 또한 스위칭 및 A/D 변환부 20의 구성도 도 3의 구성과 동일한 구성을 가진다. 다만, 도 8에서는 안테나 즉, 안테나 포트들을 도 5와 같이 그룹핑하고, 그룹핑된 안테나 포트들로 신호를 송신하도록 구성한다. 따라서 도 6b에서 살핀 바와 같이 그룹핑된 안테나 포트들에 대하여 테스트 신호를 시간 분할하여 전송해야 한다. 각 그룹별 안테나 포트에 대한 보상은 도 7에서 설명한 방법을 그대로 이용할 수 있다.

도 8의 경우는 도 5의 경우보다 각 안테나로의 경로의 보상을 위한 프로세스에 더 많은 시간이 소요된다. 하지만, 도 8의 경우는 수신 궤환 포트를 하나만 갖도록 구성하고, 스위칭 및 A/D 변환부 20의 구성에도 추가적인 변화를 주지 않음으로써 기존의 형태를 그대로 유지할 수 있는 장점이 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 안테나들의 송신 위상을 보정하기 위한 구성도이다.

도 9는 각 안테나 포트마다 수신 궤환 포트들을 포함하는 경우이다. 도 9를 참조하면, 무선부 10의 구성에서 안테나 포트 #1 11에 대응하는 수신 궤환 포트 #1 121이 연결되고, 안테나 수신 포트 #2 12에 대응하는 수신 궤환 포트 #2 122가 연결되고, 안테나 포트 #k에 대응하는 수신 궤환 포트 #k 12k가 연결된다. 이처럼 각각의 안테나 포트마다 수신 궤환 포트들 121, 122, …, 12k를 포함하고, 각각의 궤환 포트들 121, 122, …, 12k는 해당하는 안테나 포트와 대응하는 A/D 변환기들 221, 222, …22k로 신호를 궤환하도록 연결한다.

따라서 모뎀 30은 내부에 각 안테나 포트에 대응하여 송신 포트 보상 신호 계산부들 901, 902, …, 90k를 포함할 수 있다. 또한 송신 포트 보상 신호 계산부들 901, 902, …, 90k는 앞에서 설명한 바와 같이 별도의 로직으로 구성할 수도 있고, 프로그램으로 구성할 수도 있으며, 펌웨어 형식으로 구현할 수도 있다.

도 9와 같은 형태의 구성은 각 안테나 포트 별로 궤환 루프를 구성하기 때문에 대용량 다중 입력/다중 출력 안테나 시스템에서 무선부 10과 스위칭 및 A/D 변환부 20의 부하가 커질 수 있다. 뿐만 아니라 모뎀 30에서도 각각의 안테나 포트에 대한 송신 경로마다의 지연을 고려해야 하므로, 추가적인 계산이 더 필요할 수 있다. 즉 시스템의 전체적인 부담이 증가한다.

하지만, 도 9와 같이 구성하는 경우 송신 경로의 테스트를 위해 신호 생성 시 별도의 추가적인 동작 예컨대, 코드나 시퀀스를 곱해주고, 수신된 신호에서 이를 제거하는 동작이 필요하지 않으므로 직교성을 갖는 코드를 필요로 하지 않는다. 또한 각 경로(path) 별로 응답을 구하는 경우 서브밴드 방식으로 누적하지 않고 각 서브 캐리어별로 측정할 수 있는 이점이 있다.

그러면 이상에서 설명한 각각의 방식들의 이점을 다시 정리하여 살펴보기로 한다. 본 발명에서 제안하는 대용량 안테나 시스템에서의 보상(calibration)을 위한 테스트 신호의 궤환 방식을 적용하는 경우 안테나 개수에 따라 선형적으로 증가하는 송신 프로세싱 시간(Tx calibration processing time)을 코드 그룹에 따라 구분된 그룹의 개수나 궤환 포트의 수만큼으로 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한 마지막 실시 예의 경우 이러한 직교성을 갖는 코드를 처리하는 등의 추가적인 시간의 소요 없이 빠르게 보상을 위한 테스트 신호를 궤환하여 각 안테나 포트 별의 지연 및 위상 변화를 검출하고, 보상할 수 있다.

앞서 설명한 도 3의 경우와 본 발명의 제1실시 예(도 5)의 경우 및 제2실시 예(도 8)의 경우 및 제3실시 예(도 9)에 따라 테스트 신호를 이용하여 송신 보상 처리 시간을 비교하면 아래 <표 1>과 같이 예시할 수 있다.

위의 표에서는 편의상 송신 경로마다 보상 처리 시간(calibration processing time)을 τ 로 가정한 경우이다. 따라서 도 5의 경우는 2개의 궤환 루프가 아닌 L개의 그룹으로 구성된 경우로 일반화하였으며, 전체 안테나의 개수는 N_Tx로 가정한 경우이다. 위에 <표 1>에 예시되어 있는 바와 같이 본 발명의 실시 예들에 따르면 도 3에서와 같이 각 안테나 포트마다 수행해야 하는 보상(calibration)의 시간을 효율적으로 줄일 수 있는 이점이 있다.

이상에서 설명한 본 명세서와 도면에 개시된 실시 예들은 본 발명의 내용을 쉽게 설명하고, 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 예컨대, 도 8a 내지 도 8i에서는 다양한 형태를 예시하고자 하였으나, 자성을 갖는 물질들로 코어를 구성하는 모든 형태를 다 예시할 수 없으며, 본 발명의 사상과 동일한 내용을 기반으로 구성되는 다양한 변형 실시가 가능하다.

10 : 무선부
11, 12, 13, 1k, 1(k-p-1), 1(k-p), 1(k-p+1) : 안테나 포트
20 : 스위칭 및 A/D 변환부
211, 212, 213, 21k, 21(k-p-1), 21(k-p), 21(k-p+1) : 송/수신 스위치
221, 222, 223, 22k, 22(k-p-1), 22(k-p), 22(k-p+1) : A/D 변환기
30 : 모뎀
111, 112, 12k : 수신 궤환 포트
302, 501, 502, 801, 901, 902, 90k : 송신 포트 보상 신호 계산부

Claims

대용량 안테나 시스템에서 안테나의 위상 보정 방법에 있어서,
상기 대용량 안테나들을 미리 설정된 개수의 그룹으로 그룹핑하는 단계;
상기 그룹핑 된 안테나 포트들이 궤환 경로를 갖도록 경로를 설정하는 단계;
상기 각 그룹의 각 안테나 포트로 출력할 테스트 신호를 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 부가하여 출력하는 단계;
상기 궤환 경로를 통해 수신된 신호에서 상기 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 이용하여 해당 그룹 내의 각 안테나 포트별로 신호를 분리하는 단계; 및
상기 분리된 신호의 위상 변화를 검출하여 보상 값을 계산하는 단계;를 포함하는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 방법.
제1항에 있어서,
상기 각 그룹마다 미리 계산된 평균 지연을 보상하는 단계;를 더 포함하는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 방법.
제1항에 있어서, 상기 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스는,
월시 코드(Walsh code) 또는 자도프-추(Zadoff-Chu) 시퀀스 또는 하다마드 시퀀스(Hadarmad sequence) 중 하나인, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 방법.
제3항에 있어서, 상기 그룹의 개수는,
상기 직교성을 갖는 코드들의 수 또는 시퀀스의 수에 따라 결정되는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 방법.
제1항에 있어서,
상기 테스트 신호를 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 부가하여 출력할 시 상기 그룹 단위로 순차적으로 출력하는 단계를 더 포함하는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 방법.
제1항에 있어서,
상기 테스트 신호를 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 부가하여 출력할 시 상기 그룹핑된 모든 그룹의 테스트 신호를 동시에 출력하는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 방법.
제1항에 있어서, 상기 직교성을 갖는 코드는,
상기 각 그룹마다 재사용되는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 방법.
대용량 안테나 시스템에서 안테나의 위상 보정을 위한 장치에 있어서,
상기 각 안테나에 대응하는 안테나 포트들을 포함하며, 미리 결정된 안테나 개수 단위로 그룹핑된 궤환 포트를 포함하는 무선부;
상기 무선부의 각 안테나 포트들에 대응하는 송/수신 스위치들과 상기 송/수신 스위치들에 대응하는 아날로그-디지털 변환기들을 포함하는 스위칭 및 A/D 변환부; 및
상기 그룹핑 된 안테나 포트들이 궤환 경로를 갖도록 경로의 설정을 제어하고, 각 그룹의 각 안테나 포트로 출력할 테스트 신호를 생성하며, 생성된 테스트 신호마다 직교성을 갖는 서로 다른 코드 또는 시퀀스를 부가하여 출력하고, 상기 궤환 경로를 통해 수신된 신호에서 상기 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 이용하여 해당 그룹 내의 각 안테나 포트별로 신호를 분리하며, 상기 분리된 신호의 위상 변화를 검출하여 보상 값을 계산하는 모뎀;을 포함하는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 장치.
제8항에 있어서, 상기 모뎀은,
상기 각 그룹마다 미리 계산된 평균 지연을 보상하는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 장치.
제8항에 있어서, 상기 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스는,
월시 코드(Walsh code) 또는 자도프-추(Zadoff-Chu) 시퀀스 또는 하다마드 시퀀스(Hadarmad sequence) 중 하나인, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 장치.
제10항에 있어서, 상기 그룹의 개수는,
상기 직교성을 갖는 코드들의 수 또는 시퀀스의 수에 따라 결정되는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 장치.
제8항에 있어서, 상기 무선부는,
하나의 궤환 포트를 가지며,
상기 모뎀은 각 그룹마다 상기 테스트 신호를 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 부가하여 출력할 시 상기 그룹 단위로 순차적으로 출력하도록 제어하는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 장치.
제8항에 있어서, 상기 무선부는,
상기 테스트 신호를 직교성을 갖는 코드 또는 시퀀스를 부가하여 출력할 시 상기 그룹핑된 모든 그룹의 테스트 신호를 동시에 출력하도록 제어하는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 장치.
제8항에 있어서, 상기 직교성을 갖는 코드는,
상기 각 그룹마다 재사용되는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 장치.
대용량 안테나 시스템에서 안테나의 위상 보정을 위한 장치에 있어서,
상기 각 안테나에 대응하는 안테나 포트들을 포함하며, 상기 각 안테나 포트에 대응하는 궤환 포트를 포함하는 무선부;
상기 무선부의 각 안테나 포트들에 대응하는 송/수신 스위치들과 상기 송/수신 스위치들에 대응하며, 상기 궤환 포트들로부터 출력된 신호를 수신하는 아날로그-디지털 변환기들을 포함하는 스위칭 및 A/D 변환부; 및
상기 각 안테나 포트로 출력할 테스트 신호를 생성하여 출력하며, 각 궤환 경로를 통해 수신된 신호로부터 위상 변화를 검출하여 보상 값을 계산하는 모뎀;을 포함하는, 대용량 안테나 시스템에서 안테나 위상 보정 장치.