KR20050017112A - Improvements in or relating to multiple transmission channel wireless communication systems - Google Patents
Improvements in or relating to multiple transmission channel wireless communication systemsInfo
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Abstract
본 발명은 MIMO 시스템 등과 같은 다중 전송 채널 무선 통신 시스템(multiple transmission channel wireless communication system)을 제공하는데, 이 시스템은 전송 스테이션과 적어도 하나의 수신 스테이션을 포함하고, 적어도 하나의 상기 스테이션은 복수의 이격된 안테나 소자(16A, 16B)를 포함하는 안테나 시스템을 구비하며, 각각의 안테나 소자는 관심 주파수의 절반 미만만큼 떨어져 있는 서브-어레이(sub-array)의 적어도 2개의 안테나(20A, 20B)를 포함한다. 각 안테나 소자의 안테나는 방향성 전파 또는 수신을 제공하도록 제어될 수 있다.The present invention provides a multiple transmission channel wireless communication system, such as a MIMO system, the system comprising a transmission station and at least one receiving station, the at least one station being a plurality of spaced apart An antenna system comprising antenna elements 16A, 16B, each antenna element comprising at least two antennas 20A, 20B of sub-arrays separated by less than half of the frequency of interest. . The antenna of each antenna element can be controlled to provide directional propagation or reception.
Description
본 발명은 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 및 공간 다이버시티 무선 통신 시스템(spatial diversity wireless communication systems) 등과 같은 다중 전송 채널 무선 통신 시스템(multiple transmission channel wireless communication system)과 그의 개선에 관한 것이고, 특히 이러한 통신 시스템에서 이용되는 안테나 시스템에 관련되지만 이것으로 한정되지 않는다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to multiple transmission channel wireless communication systems such as Multiple Input Multiple Output (MIMO) and spatial diversity wireless communication systems and the like, and more particularly, to such communication. It relates to, but is not limited to, the antenna system used in the system.
예를 들면 (1) Forschini G. J, Gans M. J에 의한 "On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas"라는 명칭의 문헌(Wireless-Personal-Communications(네덜란드), vol.6, no.3, pp.311∼335, 1998년 3월) 및 (2) Telatar I E에 의한 "Capacity of multi-antenna Gaussian Channels"라는 제목의 문헌(Tech. Rep. #BL0112170-950615-07TM AT&T Bell Laboratories, 1995)에서의 정보 이론(information Theory)에 대한 최근의 발전은, 송신기 및 수신기에서 모두 다수의 안테나를 이용함으로써 무선 통신 시스템 내에서 유례가 없던 정도의 능력을 획득할 수 있는 것으로 확인되었다. 다수의 안테나가 양쪽단에 존재하여, 안테나의 공간적 분리에 의해 수많은 서로 다른 방향으로 송신 및 수신되는 신호 에너지의 여러 경로들을 식별할 수 있기 때문에 이러한 능력의 증가가 이루어진 것이다. 따라서, 다수의 신호 또는 서브-스트림(substreams)은 동시에 전송될 수 있고 디코딩될 수 있다. 이를 이용하는 기법 중의 하나는 BLAST(Bell Labs Layered Space Time)로 알려져 있는데, 그 세부 사항은 (3) Foschini G J에 의한 "Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas"라는 제목의 문헌(Bell-Labs-Technical-Journal(미국), vol.1, no.2, pp.41∼59, 1996년 가을호) 및 (4) Wolniansky P W, Forschini G J, Golden G D 및 Valenzuela R A에 의한 "V-BLAST: an architecture for realising very high data rates over the rich-scattering wireless channel"라는 제목의 문헌(1998년 9월 29일부터 10월 2일까지 이탈리아 피사에서 개최된 '1998 URSI International Symposium on signal, systems, and Electronics' 컨퍼런스 회보에 수록됨)에 개시되어 있다. BLAST에서, 서로 다른 서브-스트림은 송신기에 있는 여러 안테나로 전달된다. 서브-스트림은 MIMO 채널의 측정을 이용하여 수신기에서 디코딩되고, 이는 서브-스트림을 널(null)이 되게 하고, 이미 검출된 서브-스트림의 효과를 제거하는 프로세스를 가능하게 한다. 이 방법은 수신기에 있는 채널의 정보를 필요로 한다.See, for example, (1) Forschini G. J, Gans M. J, entitled "On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas" (Wireless-Personal-Communications (Netherlands), vol. 6, no.3, pp. 311-335, March 1998) and (2) Telatar IE, entitled "Capacity of multi-antenna Gaussian Channels" (Tech.Rep. # BL0112170-950615-07TM AT & T Bell Laboratories , A recent development of information theory in 1995, has shown that by using multiple antennas at both the transmitter and receiver, an unprecedented level of capability can be achieved in a wireless communication system. This increase is due to the fact that multiple antennas exist at both ends, allowing the spatial separation of the antennas to identify different paths of signal energy transmitted and received in a number of different directions. Thus, multiple signals or substreams can be transmitted and decoded simultaneously. One technique using this is known as Bell Labs Layered Space Time (BLAST), the details of which are (3) "Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas" by Foschini GJ. By title (Bell-Labs-Technical-Journal (US), vol. 1, no. 2, pp. 41-59, Fall 1996) and (4) by Wolniansky PW, Forschini GJ, Golden GD and Valenzuela RA A document entitled "V-BLAST: an architecture for realising very high data rates over the rich-scattering wireless channel" (1998 URSI International Symposium on signal, held in Pisa, Italy, from September 29 to October 2, 1998) , systems, and Electronics' conference newsletter). In BLAST, different sub-streams are delivered to several antennas at the transmitter. The sub-stream is decoded at the receiver using the measurement of the MIMO channel, which allows the process to make the sub-null null and eliminate the effect of the already detected sub-stream. This method requires the information of the channel in the receiver.
이러한 방법의 다른 적용은 미공개된 PCT 출원 제 IB 02/00029 호(대리인 참조 번호 제 PHGB 010012 호)에 개시되어 있는데, 여기에서 서브-스트림은 여러 방향으로 송신되고 여러 방향(보다 구체적으로는 송신기 및 수신기에서의 다중 경로 도달 각도의 측정에 의해서 결정되는 최대 전력이 획득되는 방향)으로부터 수신된다. 수신기는 예를 들면 BLAST 송신기 등과 같이 정보를 갖지 않는 송신기와 함께 이용될 수 있으나, 이 방법은 송신기에 있는 채널의 정보(산란기(scatterer)로의 송신 각도)를 필요로 한다.Another application of this method is disclosed in unpublished PCT application IB 02/00029 (representative reference number PHGB 010012), wherein the sub-stream is transmitted in several directions and more specifically (in more detail, the transmitter and The maximum power determined by the measurement of the multipath arrival angle at the receiver). The receiver can be used with a transmitter that has no information, such as for example a BLAST transmitter, but this method requires the information of the channel in the transmitter (the angle of transmission to the scatterer).
이러한 방법은 모두 안테나의 어레이를 필요로 하고, 안테나 간격에 대한 기본 조건(즉, 인접한 안테나들 사이의 간격이 파장(112)의 절반이어야 한다는 조건을 갖는다. BLAST에 있어서, 이는 광선이 평균적으로 균일한 방위각(azimuth)으로 도달되고, 다른 안테나가 이격되어야 하는 거리는 λ/2 미만, 또는 바람직하게는 그 이상의 비트라고 가정하기 때문이다. 마찬가지로, 빔 패턴을 명확하게 지정하기 위해서는, λ/2의 간격 또는 그 미만일 것이 요구된다. 그러나, 주어진 파장에 대해 주어진 영역 내에 패킹(packing)될 수 있는 안테나의 개수에 대한 근본적 한계가 존재하고, 그에 따라 빔 패턴을 명확하게 지정하는 것은 실현하기 어려운 것으로 보인다. 추가하여, 각 안테나는 이 안테나에 의해 수신되는 RF 신호로부터 기저 대역 신호(base band signal)를 복원하기 위한 제각기의 프로세서를 필요로 한다. 다수의 RF의 신호를 개별적으로 처리하는 것은 비교적 어렵고 비용이 많이 소요된다.Both of these methods require an array of antennas and have a basic condition for antenna spacing (ie, the spacing between adjacent antennas should be half of the wavelength 112.) For BLAST, this means that the light beam is uniform on average This is because it is assumed that the distance at which one azimuth is reached and the other antenna must be spaced apart is less than [lambda] / 2, or preferably more than .. Similarly, to clearly specify the beam pattern, an interval of [lambda] / 2 However, there is a fundamental limit to the number of antennas that can be packed within a given area for a given wavelength, and therefore it seems difficult to clearly specify the beam pattern. In addition, each antenna recovers a base band signal from the RF signal received by this antenna. It requires each processor to group. The processes signals of a plurality of RF separately takes a relatively difficult and expensive.
도 1은 MIMO 시스템에 대한 개략적인 블록도이다.1 is a schematic block diagram of a MIMO system.
도 2는 2쌍의 직교 배치된 안테나를 포함하는 안테나 소자를 도시하는 도면이다.2 is a diagram illustrating an antenna element including two pairs of orthogonally arranged antennas.
도 3은 전방향성 빔에 비교하여 2개의 방향으로 조사된 빔의 방향 적용 범위를 나타내는 도면이다.3 is a view showing a direction application range of a beam irradiated in two directions compared to an omnidirectional beam.
도 4는 안테나 다이버시티 장치에 대한 개략적인 블록도이다.4 is a schematic block diagram of an antenna diversity apparatus.
도 5는 방향성 안테나 소자를 구비하는 고 밀도 MIMO 시스템을 도시하는 도면이다.5 illustrates a high density MIMO system with directional antenna elements.
도 6은 임의의 소자가 2개의 방향 중 하나로 스위칭될 수 있는 고밀도 MIMO 시스템을 도시하는 도면이다.6 is a diagram illustrating a high density MIMO system in which any device may be switched in one of two directions.
도 7은 방향성 커플러를 이용하여 2개의 안테나 소자로 이루어지는 서브-어레이를 공급받는 안테나 장치에 대한 일실시예를 도시하는 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating an embodiment of an antenna device supplied with a sub-array consisting of two antenna elements using a directional coupler.
도 8 내지 도 10은 스위칭된 MIMO 시스템을 위한 안테나 장치를 도시하는 도면이다.8 through 10 are diagrams illustrating an antenna device for a switched MIMO system.
본 발명의 목적은 시스템의 작동에 악영향을 주지 않으면서 주어진 영역 내에 패킹될 수 있는 안테나의 개수를 증가시키는 것이다.It is an object of the present invention to increase the number of antennas that can be packed in a given area without adversely affecting the operation of the system.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 다중 전송 채널 무선 통신 시스템이 제공되는데, 이 다중 전송 채널 무선 통신 시스템은 전송 스테이션과 적어도 하나의 수신 스테이션을 포함하고, 적어도 하나의 상기 스테이션은 복수의 이격된 안테나 소자를 포함하는 안테나 시스템을 구비하며, 각각의 안테나 소자는 관심 주파수의 λ/2 미만만큼 떨어져 있는 적어도 2개의 안테나로 이루어진 서브-어레이(sub-array)를 포함한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a multiple transmission channel wireless communication system, the multiple transmission channel wireless communication system comprising a transmission station and at least one receiving station, wherein the at least one station comprises a plurality of spaced antennas An antenna system comprising elements, each antenna element comprising a sub-array of at least two antennas spaced apart by λ / 2 of the frequency of interest.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, 다중 전송 채널 무선 통신 시스템에서 사용되는 안테나 시스템이 제공되는데, 안테나 시스템은 복수의 이격된 안테나 소자를 포함하고, 각각의 안테나 소자는 관심 주파수의 λ/2 미만만큼 떨어져 있는 적어도 2개의 안테나로 이루어진 서브-어레이를 포함한다.According to a second aspect of the invention, there is provided an antenna system for use in a multiple transmission channel wireless communication system, the antenna system comprising a plurality of spaced apart antenna elements, each antenna element being less than λ / 2 of the frequency of interest It comprises a sub-array consisting of at least two antennas apart.
본 발명은 대형 안테나 어레이의 각 안테나 소자가 좁은 간격으로 배치된 안테나로 이루어진 서브-어레이에 의해 대체될 수 있다는 것과, RF 네트워크를 이용하여 서브-어레이의 안테나에 의해 수신된 RF 신호를 사전 처리함으로써, 각 안테나에 대해 하나의 프로세서를 구비하는 것에 비해서 요구되는 기저 대역 프로세서(base band processors)의 개수를 감소시킬 수 있다는 것에 대한 인식을 기반으로 한다. 말하자면 N개의 소자(각 소자는 n개의 안테나를 포함함)로 이루어진 어레이로 구성된 MIMO 시스템(또는 공간 다이버시티 시스템)은 일반적으로 적어도 nN개의 방향성 빔을 형성할 수 있다. MIMO 시스템에 대한 하나의 극단적 경우로, N개의 소자의 n개의 빔이 모두 사용된다면, N×N 시스템에 의해 정규적으로 점유된 공간 내에 nN×nN MIMO 시스템이 생성될 수 있다. 각각의 브랜치는 패턴(진폭 및 위상)과 공간 다이버시티의 조합에 의해 상관 해제(decorrelated)될 수 있다. 공간 다이버시티는 소자들의 공간적 분리에 의존하므로, 공간적으로 떨어져 있는 2개의 동일한 빔 패턴은 어느 정도 상관 해제된다. 가장 좋은 다른 극단적 경우로서, N개의 소자 각각에 대해 n개의 빔을 선택하여 N×N 시스템을 제공할 수 있다.The present invention provides that each antenna element of a large antenna array can be replaced by a sub-array consisting of antennas arranged at narrow intervals, and by preprocessing the RF signal received by the antenna of the sub-array using an RF network. It is based on the recognition that it is possible to reduce the number of base band processors required compared to having one processor for each antenna. In other words, a MIMO system (or spatial diversity system) consisting of an array of N elements (each element containing n antennas) may generally form at least nN directional beams. In one extreme case for a MIMO system, if all n beams of N elements are used, an nN × nN MIMO system can be created in the space normally occupied by the N × N system. Each branch may be decoratedrelated by a combination of pattern (amplitude and phase) and spatial diversity. Since spatial diversity depends on the spatial separation of the elements, two identical beam patterns spaced apart are somewhat uncorrelated. As another best case, n beams may be selected for each of the N devices to provide an N × N system.
공간 다이버시티를 이용한다는 것은, DECT(Digitally Enhanced Cordless Telecommunications) 등과 같은 통신 시스템 내에서 2개의 안테나 소자를 사용하는 것으로서 알려져 있다. 각각의 안테나 소자는 전방향성(omnidirectional)이고, 다른 안테나 소자와 무관하도록 설계되어 있다. 큰 거리만큼 안테나 소자들을 분리시키는 것을 방지하고, 선택적으로는 미사용된 안테나 소자를 디튜닝(detuning)하는 것을 방지하기 위해서, 특허 출원 제 WO 01171843 호(대리인 서류 제출 번호 제 PHGB 000033 호)는 복수의 안테나를 구비하는 안테나 다이버시티 장치(antenna diversity arrangement)를 개시한다. 적절한 진폭 및 위상을 갖는 신호가 복수의 안테나 빔의 생성을 가능하게 하면, 임의의 쌍의 빔 사이의 상관 계수(correlation coefficient)는 실질적으로 0이 될 것이다. 결과적인 안테나 다이버시티 장치는 임의로 서로에 대해 근접하는 안테나들의 쌍을 포함하고, 임의의 쌍의 안테나 빔들 사이에는 0에 가까운 상관성을 가지게 함으로써, 밀집되고 효과적인 장치를 제공할 수 있다. BLAST 등과 같은 MIMO 시스템 내에서 이러한 장치에 대해서는 개시된 바가 없다The use of spatial diversity is known as the use of two antenna elements in a communication system such as digitally enhanced cordless telecommunications (DECT). Each antenna element is omnidirectional and is designed to be independent of other antenna elements. In order to avoid separating the antenna elements by a large distance and optionally to prevent detuning unused antenna elements, patent application WO 01171843 (Attorney Docket No. PHGB 000033) provides a plurality of An antenna diversity arrangement having an antenna is disclosed. If a signal with the appropriate amplitude and phase allows generation of a plurality of antenna beams, the correlation coefficient between any pair of beams will be substantially zero. The resulting antenna diversity device can optionally include a pair of antennas that are in close proximity to each other and have a near zero correlation between any pair of antenna beams, thereby providing a dense and effective device. There is no disclosure of such a device in a MIMO system such as BLAST and the like.
이하에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.Hereinafter, the present invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings.
도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 피처를 나타내기 위해서 사용되었다.In the drawings, like reference numerals have been used to denote like features.
도 1을 참조하면, MIMO 시스템은 무선 송신기(radio transmitter)(Tx)(10)와 2개의 무선 수신기(radio receivers)(Rx)(12A, 12B)를 포함한다. 도입 단락에서 언급된 바와 같이, 다수의 신호 또는 서브-스트림과 연관된 신호 에너지가 여러 서로 다른 방향으로부터 송신 및 수신되기 때문에 통상적으로 Tx(10) 및 Rx(12A, 12B)는 다수의 안테나 소자를 구비한다. 선택적으로, 송신 및 수신 시의 각도에 대한 정보를 사용하여 최대 전력을 갖는 신호가 달성되는 빔 방향을 선택할 수 있다. 설명의 단순성을 위하여, Tx(10) 및 Rx(12A, 12B)는 각각 동일한 안테나 시스템(14)을 구비한다. 안테나 시스템(14)은 적어도 2개의 안테나 소자(16A, 16B)를 포함하고, 이 안테나 소자들은 실질적으로 원하는 주파수 또는 중심 주파수의 파장의 절반(λ/2)만큼 공간적으로 떨어져 있다. 각각의 안테나 소자(16A, 16B)는 RF 네트워크(18A, 18B)를 포함하고 그 각각에는 2개의 안테나(20A, 20B)가 접속되어 있다. 각 안테나 소자(16A, 16B)의 안테나(20A, 20B)는 반대 방향으로 조사된 빔을 위해 λ/2 미만(전형적으로는 λ/4 미만)만큼 이격되거나 90°의 차이를 갖는다. 상관 해제된 빔에 대한 전기적 간격은 임의로 예를 들면 125°일 수 있다.Referring to FIG. 1, the MIMO system includes a radio transmitter (Tx) 10 and two radio receivers (Rx) 12A, 12B. As mentioned in the introduction paragraph, typically the Tx 10 and Rx 12A, 12B have multiple antenna elements because the signal energy associated with multiple signals or sub-streams is transmitted and received from several different directions. do. Optionally, information about the angles at the time of transmission and reception can be used to select the beam direction in which the signal with the maximum power is achieved. For simplicity of explanation, Tx 10 and Rx 12A, 12B each have the same antenna system 14. Antenna system 14 comprises at least two antenna elements 16A, 16B, which are spaced apart by substantially half (λ / 2) of the wavelength of the desired or center frequency. Each antenna element 16A, 16B includes RF networks 18A, 18B, and two antennas 20A, 20B are connected to each. The antennas 20A, 20B of each antenna element 16A, 16B are spaced apart by less than [lambda] / 2 (typically less than [lambda] / 4) or have a difference of 90 [deg.] For the beam irradiated in the opposite direction. The electrical spacing for the uncorrelated beam can optionally be 125 °, for example.
Tx(10)의 경우에, 데이터는 인코더(22)에 의해 인코딩되고, 인코딩된 신호는 캐리어(carrier) 상에서 변조기(24)에 의해 변조된다. 변조된 신호는 전력 증폭기(26)에 공급되고, 이 전력 증폭기(26)는 라인(21A, 21B)에 의해 제각기의 RF 네트워크(18A, 18B)에 접속된 출력단을 갖는다. 공급 장치(feed arrangements)(18A, 18B)는 제각기의 안테나(20A, 20B)의 쌍이 사전 결정된 방향(들)으로 신호를 전파하도록 제어할 수 있다.In the case of Tx 10, data is encoded by encoder 22, and the encoded signal is modulated by modulator 24 on a carrier. The modulated signal is supplied to a power amplifier 26, which has an output terminal connected by lines 21A and 21B to respective RF networks 18A and 18B. Feed arrangements 18A, 18B may control the pair of antennas 20A, 20B respectively to propagate a signal in a predetermined direction (s).
각각의 수신기(Rx)(12A, 12B)에서, 제각기의 RF 네트워크(18A, 18B)는 RF 스테이지(28)에 접속되고, 그 출력단은 복조기(demodulator)(30)에 접속된다. 디코더(32)는 복조기(30)의 출력단에 접속된다.At each receiver (Rx) 12A, 12B, each RF network 18A, 18B is connected to an RF stage 28 and its output terminal is connected to a demodulator 30. The decoder 32 is connected to the output terminal of the demodulator 30.
RF 네트워크(18A, 18B)는 2개의 안테나(20A, 20B) 전부로부터 RF 신호를 처리하여, 안테나 당 하나의 수신기 및 기저 대역 프로세서를 구비하는 것에 비해 수신기 및 기저 대역 프로세서의 개수를 감소시키는 역할을 한다. 추가하여, 이러한 RF 네트워크는 매우 근접한 안테나 사이에서 발행될 수 있는 RF 상호 작용 문제를 유리한 방식으로 해결한다. 추가적인 개선 사항으로서, 수신기 RF 네트워크(18A, 18B)는 제각기의 안테나를 제어하여 최대 전력이 수신되는 방향으로부터 신호가 검출될 수 있도록 할 수 있다.The RF network 18A, 18B processes RF signals from both antennas 20A, 20B, thereby reducing the number of receivers and baseband processors compared to having one receiver and baseband processors per antenna. do. In addition, this RF network solves the RF interaction problem that can be issued between very close antennas in an advantageous manner. As a further refinement, receiver RF networks 18A and 18B may control their respective antennas so that signals can be detected from the direction in which the maximum power is received.
도 2는 도 1에 도시된 안테나 소자(16A, 16B)의 변형예를 도시한다. 이 변형예에서 안테나 소자(16A, 16B)의 각 안테나는, 제각기 한 쌍의 직교 배치된 안테나(20A, 20A' 및 20B, 20B')를 포함하여 직교 편파(orthogonal polarisation)를 제공한다.FIG. 2 shows a modification of the antenna elements 16A and 16B shown in FIG. In this variant, each antenna of the antenna elements 16A, 16B comprises orthogonal polarization, respectively, including a pair of orthogonally arranged antennas 20A, 20A 'and 20B, 20B'.
RF 네트워크를 사용하여 전송 방향 및/또는 수신 방향을 제어하는 방법에 대한 이해를 돕기 위하여, 도 4에 도시된 것과 같은 2개의 소자 안테나 어레이에 대한 방향 적용 범위의 예를 도시하는 도 3을 참조하였다. 다이버시티 장치를 구비하는 송신기(34)는 전방향성 빔(36), 파선으로 도시된 제 1 방향성 빔(38) 및 쇄선으로 도시된 제 2 방향성 빔(40)을 이용하여 송신 및 수신할 수 있다.To help understand how to control the transmission direction and / or the reception direction using the RF network, reference was made to FIG. 3 which shows an example of a direction coverage for two element antenna arrays as shown in FIG. 4. . The transmitter 34 with the diversity device may transmit and receive using the omni-directional beam 36, the first directional beam 38 shown in broken lines and the second directional beam 40 shown in broken lines. .
도 4를 참조하면, 안테나 소자(20A, 20B)는 단일 축 상에 위치되는 것으로 가정한다. 제 1 전송 모드에서, 안테나 소자(20A)는 기준으로서 고려되고, 안테나 소자(20B)로의 공급 신호의 진폭 및 위상이 스테이지(42)에 의해 조정되어, 특정한 방향으로의 방향성 빔이 형성된다. 제 2 전송 모드에서, 상대적인 진폭 및 위상은 반전되고, 그에 따라 반대 방향으로의 방향성 빔이 형성된다. 스테이지(42)는 ±180°까지 신호의 위상을 조정할 수 있다. 안테나 시스템의 성질을 상반적으로 고려하면, 위와 동일한 설명은 수신 시의 안테나 방향성을 달성하는 데에도 적용될 수 있다.Referring to FIG. 4, it is assumed that antenna elements 20A and 20B are located on a single axis. In the first transmission mode, the antenna element 20A is considered as a reference, and the amplitude and phase of the supply signal to the antenna element 20B are adjusted by the stage 42 to form a directional beam in a specific direction. In the second transmission mode, the relative amplitude and phase are inverted, thus forming a directional beam in the opposite direction. The stage 42 may adjust the phase of the signal by ± 180 °. Considering the nature of the antenna system, the same description above can also be applied to achieving antenna directionality at reception.
도 5는 상호 결합(mutual couplings)을 상당히 증가시키고, 인접한 안테나들로부터의 재방사(re-radiation)를 유발하는 효과를 가질 수 있도록 충분히 근접하여 정렬된 안테나 소자의 쌍을 도시한다. 이는 상호 결합이 존재하지 않는 전방향성과는 반대로, 다른 안테나가 존재할 때 각 안테나에 대한 방사 패턴이 방향성을 갖게 한다. 증가된 방향성은 일반적으로 각 안테나가 서로 다른 다중 경로로 샘플링되거나 동일한 다중 경로의 서로 다르게 가중치가 부여된 조합으로 샘플링되어 상관성(correlation)이 감소되는 경향이 있다는 것을 의미한다.FIG. 5 shows a pair of antenna elements arranged close enough to significantly increase mutual couplings and have the effect of causing re-radiation from adjacent antennas. This, in contrast to omnidirectional, where there is no mutual coupling, causes the radiation pattern for each antenna to be directional when other antennas are present. Increased directionality generally means that each antenna is sampled with different multipaths or with differently weighted combinations of the same multipath, so that correlations tend to be reduced.
본 발명에 따르면, 안테나 소자는 좁은 간격으로 배치된 2개 이상의 안테나로 형성되는 어레이를 포함하고, 이 어레이는 결합되어 더 큰 안테나 시스템을 형성한다. MIMO 시스템(또는 공간 다이버시티 시스템)은 말하자면 N개의 안테나 소자의 어레이로 구성되는데, 각각의 소자는 일반적으로 n개의 방향성 빔을 형성할 수 있는 n개의 안테나를 포함한다. MIMO 시스템에 대한 하나의 극단적 경우로, N개의 소자의 n개의 빔이 모두 사용된다면, N×N 시스템에 의해 정규적으로 점유된 공간 내에 nN×nN MIMO 시스템이 생성될 수 있다. 각각의 브랜치는 패턴(진폭 및 위상)과 공간 다이버시티의 조합에 의해 상관 해제될 수 있다. 공간 다이버시티는 각각 안테나 소자를 포함하는 안테나들의 공간적 분리에 의존하므로, 공간적으로 떨어져 있는 2개의 동일한 빔 패턴은 어느 정도 상관 해제된다. 가장 좋은 다른 극단적 경우로서, N개의 소자 각각에 대해 n개의 빔을 선택하여 N×N 시스템을 제공할 수 있다.According to the invention, the antenna element comprises an array formed of two or more antennas arranged at narrow intervals, which are combined to form a larger antenna system. The MIMO system (or spatial diversity system) consists of an array of N antenna elements, so to speak, each of which typically contains n antennas capable of forming n directional beams. In one extreme case for a MIMO system, if all n beams of N elements are used, an nN × nN MIMO system can be created in the space normally occupied by the N × N system. Each branch may be uncorrelated by a combination of pattern (amplitude and phase) and spatial diversity. Since spatial diversity depends on the spatial separation of the antennas, each containing an antenna element, two identical beam patterns spaced apart are somewhat uncorrelated. As another best case, n beams may be selected for each of the N devices to provide an N × N system.
4×4 MIMO 시스템을 위한 수신기(또한, 1×4 다이버시티 수신기)일 수 있는 도 5에 도시된 타입의 고밀도 MIMO 시스템을 구비하는 것에 대한 가능한 단점은, 순간적인 수신 각도가 좁은 각도 분포를 가질 가능성이 있다는 것으로서, 이는 그 빔에 걸쳐 매우 불균일한 전력이 수신된다는 문제점을 발생시키고, 몇몇 빔은 임의의 서브-스트림으로부터 소정의 전력을 수신할 수 없다는 효과를 제공할 수 있다. 이는 MIMO의 관점에서 볼 때 치명적일 수 있는데, 그 이유는 서브-스트림(안테나 또는 서로 다른 빔 패턴)의 수신된 샘플의 개수가 서브-스트림의 개수보다 적어서(즉 독립적인 식의 개수가 불확실한 식의 개수보다 적어서) 서브-스트림을 신뢰성 있게 디코딩하는 것이 불가능해지기 때문이다.A possible drawback to having a high density MIMO system of the type shown in FIG. 5, which can be a receiver for a 4x4 MIMO system (also a 1x4 diversity receiver), is that the instantaneous reception angle will have a narrow angle distribution. As is possible, this creates the problem that very uneven power is received across the beam, and may provide the effect that some beams cannot receive certain power from any sub-stream. This can be fatal in terms of MIMO, since the number of received samples of a sub-stream (antenna or different beam pattern) is less than the number of sub-streams (ie, the number of independent expressions is uncertain). Less than the number), making it impossible to reliably decode the sub-stream.
각각의 서브-어레이가 여러 가능한 방향 중 하나를 선택할 수 있으므로, 소정량의 전력을 수신하는 빔 방향을 선택할 수 있는 도 6에 도시된 장치에서는 이러한 상황이 덜 발생될 것으로 보인다. 도 6에 도시된 예의 경우에서, 2개의 빔은 모두 대부분의 다중 경로가 도착하는 방향을 향하도록 선택되었다. 이 예에서, 이는 동일 방향이다. 상관 해제의 정도는 전방향성 안테나의 공간적 다이버시티만큼 양호하거나 그보다 덜 양호할 수 있지만, 그 공간적 분리는 동일한 소자 간격에 대해 2개의 브랜치를 상관 해제시키는 메커니즘이 된다. 그러나, 여기에는 2개의 브랜치의 세로 배열 방향(end-fire direction)에서 대략 추가적인 3dB의 이득이 존재하고, 이는 추가적인 상관에 기인하는 임의의 용량 감소를 상쇄시킬 수 있다.Since each sub-array can select one of several possible directions, this situation is less likely to occur in the apparatus shown in FIG. 6, which can select the beam direction to receive a certain amount of power. In the case of the example shown in FIG. 6, both beams were chosen to face the direction in which most multipaths arrive. In this example, it is in the same direction. The degree of decorrelation may be as good or less as good as the spatial diversity of the omni-directional antenna, but its spatial separation is a mechanism to de-correlate two branches for the same device spacing. However, there is approximately an additional 3 dB of gain in the two branches' end-fire direction, which can offset any capacity reduction due to additional correlation.
도 6에 도시된 예는 반대 방향으로부터 전력이 들어오지 않는 것으로 가정하기 때문에 극단적 예이고, 그에 따라 2개의 빔이 동일 방향을 갖는 것이 더 나을 것이다. 이 가정이 이뤄지지 않으면, 브랜치들 사이의 상관은 가장 중요한 인자일 수 있기 때문에 가장 강한 방향을 선택하는 스위칭 알고리즘을 선택하는 것이 더 나을 것이다. 따라서, 반대 방향으로부터의 전력이 더 작을 수도 있지만, 해당 방향을 선택함으로써 전체 상관도는 더 작아질 수 있다. 이는 전체 전력 및 브랜치에 걸친 전력차가 더 작다는 사실에 대해 절충될 필요가 있다.The example shown in FIG. 6 is an extreme example since it is assumed that no power comes from the opposite direction, so it would be better for the two beams to have the same direction. If this assumption is not made, it may be better to choose a switching algorithm that chooses the strongest direction since the correlation between branches can be the most important factor. Thus, although the power from the opposite direction may be smaller, the overall correlation may be smaller by selecting that direction. This needs to be compromised for the fact that the power difference across the entire power and branch is smaller.
도 5 및 도 6에 도시된 장치를 비교하면, N×N 시스템의 공간 내에 nN×nN MIMO 시스템을 제공하는 가능한 모드를 전부 이용하지만, 신뢰성의 문제가 있는 고 밀도 방법(도 5)과, N×N 시스템을 제공하지만, 신뢰성 및 용량을 증가시킬 가능성이 있는 스위칭된 아키텍처(도 6) 사이의 절충이 존재한다.Comparing the apparatus shown in Figs. 5 and 6, the high density method (Fig. 5) and N, which use all possible modes of providing an nN × nN MIMO system in the space of the N × N system, have problems of reliability, and N There is a tradeoff between a switched architecture (FIG. 6) which provides an xN system but which is likely to increase reliability and capacity.
도 7을 참조하면, 고 밀도 MIMO 시스템은 안테나(20A, 20B)에 의해 제각기 형성되는 안테나 소자의 어레이(16A, 16B)를 포함하고, 그 위상은 RF 위상 시프터(RF phase shifters)를 이용하거나 디지털 도메인(digital domain) 내의 위상 시프트(phase shifts)를 이용하여 형성되어 있다. 도 7에는 좁은 간격으로 배치된 안테나(20A, 20B)의 쌍의 위상을 형성하기 위해 하이브리드 커플러(42A, 42B)를 이용하는 4×4 MIMO 송신기가 도시되어 있다. 하이브리드 커플러(42A, 42B)는 제각기 신호 전압의 쌍(s1, s2 및 s3, s4)을 공급받는다. 신호 전압(s 1, s3)이 신호 전압(s2, s3)에 비해서 더 높은 경우, 안테나 소자는 방향(d1, d3)으로 방향성을 갖는다. 반대의 상황에서, 안테나 소자(16A, 16B)는 방향(d2, d4)으로 방향성을 갖는다.Referring to FIG. 7, a high density MIMO system includes arrays of antenna elements 16A and 16B respectively formed by antennas 20A and 20B, the phases of which are either digital or using RF phase shifters. It is formed using phase shifts in the digital domain. 7 shows a 4x4 MIMO transmitter using hybrid couplers 42A and 42B to form a phase of a pair of antennas 20A and 20B arranged at narrow intervals. Hybrid couplers 42A and 42B are supplied with pairs of signal voltages s 1 , s 2 and s 3 , s 4, respectively. When the signal voltages s 1 , s 3 are higher than the signal voltages s 2 , s 3 , the antenna element is directional in the directions d 1 , d 3 . In the opposite situation, the antenna elements 16A, 16B are directional in the directions d 2 , d 4 .
수신기에서, 하이브리드 커플러(42A 또는 42B)의 4개의 포트(ports)는 MIMO 수신기의 4개의 브랜치일 수 있다. 이 원리는 n=2일 때 모든 N에 대해 확장될 수 있다. 이 장치에서 발생될 수 있는 문제는, 커플러의 서로 다른 포트들 사이의 임피던스가 서로 다른 위상 시프트마다 달라지기 때문에 소스, 하이브리드 커플러 및 안테나 사이에서 적절한 매칭을 찾는 것과 관련된다. 위상 시프트를 적용하는 다른 방법은 디지털 빈 형성 기법(digital beam forming techniques)을 이용하는 것으로서, 여기에서는 어레이의 임피던스 매칭 문제가 거의 없어진다. 이러한 MIMO의 경우에서 서브-스트림이 존재하는 만큼 RF 송신기 및 수신기를 구비해야 할 필요가 있다는 것을 유의해야 한다.At the receiver, the four ports of hybrid coupler 42A or 42B may be four branches of the MIMO receiver. This principle can be extended for all N when n = 2. Problems that can occur in this device are related to finding a suitable match between the source, hybrid coupler and antenna because the impedance between different ports of the coupler varies for different phase shifts. Another method of applying phase shift is to use digital beam forming techniques, where the problem of impedance matching of the array is virtually eliminated. It should be noted that in this case of MIMO it is necessary to have an RF transmitter and receiver as long as the sub-stream is present.
도 8은 2개의 안테나 소자 중 어느 하나(16A 또는 16B)를 포함하는 스위칭된 MIMO 시스템의 부분에 대한 일실시예를 도시하는 것으로서, 여기에서 각각의 안테나 소자는 안테나(20A, 20B)를 포함한다. 이 실시예에서, 각각의 안테나 소자(16A 또는 16B)는 2개의 가능한 빔 중에서 하나를 선택하도록 제어되므로, 단지 2개의 서브-스트림만이 송신되거나 서브-스트림의 2개의 샘플만이 수신된다. 스위칭된 무급전 안테나(parasitics antenna)를 이용하여 각 안테나 소자의 안테나(20A, 20B)를 스위칭할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 안테나(20A, 20B)에 제각기 공급되는 복소 전압(complex voltages)(V1, V2)을 이용하여 방향성 빔을 형성한다. 결과적인 안테나의 복소 임피던스는 제각기 Z1 및 Z2이다. 또한, 안테나(20B)의 임피던스에서 허수 부분인 순수 리액턴스(pure reactance)(-jX2)를 가지고 소스(V2)를 대체함으로써 동일한 빔 패턴을 생성할 수 있다. 이러한 리액턴스 수단을 이용하면, 이러한 상호 작용은 소스(V2)가 순수 리액턴스(-jX2)로 대체된 때의 정확한 공급 전압에 대한 매우 근접한 전압을 생성할 수 있다. 이 기법은 임피던스의 각 부분이 작을 때 최대로 작용한다. 이는 도 9에 도시되어 있다.FIG. 8 illustrates one embodiment of a portion of a switched MIMO system that includes either 16A or 16B of two antenna elements, where each antenna element includes antennas 20A and 20B. . In this embodiment, each antenna element 16A or 16B is controlled to select one of two possible beams, so that only two sub-streams are transmitted or only two samples of the sub-streams are received. Switched parasitics antennas can be used to switch the antennas 20A and 20B of each antenna element. As shown in FIG. 8, the directional beams are formed using complex voltages V 1 and V 2 supplied to the antennas 20A and 20B, respectively. The complex impedance of the resulting antenna is Z 1 and Z 2, respectively. In addition, the same beam pattern may be generated by replacing the source V 2 with a pure reactance (-jX 2 ) that is an imaginary part of the impedance of the antenna 20B. Using such reactance means, this interaction can produce a voltage very close to the correct supply voltage when the source V 2 is replaced with a pure reactance (-jX 2 ). This technique works best when each part of the impedance is small. This is shown in FIG.
반대 방향으로 빔을 생성하기 위해서, 전압은 스와핑(swapping)되어야 하고, 그에 따라 안테나의 임피던스도 스와핑될 것이다. 안테나(20A)는 임피던스(-jX2)로 한정될 수 있고, 안테나(20B)는 전압(V1)을 공급받을 수 있다.In order to generate the beam in the opposite direction, the voltage must be swapped, so that the impedance of the antenna will also be swapped. The antenna 20A may be limited to the impedance (-jX 2 ), and the antenna 20B may be supplied with the voltage V 1 .
도 10은 안테나(20A, 20B)를 포함하는 단일 안테나 소자(16A)를 갖는 스위칭 아키텍처를 이용하는 이러한 가능성의 조합을 도시한다. 동일한 순수 리액턴스(-jX2)로 도시된 2개의 소스(S1, S2) 및 2개의 임피던스(44, 46)가 제공되고, 제 1 교환 스위치(48)는 소스(S1) 또는 임피던스(44) 중 어느 하나를 안테나(20A)에 대해 접속시키고, 제 2 교환 스위치(50)는 임피던스(46) 또는 소스(S2) 중 어느 하나를 안테나(20B)에 대해 접속시킨다. 스위치(48, 50)가 도시된 위치에 있으면, 방향성 로브(directional lobe)는 실선으로 도시되고, 이 스위치들이 파선으로 도시된 바와 같이 반대 위치에 있으면, 방향성 로브는 파선으로 도시되어 있다.10 illustrates a combination of these possibilities using a switching architecture with a single antenna element 16A including antennas 20A and 20B. Two sources S1, S2 and two impedances 44, 46, shown at the same pure reactance (-jX 2 ), are provided, and the first exchange switch 48 is either of the source S1 or impedance 44. Either one is connected to the antenna 20A, and the second exchange switch 50 connects either the impedance 46 or the source S2 to the antenna 20B. If the switches 48 and 50 are in the shown position, the directional lobe is shown in solid lines, and if the switches are in opposite positions as shown by the broken lines, the directional lobe is shown in broken lines.
향상된 안테나 시스템은 UMTS, HiperLan/2, IEEE 802.11A&B 등과 같은 여러 표준에 따라서 작동되는 송신기 및 수신기를 가지고 이용될 수 있다. 이는 이동 및 무선 LAN의 용량을 향상시키기 위해 이용되어, 더 높은 데이터 레이트, 더 낮은 전력 소모 또는 더 낮은 대역폭의 무선 통신 디바이스를 제공할 수 있다.Advanced antenna systems can be used with transmitters and receivers that operate in accordance with several standards such as UMTS, HiperLan / 2, IEEE 802.11A & B, and the like. This can be used to improve the capacity of mobile and wireless LANs to provide higher data rates, lower power consumption or lower bandwidth wireless communication devices.
본 명세서 및 청구항에서 단수로 표현된 요소는 그러한 소자가 복수 개 존재하는 것을 배제하지 않는다. 또한, "포함한다"라는 단어는 열거된 요소 또는 단계 이외의 다른 소자 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다.Elements expressed in the singular in the specification and claims do not exclude the presence of a plurality of such elements. In addition, the word "comprises" does not exclude the presence of elements or steps other than the listed elements or steps.
당업자라면 본 개시 내용을 판독함으로써, 다른 수정이 명확할 것이다. 이러한 수정은 다중 전송 채널 무선 통신 시스템의 설계, 제조 및 이용에서 이미 알려진 다른 피처 및 그 부분을 포함할 수 있고, 본 명세서에서 앞서 언급된 피처를 대체하거나 추가하여 사용될 수 있다. 본 발명에서 청구항은 특정한 피처의 조합으로 형성되었으나, 본 발명에 개시된 범주는 또한 임의의 청구항에 청구되어 있는 본 발명에 관련되는지 여부 및 본 발명에서와 동일한 기술적 문제의 일부 또는 전부를 완화시키는지 여부에 관계없이, 새로운 피처, 본 명세서에 명확하게 또는 함축적으로 개시된 피처의 임의의 새로운 조합 또는 그 일반화된 피처를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 출원인은 본 출원 또는 그로부터 파생된 임의의 추가적인 출원의 실행 동안에 이러한 피처 및/또는 이러한 피처의 조합으로부터 새로운 청구항을 만들어 낼 수 있다는 것을 언급하였다.By reading this disclosure, other modifications will be apparent to those skilled in the art. Such modifications may include other features and portions thereof already known in the design, manufacture, and use of multiple transport channel wireless communication systems, and may be used in place of or in addition to those previously mentioned herein. In the present invention, the claims are made of a combination of specific features, but the scope disclosed in the present invention also relates to the invention as claimed in any claim and whether to mitigate some or all of the same technical problems as in the present invention. Regardless, it should be understood to include new features, any new combination of features explicitly or implicitly disclosed herein, or generalized features thereof. Applicants of the present invention have mentioned that new claims may be made from such features and / or combinations of such features during the execution of the present application or any additional application derived therefrom.
Claims (14)
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2003
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