KR20080031552A - 다중 안테나 시스템에서 선택적 안테나 할당을 통한하이브리드 듀플렉스 복잡도 감소 장치 및 방법 - Google Patents

다중 안테나 시스템에서 선택적 안테나 할당을 통한하이브리드 듀플렉스 복잡도 감소 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 안테나 시스템에서 선택적 안테나 할당을 통한 하이브리드 듀플렉스 복잡도 감소 장치 및 방법에 관한 것으로서, TDD(Time Division Duplex) 대역 모드로 동작하는 안테나별 송신 RF(Radio Frequency) 체인과, 발생하는 주파수에 따라 TDD 대역 모드 또는 FDD(Frequency Division Duplex) 대역 모드로 동작하는 안테나별 수신 RF 체인과, TDD 대역에 할당할 수신 안테나 집합을 결정하는 안테나 선택기와, 상기 안테나별 송신 RF 체인 및 상기 결정된 수신 안테나 집합의 수신 RF 체인으로 TDD 대역 주파수를 발생하고, 그 외의 수신 안테나 집합의 수신 RF 체인으로 FDD 대역 주파수를 발생하는 주파수 발생 및 제어기를 포함하여, RF 체인 수를 늘리지 않고 HD(Hybrid Duplex) 방식을 구현할 수 있으며, 기지국 및 단말의 복잡도를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
듀플렉스, 하이브리드 듀플렉스, MIMO, 선택적 안테나 할당

Description

다중 안테나 시스템에서 선택적 안테나 할당을 통한 하이브리드 듀플렉스 복잡도 감소 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COMPLEXITY REDUCTION OF HYBRID DUPLEX SCHEME THROUGH SELECTIVE ANTENNA ALLOCATION IN MULTIPLE ANTENNA SYSTEMS}
도 1은 종래 기술에 따른 FDD, TDD, HD 방식의 프레임 구조를 도시한 도면,
도 2ab와 도 2cd는 종래 기술에 따른 FDD, TDD, HD 방식의 일반적인 기지국 RF 송수신기의 구조를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템의 기지국 RF 송수신기 구조를 도시한 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템의 단말 RF 송수신기 구조를 도시한 블록도, 및
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 안테나 시스템의 기지국에서 적응적 안테나 할당 방법의 절차를 도시한 도면.
본 발명은 다중 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히, 선택적 안테나 할당을 통한 하이브리드 듀플렉스 복잡도 감소 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선통신 시스템에서 양방향 통신을 위해서는 하향링크(DownLink : 이하 ‘DL’이라 칭함)와 상향링크(UpLink : 이하 ‘UL’이라 칭함) 전송을 구분할 수 있는 듀플렉스(duplex) 방법이 필요하다. 도 1을 참조하면, 일반적으로 상기 듀플렉스 방법에는 DL(101)과 UL(103)에 서로 다른 주파수 대역(f1, f2)을 할당하여 상기 DL(101)과 UL(103)을 구분하는 주파수 분할 듀플렉스(Frequency Division Duplex : 이하 ‘FDD’라 칭함) 방식(1a) 또는 DL(105)과 UL(107)이 같은 주파수 대역(f1)을 공유하며 서로 다른 전송 구간을 할당하여 상기 DL(105)과 UL(107)을 구분하는 시분할 듀플렉스(time division duplex : 이하 'TDD'라 칭함) 방식(1b)이 있다.
여기서, 상기 FDD 방식의 경우, 상기 DL과 UL 사이의 간섭 방지를 위해 DL 대역과 UL 대역 사이에 보호대역(guard band)을 두어야 한다. 또한, 상기 DL과 UL의 비율이 대역폭에 의해 고정되기 때문에 가변적인 DL과 UL 간의 비대칭 트래픽을 수용하기에 부적합하다. 이러한 이유로 음성 위주의 서비스를 제공하는 2세대 IS-95와 GSM 시스템과 대부분의 3세대 시스템은 상기 FDD 방식을 사용하지만, 비대칭적 데이터 위주의 서비스를 제공하는 무선통신 시스템에는 상기 FDD 방식이 적합하지 않아 상기 TDD 방식을 채택하고 있다.
상기 TDD 방식의 가장 큰 장점은 DL과 UL이 차지하는 비율을 유연하게 조절할 수 있어 비대칭 트래픽에 효과적으로 대처할 수 있다는 것이다. 또한, 양방향 링크(DL, UL)가 동일한 대역을 사용하기 때문에 채널의 가역성(reciprocity)을 이용하여 채널 정보에 대한 피드백(feedback) 오버헤드를 줄일 수 있다. 따라서, 적응변조, 다중안테나 기술 등 주파수 사용 효율성 향상을 위한 기술을 효과적으로 적용할 수 있다.
하지만, 일반적으로 셀마다 DL와 UL 트래픽 비율이 다르기 때문에 효율적인 TDD 동작을 위해서는 DL과 UL 간의 스위칭(switching) 시점을 트래픽 상황에 따라 변화시켜야 한다. 이 경우, 특정 셀은 DL 신호를 전송하고 다른 셀은 UL 신호를 전송하는 크로스 슬롯(cross slot) 구간이 발생한다. 상기 크로스 슬롯 구간에서는 FDD 방식 또는 모든 셀에서 스위칭 시점이 동일한 TDD 방식에서는 발생하지 않는 서로 다른 셀에 속한 기지국과 기지국 간의 간섭, 서로 다른 셀에 속한 단말기와 단말기 간의 간섭이 발생한다. 이를 크로스 슬롯 간섭(cross slot interference)이라 하고, 이는 특히 셀 경계에 있는 사용자의 성능을 열화 시키는 주요한 원인이 될 수 있다.
상기 TDD 방식의 크로스 슬롯 간섭 문제를 완화하면서 TDD 방식의 장점을 얻기 위해 상기 TDD와 FDD를 결합한 하이브리드 듀플렉스(Hybrid Duplex : 이하 ‘HD’라 칭함) 방식(1c)이 제안되었다. 상기 HD 방식은 상기 TDD 방식을 사용하는 중심주파수 f1의 TDD 대역과 UL 전용으로 할당된 중심주파수 f2의 FDD 대역을 분리하 여, DL 전송은 상기 TDD 방식에서와 마찬가지로 TDD 대역의 DL 구간(109)을 사용하고, UL 전송은 TDD 대역의 UL 구간(111)과 FDD 대역의 UL 구간(113)을 선택적으로 사용할 수 있다. 이와 같이, 상기 HD 방식은 TDD의 장점을 취하면서 셀 경계에 있는 사용자들에게 FDD 대역의 UL을 사용하도록 함으로써 크로스 슬롯 간섭의 영향을 줄이는 장점을 가진다. 또한, 셀의 안쪽에 위치한 사용자들에게도 TDD 대역의 UL와 FDD 대역의 UL를 동시에 할당하여 FDD UL를 통해 DL에 대한 고속의 피드백을 가능하도록 함으로써 DL 전송의 성능 향상을 기대할 수 있다.
하지만, 상기 HD 방식은 서로 다른 두 대역을 UL로 사용하기 때문에 단말에서는 상기 두 대역에 대한 RF 송신 체인을 필요로 하고, 기지국에서는 상기 두 대역에 대한 RF 수신 체인을 필요로 한다. 여기서, 도 2ab 와 도 2cd는 송수신 안테나가 하나인 경우 FDD(2a), TDD(2b), HD(2c) 방식의 일반적인 기지국 RF 송수신기의 구조를 도시하고 있다. 상기 FDD(2a)/ TDD(2b)/ HD(2c) 방식의 송신기 RF 체인은 각각 디지털 아날로그 변환기(Digital-to-Analog Converter : 이하 ‘DAC’라 칭함)(201/ 221/ 241), I/Q 변조기(202/ 222/ 242), IF 증폭기(203/ 223/ 243), 제 1 IF 믹서(mixer)(204/ 224/ 244), 제 1 IF 필터(205/ 225/ 245), 제 1 RF 믹서(206/ 226/ 246), 제 1 RF 필터(207/ 227/ 247), RF 전력증폭기(208/ 228/ 248)를 포함하여 구성되고, 수신기 RF 체인은 각각 RF 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier : 이하 ‘LNA’라 칭함)(210/ 230/ 250), 제 2 RF 필터(211/ 231/ 251), 제 2 RF 믹서(212/ 232/ 252), 제 2 IF 필터(213/ 233/ 253), 제 2 IF 믹서(214/ 234/ 254), IF LNA(215/ 235/ 255), I/Q 복조기(216/ 236/ 256), 아날로그 디지털 변환기(Analog-to-Digital Converter : 이하 ‘ADC’라 칭함)(217/ 237/ 257)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 FDD 방식(2a)의 경우 듀플렉서(Duplexer)(209)를 이용하여 송수신 안테나를 공유하고, 상기 TDD 방식(2b)의 경우 스위치(Switch)(229)를 이용하여 송수신 안테나를 공유한다.
한편, 상기 FDD 방식(2a)과 TDD 방식(2b)의 경우 송신부와 수신부 각각 하나의 RF 체인을 필요로 하지만, 상기 HD 방식(2c)의 경우 수신부가 두 개의 RF 체인을 필요로 한다. 다시 말해, 상기 HD 방식(2c)은 제 2 RF LNA(259), 제 3 RF 필터(260), 제 3 RF 믹서(261), 제 3 IF 필터(262), 제 3 IF 믹서(263), 제 2 IF LNA(264), 제 2 I/Q 복조기(265), 제 2 ADC(266)를 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 HD 방식(2c)은 송수신 안테나의 공유를 위해 듀플렉서(Duplexer)(258)를 이용하여 TDD 대역의 UL/DL 전송과 FDD 대역의 UL 전송을 구분하고, 스위치(Switch)(249)를 이용하여 상기 TDD 대역에서의 UL 전송과 DL 전송을 구분한다. 이 경우, 단말 역시 두 개의 송신 RF 체인을 필요로 하게 된다.
이와 같이, 상기 HD 방식(2c)이 두 배의 수신 RF 체인을 필요로 하는 문제점을 해결하기 위해 상기 도 2의 (2d)와 같이 TDD 대역과 FDD 대역에 대한 수신 RF 체인을 따로 구현하지 않고 재구성 가능한 RF(Reconfigurable RF)를 통해 두 대역이 같은 RF 체인을 공유하도록 할 수 있다. 다시 말해, 송신기 RF 체인은 DAC(271), I/Q 변조기(272), IF 증폭기(273), 제 1 IF 믹서(mixer)(274), 제 1 IF 필터(275), 제 1 RF 믹서(276), 제 1 RF 필터(277), RF 전력증폭기(278)를 포함하여 구성되고, 수신기 RF 체인은 각각 RF LNA(280), 주파수 발생 및 제어기(281), 재구성 RF LNA/필터/믹서(282), 제 2 IF 필터(283), 제 2 IF 믹서(284), IF LNA(285), I/Q 복조기(286), ADC(287)를 포함하여 구성되며, 하이브리드 듀플렉서/스위치(279)를 이용하여 송수신 안테나를 공유한다. 이 경우, 상기 단말도 두 대역에 대한 송신 RF체인을 상기 재구성 가능한 RF를 통해 공유하도록 할 수 있다.
하지만, 이 경우도 역시, 상기 도 1의 (1c)와 같이 UL 송신 구간에서 TDD 대역과 FDD 대역을 통해 동시에 신호를 전송하고자 하는 경우, 두 배의 RF 체인 사용이 불가피하다. 다시 말해, 단말의 안테나 수가 M, 기지국의 안테나 수가 N인 NxM 다중 송수신 안테나 시스템에서 단말에서 기지국으로 TDD 대역과 FDD 대역을 통해 동시에 NxM 다중 안테나 신호를 전송하기 위해서는, 단말에서 2M개의 송신 RF 체인, 기지국에서 2N개의 수신 RF 체인을 필요로 하기 때문에 단말과 기지국의 복잡도가 늘어나게 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 다중 안테나 시스템에서 선택적 안테나 할당을 통한 하이브리드 듀플렉스 복잡도 감소 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 안테나 시스템에서 TDD 대역과 FDD 대역을 통해 동시에 UL 신호를 전송하고자 할 시, 단말 안테나 수로 한정된 단말의 송신 재구성 가능한 RF 체인과 기지국 안테나수로 한정된 기지국의 수신 재구성 가능한 RF 체인을 TDD 대역과 FDD 대역에 나누어서 할당하여 RF 체인 수를 늘리지 않고 HD 방식을 구현하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 안테나 시스템에서 TDD 대역과 FDD 대역을 통해 동시에 UL 신호를 전송하고자 할 시, 단말은 M개의 RF 체인을 구비하여 M개의 안테나 중 일부는 TDD 대역에 할당하고 나머지는 FDD 대역에 할당하며, 기지국은 N개의 RF 체인을 구비하여 N개의 안테나 중 일부는 TDD 대역에 할당하고 나머지는 FDD 대역에 할당하여 HD 방식을 구현하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 다중 안테나 시스템의 기지국에서 하이브리드 듀플렉스 복잡도 감소 장치는, TDD(Time Division Duplex) 대역 모드로 동작하는 안테나별 송신 RF(Radio Frequency) 체인과, 발생하는 주파수에 따라 TDD 대역 모드 또는 FDD(Frequency Division Duplex) 대역 모드로 동작하는 안테나별 수신 RF 체인과, TDD 대역에 할당할 수신 안테나 집합을 결정하는 안테나 선택기와, 상기 안테나별 송신 RF 체인 및 상기 결정된 수신 안테나 집합의 수신 RF 체인으로 TDD 대역 주파수를 발생하고, 그 외의 수신 안테나 집합의 수신 RF 체인으로 FDD 대역 주파수를 발생하는 주파수 발생 및 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 다중 안테나 시스템의 단말에서 하이브리드 듀플렉스 복잡도 감소 장치는, TDD(Time Division Duplex) 대역 모드로 동작하는 안테나별 수신 RF(Radio Frequency) 체인과, 발생하는 주파수에 따라 TDD 대역 모드 또는 FDD(Frequency Division Duplex) 대역 모드로 동작하는 안테나별 송신 RF 체인과, TDD 대역에 할당할 송신 안테나 집합을 결정하는 안테나 선택기와, 상기 안테나별 수신 RF 체인 및 상기 결정된 송신 안테나 집합의 송신 RF 체인으로 TDD 대역 주파수를 발생하고, 그 외의 송신 안테나 집합의 송신 RF 체인으로 FDD 대역 주파수를 발생하는 주파수 발생 및 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 다중 안테나 시스템에서 선택적 안테나 할당을 통한 하이브리드 듀플렉스 복잡도 감소 장치 및 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템의 기지국 RF 송수신기 구조를 도시한 블록도이다. 상기 기지국이 N개의 안테나를 구비한다고 가정하였을 시, 상기 기지국은 상기 N개의 안테나에 각각 연결된 송신기 RF 체인 및 수신기 RF 체인, 주파수 발생 및 제어기(316), 안테나 선택기(317)를 포함하여 구성된다. 여기서, 중심주파수 f1의 TDD(Time Division Duplex) 대역에 대한 제 1~ N 송신기 RF 체인은 제 1~ N DAC(Digital to Analog Converter)(301-1~ N), 제 1~ N I/Q(In /Quadrature Phase) 변조기(302-1~ N), 제 1~ N IF(Intermediate Frequency) 증폭기(303-1~ N), 제 1~ N -1 IF 믹서(mixer)(304-1~ N), 제 1~ N -1 IF 필터(305-1~ N), 제 1~ N RF(Radio Frequency) 믹서(306-1~ N), 제 1~ N RF 필터(307-1~ N), 제 1~ N RF 전력증폭기(308-1~ N)를 포함하여 구성되고, TDD 대역 또는 중심주파수 f2의 FDD(Frequency Division Duplex) 대역에 대한 제 1~ N 수신기 RF 체인은 제 1~ N 재구성 RF LNA(Low Noise Amplifier)/필터/믹서(310-1~ N), 제 1~ N -2 IF 필터(311-1~ N), 제 1~ N -2 IF 믹서(312-1~ N), 제 1~ N IF LNA(313-1~ N), 제 1~ N I/Q 복조기(314-1~ N), 제 1~ N ADC(Analog to Digital Converter)(315-1~ N)를 포함하여 구성되며, 제 1~ N 하이브리드 듀플렉서/스위치(309-1~ N)를 이용하여 송수신 안테나를 공유한다.
상기 도 3을 참조하면, 먼저, 상기 제 1~ N 송신기 RF(Radio Frequency) 체인은 TDD 대역 모드로 동작하며, 상기 제 1~ N 수신기 RF 체인은 상기 주파수 발생 및 제어기(316)로부터 발생하는 주파수에 따라 TDD 대역 모드 또는 FDD 대역 모드로 동작한다.
상기 제 1~ N 송신기 RF 체인의 제 1~ N DAC(301-1~ N)는 기저대역 신호 처리기(300)로부터 입력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 연결되는 I/Q 변조기(302-1~ N)로 출력한다. 상기 제 1~ N I/Q 변조기(302-1~ N)는 입력되는 I축과 Q축의 신호를 상기 I축과 Q축 신호 간에 소정 위상 차를 갖는 높은 주파수로 변환한 후 두 신호를 합성하여 연결되는 IF 증폭기(303-1~ N)로 출력한다. 상기 제 1~ N IF 증폭기(303-1~ N)는 상기 변조된 신호를 IF 증폭하여 연결되는 IF 믹서(mixer)(304-1~ N)로 출력하며, 상기 제 1~ N -1 IF 믹서(mixer)(304-1~ N)는 상기 IF 증폭된 신호를 IF 대역으로 주파수를 상향변환하여 연결되는 IF 필터(305-1~ N)로 출력한다. 상기 제 1~ N -1 IF 필터(305-1~ N)는 상기 주파수 변환된 신호에서 원하는 채널만을 필터링하여 연결되는 RF 믹서(306-1~ N)로 출력하고, 상기 제 1~ N RF 믹서(306-1~ N)는 상기 필터링된 IF 신호를 RF 대역으로 주파수를 상향변환하여 연결되는 RF 필터(307-1~ N)로 출력하며, 상기 제 1~ N RF 필터(307-1~ N)는 상기 주파수 변환된 신호에서 원하는 채널만을 필터링하여 연결되는 RF 전력증폭기(308-1~ N)로 출력한다. 상기 제 1~ N RF 전력증폭기(308-1~ N)는 상기 RF 주파수로 변환된 신호가 충분한 전력을 가지고 전송될 수 있도록 높은 레벨로 증폭하고, 상기 증폭된 신호를 연결되는 안테나를 통해 수신단으로 전송한다.
또한, 상기 제 1~ N 수신기 RF 체인의 제 1~ N 재구성 RF LNA/필터/믹서(310-1~ N)는 상기 주파수 발생 및 제어기(316)로부터 발생되는 주파수 대역에 따라 TDD 대역 모드 혹은 FDD 대역 모드로 동작하며, 연결되는 안테나를 통해 수신되는 신호를 소정 레벨로 증폭하고, 상기 증폭된 신호에서 원하는 신호만을 필터링한 후, 상기 필터링된 RF 신호를 IF 대역으로 주파수를 하향변환하여 연결되는 IF 필터(311-1~ N)로 출력한다. 상기 제 1~ N -2 IF 필터(311-1~ N)는 상기 주파수 변환된 신호에서 원하는 채널만을 필터링하여 연결되는 IF 믹서(312-1~ N)로 출력하고, 상기 제 1~ N -2 IF 믹서(312-1~ N)는 상기 필터링된 신호를 기저대역으로 주파수를 하향변환하여 연결되는 IF LNA(313-1~ N)로 출력하며, 상기 제 1~ N IF LNA(313-1~ N)는 상기 주파수 변환된 신호를 소정 레벨로 증폭하여 연결되는 I/Q 복조기(314-1~ N)로 출력한다. 상기 제 1~ N I/Q 복조기(314-1~ N)는 상기 증폭된 신호를 변조 이전의 I축과 Q축의 신호로 변환하여 연결되는 ADC(315-1~ N)로 출력하고, 상기 제 1~ N ADC(315-1~ N)는 상기 복조된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 기저대역 신호 처리기(300)로 출력한다.
상기 제 1~ N 하이브리드 듀플렉서/스위치(309-1~ N)는 상기 주파수 발생 및 제어기(316)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 TDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 경우 스위치로 동작하며, FDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 경우 듀플렉서로 동작한다.
상기 주파수 발생 및 제어기(316)는 상기 안테나 선택기(317)로부터 입력되는 TDD 대역에 대한 수신 안테나 인덱스 집합을 이용하여, 각 안테나에 연결된 RF 체인의 주파수를 TDD 대역(f1), FDD 대역(f2) 중 결정된 값으로 스위칭한다. 즉, TDD 대역에 대한 수신 안테나 집합에 속하는 안테나의 경우, 상기 안테나에 연결된 RF 체인의 주파수를 TDD 대역(f1)으로 스위칭하고, 그외의 안테나에 대한 RF 체인의 주파수는 FDD 대역(f2)로 스위칭한다. 또한, TDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 하이브리드 듀플렉서/스위치에 대해 스위치로 동작하도록 제어 신호를 발생하고, FDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 하이브리드 듀플렉서/스위치에 대해 듀플렉서로 동작하도록 제어 신호를 발생한다.
상기 안테나 선택기(317)는 기저대역 신호처리기(300)로부터 입력되는 단말 의 TDD 대역과 FDD 대역에 대한 상향링크 채널 정보, 즉 파일롯 신호를 이용하여 TDD 대역과 FDD 대역에 대한 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널 정보를 이용하여 TDD 대역에 할당할 송수신 안테나 집합을 결정한다. 여기서, 상기 송수신 안테나 집합은 전체 전송률을 최대화하는 안테나 할당 알고리즘을 이용하여 결정할 수 있다. 이후, 상기 결정된 송신 안테나 집합을 하향링크 제어 채널을 통해 해당 단말로 전송하고, 상기 결정된 수신 안테나 집합을 상기 주파수 발생 및 제어기(316)로 출력한다. 상기 안테나 선택 방법에는 다른 여러 가지 방법이 가능하며, 예를 들어 고정적으로 홀수 번째 안테나에는 TDD 대역에 할당하고 짝수 번째 안테나는 FDD 대역에 할당할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템의 단말 RF 송수신기 구조를 도시한 블록도이다. 여기서, 상기 단말이 M개의 안테나를 구비한다고 가정하였을 시, 상기 단말은 상기 M개의 안테나에 각각 연결된 송신기 RF 체인 및 수신기 RF 체인, 주파수 발생 및 제어기(416), 안테나 선택기(417)를 포함하여 구성된다. 여기서, 중심주파수 f1의 TDD 대역에 대한 제 1~ M 수신기 RF 체인은 제 1~ M ADC(401-1~ M), 제 1~ M I/Q 복조기(402-1~ M), 제 1~ M IF LNA(403-1~ M), 제 1~ M -1 IF 믹서(mixer)(404-1~ M), 제 1~ M -1 IF 필터(405-1~ M), 제 1~ M RF 믹서(406-1~ M), 제 1~ M RF 필터(407-1~ M), 제 1~ M RF LNA(408-1~ M)를 포함하여 구성되고, TDD 대역 또는 중심주파수 f2의 FDD 대역에 대한 제 1~ M 송신기 RF 체인은 제 1~ M 재 구성 RF 믹서/필터/증폭기(410-1~ M), 제 1~ M -2 IF 필터(411-1~ M), 제 1~ M -2 IF 믹서(412-1~ M), 제 1~ M IF 증폭기(413-1~ M), 제 1~ M I/Q 변조기(414-1~ M), 제 1~ M DAC(415-1~ M)를 포함하여 구성되며, 제 1~ M 하이브리드 듀플렉서/스위치(409-1~ M)를 이용하여 송수신 안테나를 공유한다.
여기서, 상기 제 1~ M -1 IF 필터(405-1~ M), 제 1~ M -1 IF 믹서(mixer)(404-1~ M), 제 1~ M IF LNA(403-1~ M), 제 1~ M I/Q 복조기(402-1~ M), 제 1~ M ADC(401-1~ M)은 상기 도 3의 제 1~ N -2 IF 필터(311-1~ N), 제 1~ N -2 IF 믹서(312-1~ N), 제 1~ N IF LNA(313-1~ N), 제 1~ N I/Q 복조기(314-1~ N), 제 1~ N ADC(315-1~ N)와 동일하고, 상기 제 1~ M 송신기 RF 체인의 제 1~ M DAC(415-1~ M), 제 1~ M I/Q 변조기(414-1~ M), 제 1~ M IF 증폭기(413-1~ M), 제 1~ M -2 IF 믹서(412-1~ M), 제 1~ M -2 IF 필터(411-1~ M)는 상기 도 3의 제 1~ N 송신기 RF 체인은 제 1~ N DAC(301-1~ N), 제 1~ N I/Q 변조기(302-1~ N), 제 1~ N IF 증폭기(303-1~ N), 제 1~ N -1 IF 믹서(mixer)(304-1~ N), 제 1~ N -1 IF 필터(305-1~ N)와 동일하므로, 이하 설명에서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
상기 도 4를 참조하면, 먼저, 상기 제 1~ N 수신기 RF(Radio Frequency) 체인은 TDD 대역 모드로 동작하며, 상기 제 1~ N 송신기 RF 체인은 상기 주파수 발생 및 제어기(416)로부터 발생하는 주파수에 따라 TDD 대역 모드 또는 FDD 대역 모드로 동작한다.
상기 제 1~ M 수신기 RF 체인의 제 1~ M RF LNA(408-1~ M)는 연결되는 안테나를 통해 수신되는 신호를 소정 레벨로 증폭하여 연결되는 RF 필터(407-1~ M)로 출력하고, 상기 제 1~ M RF 필터(407-1~ M)는 상기 증폭된 신호에서 원하는 신호만을 필터링하여 연결되는 RF 믹서(406-1~ M)로 출력하며, 상기 제 1~ M RF 믹서(406-1~ M)는 상기 필터링된 RF 신호를 IF 대역으로 주파수를 하향변환하여 연결되는 IF 필터(405-1~ M)로 출력한다.
또한, 상기 제 1~ M 송신기 RF 체인의 제 1~ M 재구성 RF 믹서/필터/증폭기(410-1~ M)는 상기 주파수 발생 및 제어기(416)로부터 발생되는 주파수 대역에 따라 TDD 대역 모드 혹은 FDD 대역 모드로 동작하며, 연결되는 IF 필터(411-1~ M)로부터 입력되는 필터링된 IF 신호를 RF 대역으로 주파수를 상향변환하고, 상기 주파수 변환된 신호에서 원하는 채널만을 필터링한 후, 상기 RF 주파수로 변환된 신호가 충분한 전력을 가지고 전송될 수 있도록 높은 레벨로 증폭하여, 상기 증폭된 신호를 연결되는 안테나를 통해 수신단으로 전송한다.
상기 제 1~ M 하이브리드 듀플렉서/스위치(409-1~ M)는 상기 주파수 발생 및 제어기(416)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 TDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 경우 스위치로 동작하며, FDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 경우 듀플렉서로 동작한다.
상기 주파수 발생 및 제어기(416)는 상기 안테나 선택기(417)로부터 입력되는 TDD 대역에 대한 송신 안테나 인덱스 집합을 이용하여 각 안테나에 연결된 RF 체인의 주파수를 TDD 대역(f1), FDD 대역(f2) 중 결정된 값으로 스위칭한다. 즉, TDD 대역에 대한 송신 안테나 집합에 속하는 안테나의 경우, 상기 안테나에 연결된 RF 체인의 주파수를 TDD 대역(f1)으로 스위칭하고, 그외의 안테나에 대한 RF 체인의 주파수는 FDD 대역(f2)로 스위칭한다. 또한, TDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 하이브리드 듀플렉서/스위치에 대해 스위치로 동작하도록 제어 신호를 발생하고, FDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 하이브리드 듀플렉서/스위치에 대해 듀플렉서로 동작하도록 제어 신호를 발생한다.
상기 안테나 선택기(417)는 기지국으로부터 하향링크 제어 채널을 통해 TDD 대역 송신 안테나 선택 정보를 수신하고, 상기 수신된 안테나 선택 정보에 포함된 TDD 대역에 대한 송신 안테나 인덱스 집합을 상기 주파수 발생 및 제어기(416)로 출력한다. 여기서, 상기 안테나 선택 방법에는 상기와 같이 기지국으로부터 수신되는 안테나 선택 정보를 이용하여 수행할 수도 있으나, 고정적으로 홀수 번째 안테나에는 TDD 대역에 할당하고 짝수 번째 안테나는 FDD 대역에 할당하는 등 TDD 대역과 FDD 대역에 대한 여러가지 안테나 선택 방법이 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 안테나 시스템의 기지국에서 적응적 안테나 할당 방법의 절차를 도시한 도면이다.
상기 도 5를 참조하면, 상기 기지국은 501단계에서 상향링크 파일럿 채널을 통해 단말로부터 DD 대역과 FDD 대역에 대한 파일롯 신호가 수신되는지 여부를 검사한다. 상기 파일롯 신호가 수신될 시, 상기 기지국은 503단계에서 상기 수신된 파일롯 신호를 이용하여 TDD 대역과 FDD 대역에 대한 채널 H1, H2를 추정한다. 여기 서, 상기 TDD 대역에 대한 단말에서 기지국으로의 N×M 채널 매트릭스를 H1이라 하고, 상기 FDD 대역에 대한 단말에서 기지국으로의 N×M 채널 매트릭스를 H2라 하며, 상기 TDD 대역과 FDD 대역의 대역폭을 각각 W1 , W2라고 가정한다.
이후, 상기 기지국은 505단계에서 상기 추정된 TDD 대역과 FDD 대역에 대한 채널 H1, H2를 이용하여 TDD 대역에 할당할 송수신 안테나 집합
Figure 112006072473913-PAT00001
을 결정한다. 여기서, 상기 TDD 대역에 할당할 송수신 안테나 집합은 전체 전송률을 최대화하는 안테나 할당 알고리즘을 이용하여 결정할 수 있다.
상기 안테나 할당 알고리즘의 설명을 위해, 상기 단말의 송신 안테나 인덱스 1~M 중 TDD 대역에 할당되는 인덱스의 집합을
Figure 112006072473913-PAT00002
이라 하고, FDD 대역에 할당되는 인덱스의 집합을
Figure 112006072473913-PAT00003
라 하면,
Figure 112006072473913-PAT00004
이 된다. 마찬가지로, 상기 기지국의 수신 안테나 인덱스 1~N 중 TDD 대역에 할당되는 인덱스의 집합을
Figure 112006072473913-PAT00005
, FDD 대역에 할당되는 인덱스의 집합을
Figure 112006072473913-PAT00006
라 하면,
Figure 112006072473913-PAT00007
이 된다. 여기서, 안테나 할당이
Figure 112006072473913-PAT00008
로 주어진 경우, 전체 전송률은 하기 <수학식 1>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006072473913-PAT00009
Figure 112006072473913-PAT00010
여기서, 상기 P/σ2은 신호 대 잡음 비를 의미하고, 상기 H1(AT1, AR1)은 상기 H1에서 AT1에 속하는 인덱스에 해당하는 열들과 AR1에 속하는 인덱스에 해당하는 행들만 취하여 이루어진
Figure 112006072473913-PAT00011
행렬을 의미한다. 여기서, 상기
Figure 112006072473913-PAT00012
는 인덱스 집합 A의 원소의 수를 나타낸다. 마찬가지로, 상기 H2(AT2, AR2)는 상기 H2에서 AT2에 속하는 인덱스에 해당하는 열들과 AR2에 속하는 인덱스에 해당하는 행들만 취하여 이루어진
Figure 112006072473913-PAT00013
행렬을 의미한다. 상기 IK 는 K×K 단위행렬을 나타내며, 상기 (·)H는 공액 전치(conjugate transpose) 연산을 나타낸다. 여기서, 상기 전체 전송률을 최대화하는 안테나 할당
Figure 112006072473913-PAT00014
,
Figure 112006072473913-PAT00015
은 상기 <수학식 1>을 최대화하는 (AT1, AR1)의 조합을 찾음으로써 가능하다. 여기서, 이에 해당하는 FDD 대역에 대한 안테나 인덱스 집합은
Figure 112006072473913-PAT00016
,
Figure 112006072473913-PAT00017
로 결정된다.
이후, 상기 기지국은 507단계에서 TDD 대역 송신 안테나 선택 정보로서 상기 결정된 TDD 대역에 대한 송신 안테나 인덱스 집합
Figure 112006072473913-PAT00018
을 하향링크 제어 채널을 통해 상기 단말로 전송한다. 이때, 상기 단말은 상기 결정된 TDD 대역 송신 안테나 선택 정보를 이용하여 각 안테나에 연결된 RF 체인의 주파수를 TDD 대역(f1), FDD 대역(f2) 중 결정된 값으로 스위칭한다.
이후, 상기 기지국은 509단계에서 상기 결정된 TDD 대역에 대한 수신 안테나 인덱스 집합
Figure 112006072473913-PAT00019
을 이용하여 각 안테나에 연결된 RF 체인의 주파수를 TDD 대역(f1), FDD 대역(f2) 중 결정된 값으로 스위칭한다.
한편, 상기 본 발명에 따른 실시 예에서는 안테나 할당 방법으로 전체 전송률을 최대화하는 방법을 설명하였지만 다양한 형태의 낮은 복잡도를 갖는 안테나 할당 방법이 적용 가능함은 물론이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명은 다중 안테나 시스템에서 TDD 대역과 FDD 대역을 통해 동시에 UL 신호를 전송하고자 할 시, 단말 안테나 수로 한정된 단말의 송신 재구성 가능한 RF 체인과 기지국 안테나수로 한정된 기지국의 수신 재구성 가능한 RF 체인을 TDD 대역과 FDD 대역에 나누어서 할당함으로써, RF 체인 수를 늘리지 않고 HD 방식을 구현할 수 있는 이점이 있다. 즉, 종래의 TDD 또는 FDD 방식과 동일한 수의 RF 체인을 사용하여 기지국 및 단말의 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 두 대역이 공유함에 따라 나타나는 시스템 성능 저하를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

Claims (17)

  1. 다중 안테나 시스템의 기지국에서 하이브리드 듀플렉스 복잡도 감소 장치에 있어서,
    TDD(Time Division Duplex) 대역 모드로 동작하는 안테나별 송신 RF(Radio Frequency) 체인과,
    발생하는 주파수에 따라 TDD 대역 모드 또는 FDD(Frequency Division Duplex) 대역 모드로 동작하는 안테나별 수신 RF 체인과,
    TDD 대역에 할당할 수신 안테나 집합을 결정하는 안테나 선택기와,
    상기 안테나별 송신 RF 체인 및 상기 결정된 수신 안테나 집합의 수신 RF 체인으로 TDD 대역 주파수를 발생하고, 그 외의 수신 안테나 집합의 수신 RF 체인으로 FDD 대역 주파수를 발생하는 주파수 발생 및 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 선택기는 단말로부터 수신되는 파일롯 신호를 이용하여 TDD 대역과 FDD 대역에 대한 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널 정보를 이용하여 TDD 대역에 할당할 안테나 집합을 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 선택기는 TDD 대역에 할당할 송신 안테나 집합을 결정하고, 상기 결정된 송신 안테나 집합을 단말로 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 선택기는 전체 전송률을 최대화하는 안테나 집합으로 상기 TDD 대역에 할당할 송신 안테나 집합을 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항 혹은 제 4 항에 있어서,
    송신 및 수신 안테나 할당별 전체 전송률은 하기 <수학식 2>과 같이 나타내는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112006072473913-PAT00020
    Figure 112006072473913-PAT00021
    여기서, 상기
    Figure 112006072473913-PAT00022
    은 단말의 송신 안테나 인덱스 1~M 중 TDD 대역에 할당되는 인덱스의 집합을 의미하고, 상기
    Figure 112006072473913-PAT00023
    는 FDD 대역에 할당되는 인덱스의 집합을 의미하며,
    Figure 112006072473913-PAT00024
    이 된다. 상기
    Figure 112006072473913-PAT00025
    은 기지국의 수신 안테나 인덱스 1~N 중 TDD 대역에 할당되는 인덱스의 집합을 의미하고, 상기
    Figure 112006072473913-PAT00026
    는 FDD 대역에 할당되는 인덱스의 집합을 의미하며,
    Figure 112006072473913-PAT00027
    이 된다. 또한, 상기 P/σ2은 신호 대 잡음 비를 의미하고, 상기 H1(AT1, AR1)은 상기 H1에서 AT1에 속하는 인덱스에 해당하는 열들과 AR1에 속하는 인덱스에 해당하는 행들만 취하여 이루어진
    Figure 112006072473913-PAT00028
    행렬을 의미한다. 여기서, 상기
    Figure 112006072473913-PAT00029
    는 인덱스 집합 A의 원소의 수를 나타낸다. 마찬가지로, 상기 H2(AT2, AR2)는 상기 H2에서 AT2에 속하는 인덱스에 해당하는 열들과 AR2에 속하는 인덱스에 해당하는 행들만 취하여 이루어진
    Figure 112006072473913-PAT00030
    행렬을 의미함.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 선택기는 TDD 대역에 할당할 수신 안테나 집합을 고정적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주파수 발생 및 제어기는 안테나별 동작 모드에 대한 제어신호를 하이브리드 듀플렉서/스위치로 출력하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 송신 RF 체인 및 수신 RF 체인과 해당 안테나를 연결하며, 상기 주파수 발생 및 제어기의 제어신호에 따라 TDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 경우 스위치로 동작하며, FDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 경우 듀플렉서로 동작하는 상기 하이브리드 듀플렉서/스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나별 송신 RF 체인은 DAC(Digital to Analog Converter), I/Q(In /Quadrature Phase) 변조기, IF(Intermediate Frequency) 증폭기, IF 믹서(mixer), IF 필터, RF 믹서, RF 필터, RF 전력증폭기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나별 수신 RF 체인은 재구성 가능한 RF LNA(Low Noise Amplifier)/필터/믹서, IF(Intermediate Frequency) 필터, IF 믹서, IF LNA, I/Q(In /Quadrature Phase) 복조기, ADC(Analog to Digital Converter) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 다중 안테나 시스템의 단말에서 하이브리드 듀플렉스 복잡도 감소 장치에 있어서,
    TDD(Time Division Duplex) 대역 모드로 동작하는 안테나별 수신 RF(Radio Frequency) 체인과,
    발생하는 주파수에 따라 TDD 대역 모드 또는 FDD(Frequency Division Duplex) 대역 모드로 동작하는 안테나별 송신 RF 체인과,
    TDD 대역에 할당할 송신 안테나 집합을 결정하는 안테나 선택기와,
    상기 안테나별 수신 RF 체인 및 상기 결정된 송신 안테나 집합의 송신 RF 체인으로 TDD 대역 주파수를 발생하고, 그 외의 송신 안테나 집합의 송신 RF 체인으 로 FDD 대역 주파수를 발생하는 주파수 발생 및 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 안테나 선택기는 기지국으로부터 상기 TDD 대역에 할당할 송신 안테나 집합을 수신하여 상기 송신 안테나 집합을 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 안테나 선택기는 TDD 대역에 할당할 송신 안테나 집합을 고정적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 주파수 발생 및 제어기는 안테나별 동작 모드에 대한 제어신호를 하이브리드 듀플렉서/스위치로 출력하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 송신 RF 체인 및 수신 RF 체인과 해당 안테나를 연결하며, 상기 주파수 발생 및 제어기의 제어신호에 따라 TDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 경우 스위치로 동작하며, FDD 대역 모드로 동작하는 안테나에 연결된 경우 듀플렉서로 동작하는 상기 하이브리드 듀플렉서/스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 안테나별 송신 RF 체인은 DAC(Digital to Analog Converter), I/Q(In /Quadrature Phase) 변조기, IF(Intermediate Frequency) 증폭기, IF 믹서(mixer), IF 필터, 재구성 가능한 RF 믹서/필터/증폭기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 안테나별 수신 RF 체인은 RF LNA(Low Noise Amplifier), RF 필터, RF 믹서, IF(Intermediate Frequency) 필터, IF 믹서, IF LNA, I/Q(In /Quadrature Phase) 복조기, ADC(Analog to Digital Converter) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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