KR20080046423A - 무선통신 시스템에서 기지국의 안테나 공유를 위한 장치 - Google Patents

무선통신 시스템에서 기지국의 안테나 공유를 위한 장치 Download PDF

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KR20080046423A
KR20080046423A KR1020060115856A KR20060115856A KR20080046423A KR 20080046423 A KR20080046423 A KR 20080046423A KR 1020060115856 A KR1020060115856 A KR 1020060115856A KR 20060115856 A KR20060115856 A KR 20060115856A KR 20080046423 A KR20080046423 A KR 20080046423A
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Abstract

본 발명은 무선통신 시스템의 기지국에서 안테나 공유를 위한 장치를 개시한다. 상기 장치는, 복수의 제1 주파수 대역들의 송신 신호들을 증폭하는 복수의 전력 증폭기들과 송신 시간구간에서 상기 송신 신호들을 선택하여 상기 트리플렉서로 전달하고, 수신 시간구간에서 상기 트리플렉서로부터의 수신 신호를 선택하는 시분할 이중화(TDD) 스위치를 포함하여 구성되는 다중 FA 기지국 송수신기와, 적어도 하나의 제2 주파수 대역을 운용하며 상기 다중 FA 기지국 송수신기와 안테나를 공유하는 공간공유형 기지국 송수신기와, 상기 다중 FA 기지국 송수신기 및 상기 공간공유형 기지국 송수신기를, 복수의 주파수 대역 신호들을 송수신하는 안테나로 접속하는 트리플렉서로 구성되는 것을 특징으로 한다.
ANTENNA SHARING, CO-LOCATION SITE, WIMAX

Description

무선통신 시스템에서 기지국의 안테나 공유를 위한 장치{APPARATUS FOR ANTENNA SHARING OF BASE STATION IN WIRELESS TELECOMMUNICATIONS SYSTEM}
도 1은 다이플렉서를 포함하는 안테나 급전 구조를 가지는 기지국 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 트리플렉서를 포함하는 안테나 급전 구조를 가지는 기지국 구조를 나타낸 도면.
본 발명은 무선통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 무선통신 시스템의 기지국에서 안테나 공유(Antenna sharing)를 위한 장치에 관한 것이다.
무선통신 시스템, 특히 셀룰러 통신 시스템은 전체 서비스영역을 다수의 셀들로 분할하여 복수의 기지국(cell site)들을 상기 셀들에서의 통신을 각각 수행함으로써 셀들 간을 이동 가능한 단말들이 상기 기지국들을 통해 네트워크에 접속하는 구조를 가진다. 각 기지국은 해당 셀 내의 모든 단말들이 상기 기지국으로부터 의 무선 신호를 수신할 수 있도록 상기 무선 신호를 송출하고, 상기 단말들로부터의 무선 신호를 수신한다.
셀 내에서 통신을 수행하는 단말들의 수가 매우 많은 경우, 기지국은 하나 이상의 주파수 할당(Frequency Assignment: FA)을 지원할 수 있다. 여기서 FA는 특정 주파수 대역을 의미한다. 이 경우 기지국 송수신기에서는 복수의 FA들에 대응하는 복수의 전력 증폭기(Power Amplifier: PA)들을 구비하고, 상기 전력 증폭기들에 의해 증폭된 송신 신호들을 채널 결합기(Channel Combiner)에 의해 결합하여 송출하는 기지국 전단(front end) 구조를 가진다.
한편, 기지국은 기저대역 신호의 처리를 담당하는 모뎀 부분과, 주파수 변환과 증폭 및 필터링 등을 담당하는 기지국 RF(Radio Frequency)부로 구분되는데, 특히 고주파수 대역의 신호를 공중(Air)으로 방사하고 공중으로부터의 고주파수 신호를 수신하는 안테나 부분은 기지국의 나머지 부분과 구분되어 주로 건물의 옥상 혹은 탑의 꼭대기에 설치된다. 이러한 경우 공간의 절약 및 시스템 비용의 감소 등의 여러 목적을 위하여, 서로 다른 주파수대역들을 사용하는 기지국들이 하나의 안테나 부분을 공유할 수 있는데 이를 안테나 공유(Antenna sharing)라 칭한다.
그러나 종래 기술에 의한 안테나 공유 시스템에 있어서는, 안테나 공유를 통해 복수의 주파수대역들 내에서 고주파수 대역의 신호들을 송수신함으로 인하여 신호의 손실, 기지국 성능저하 및 다수 모듈들의 구성에 따른 재료비 상승 등의 문제가 발생하는 문제점이 있었다.
따라서 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은, 복수의 주파수대역들을 사용하는 기지국에서 안테나 공유를 지원하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 복수의 주파수대역들을 사용하는 기지국에서 안테나 공유를 지원하기 위해 트리플렉서를 이용하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예는, 무선통신 시스템에서 기지국의 안테나 공유를 위한 장치에 있어서,
복수의 제1 주파수 대역들의 송신 신호들을 증폭하는 복수의 전력 증폭기들과 송신 시간구간에서 상기 송신 신호들을 선택하여 상기 트리플렉서로 전달하고, 수신 시간구간에서 상기 트리플렉서로부터의 수신 신호를 선택하는 시분할 이중화(TDD) 스위치를 포함하여 구성되는 다중 FA(Frequency Assignment) 기지국 송수신기와,
적어도 하나의 제2 주파수 대역을 운용하며 상기 다중 FA 기지국 송수신기와 안테나를 공유하는 공간공유형 기지국 송수신기와,
상기 다중 FA 기지국 송수신기 및 상기 공간공유형 기지국 송수신기를, 복수의 주파수 대역 신호들을 송수신하는 안테나로 접속하는 트리플렉서로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
후술되는 본 발명의 주요한 요지는 기지국 시스템에서 공간공유형 기지국(co-located site)을 위한 안테나 공유를 지원하는 것으로서, 특히 시분할 이중화(Time Division Duplex: TDD) 방식을 사용하여 송신 신호와 수신 신호를 구분하는 기지국에서 송수신 신호들을 처리하는 송수신기를 안테나 공유용 안테나 부분에 연결하기 위한 구성을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 다이플렉서를 포함하는 안테나 급전 구조를 가지는 기지국 구조를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 다중 FA를 지원하는 기지국 송수신기(100)는 복수의 전력 증폭기들(PA)(102)과 채널 결합기(Channel Combiner)(104)와, TDD 스위치(106)와, 대역필터(Band Pass Filter: BPF)(108)로 구성되며, 다이플렉서(Diplexer)(110)는 상기 기지국 송수신기(100)와 공간공유형 기지국 송수신기(130)를 안테나 급전부(Antenna Feeder)(120)로 연결함으로써 다중 FA 기지국 송수신기(100)와 공간공 유형 기지국 송수신기(130)를 위한 안테나 공유 구조를 지원한다.
복수의 전력 증폭기들(102)은 각각의 FA에 해당하는 송신 신호들을 증폭하며, 상기 증폭된 송신 신호들은 채널 결합기(104)에 의해 FA들 간에 결합된다. TDD 스위치(106)는 미리 정해지는 송신 시간구간에서는 채널 결합기(104)로부터의 송신 신호를 선택하여 대역필터(108)로 연결하고, 미리 정해지는 수신 시간구간에서는 대역 필터(108)로부터의 수신 신호를 받아들인다. 도시하지 않을 것이지만 상기 수신 신호는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier: LNA)와 주파수 하강 변환을 거쳐 기지국 모뎀으로 전달된다. 대역 필터(108)는 송신 및 수신 신호들을 해당 주파수 대역에 대해 필터링을 수행하여 다이플렉서(110)로 연결한다.
다이플렉서(110)는 다중 FA 기지국 송수신기(100)의 안테나 공유 구조를 지원하기 위하여 2개의 포트들(A, B)을 구비하여, 제1 포트(A)는 다중 FA 기지국 송수신기(100)로 연결되고 제2 포트(B)는 다른 FA를 사용할 수 있는 공간공유형 기지국 송수신기(130)로 연결된다. 또한 안테나측 포트(Y)는 안테나 급전부(120)로 연결된다.
상기와 같이 채널 결합기(104)와 다이플렉서(110)를 사용함으로써, 다중 FA 기지국과 공간공유형 기지국을 위한 안테나 공유 구조가 이루어진다.
상기와 같이 TDD 방식의 다중 FA 기지국에서는, FA 결합된 출력을 위해 채널 결합기(104) 및 TDD 스위치(106)를 구비하며, 다른 FA를 지원하는 공간공유형 기지국과의 안테나 공유를 위해 다이플렉서(110)를 사용하기 때문에, 송신 손실이 증가하게 되어 기지국 출력이 저하되는 문제가 발생되었다. 따라서 원하는 출력 레벨을 유지하기 위해서는 높은 용량의 전력 증폭기들(102)을 필요로 한다는 부담이 존재하였다.
또한 안테나 공유를 위해 다이플렉서(110)를 사용하게 됨으로써, 다이플렉서(110)의 삽입으로 인한 손실이 추가되어 잡음지수(Noise Figure)가 상승한다. 이 경우 잡음지수 요구규격에 민감한(Critical) 기지국 시스템에서는 부가적으로 타워탑(Tower top) 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier: LNA)를 추가하여 수신 잡음지수를 개선해야 한다. 이로 인해 기지국의 성능이 저하될 뿐 아니라 다수 모듈들의 구성에 따라 재료비가 상승하게 된다.
따라서 본 발명의 다른 실시예에서는 다중 FA 기지국을 위한 안테나 공유를 지원하기 위해 트리플렉서(Triplexer)를 사용한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 트리플렉서를 포함하는 안테나 급전 구조를 가지는 기지국 구조를 나타낸 것이다.
도2를 참조하면, 다중 FA를 지원하는 기지국 송수신기(200)는 복수의 전력 증폭기들(PA)(202)과 TDD 스위치(204)로 구성되며, 트리플렉서(110)는 상기 기지국 송수신기(200)와 공간공유형 기지국 송수신기(230)를 안테나 급전부(220)를 통해 안테나(도시하지 않음)로 연결함으로써 다중 FA 기지국 송수신기(210)와 공간공유형 기지국 송수신기(230)를 위한 안테나 공유 구조를 지원한다.
기지국 모뎀(도시하지 않음)에서 생성되어 주파수 변환을 거쳐 생성된 각각의 FA에 해당하는 송신 신호들은 복수의 전력 증폭기들(202)로 입력되어, 해당하는 FA의 주파수대역 내에서 증폭된다. 상기 증폭된 송신 신호들은 TDD 스위치(204)를 거쳐, 미리 정해지는 송신 시간구간에서 트리플렉서(210)로 전달된다. 또한 TDD 스위치(204)는 미리 정해지는 수신 시간구간에서 트리플렉서(210)로부터의 수신 신호를 받아들인다. 도시하지 않을 것이지만 상기 수신 신호는 저잡음 증폭기(LNA)와 주파수 하강 변환을 거쳐 기지국 모뎀으로 전달된다.
트리플렉서(210)는 다중 FA 기지국 송수신기(200)의 안테나 공유 구조를 지원하기 위하여 3개의 포트들(A, B, C)을 구비하여, 제1 및 제2 포트들(A, B)은 다중 FA 기지국 송수신기(200)의 서로 다른 FA를 가지는 신호들에 연결되고 제3 포트(C)는 상기 다중 FA 기지국 송수신기(200)와는 다른 적어도 하나의 FA를 운용하는 공간공유형 기지국 송수신기(230)로 연결된다. 또한 트리플렉서(210)의 안테나측 포트(Y)는 안테나 급전부(220)에 연결된다.
상기의 도 2와 같은 구조를 통해 도 1에 비해, 채널 결합기(104), 대역필터(108) 및, 다이플렉서(110)이 트리플렉서(210)로 대체된다. 트리플렉서(210)는 복수의 필터들, 즉 상기 다중 FA 기지국이 운용하는 상호 이격된 2개의 주파수 대역들을 각각 지원하기 위해 제1 및 제2 포트(A, B)와 안테나측 포트(Y) 사이에 접속하는 2개의 대역필터들과, 안테나 공유를 위한 공간공유형 기지국이 운용하는 주파수 대역을 지원하기 위해 제3 포트(C)와 안테나측 포트(Y) 사이에 접속하는 1개의 필터를 포함하여 구성되어 있다. 여기서 제3 포트(C)에 연결되는 필터는, 공간공유형 기지국의 운용 주파수에 따라 저역필터(Low Pass Filter: LPF) 혹은 고역필터(High Pass Filter: HPF) 혹은 대역필터 중 하나로 구성될 수 있다. 상기 저역필터(혹은 고역필터)는 상기 공간공유형 기지국이 운용하는 주파수 대역을 상기 다중 FA 기지국이 운용하는 주파수 대역들과 구별하기 위한 임계(cut-off) 주파수를 가진다. 트리플렉서(210) 내의 필터들은, 통과 대역을 조절 불가능한 고정(Fixed) 방식 혹은 통과 대역을 조절 가능한(tunable) 방식으로 설계될 수 있다.
전력 증폭기들(202)에서 출력되는 고주파수의 송신 신호들은, 송수신 절체를 담당하는 TDD 스위치(204)를 거쳐 트리플렉서(210)내의 할당된 포트들(A, B)에 전달 된다. 상기 전달된 송신 신호들은 트리플렉서(210) 내 해당 대역필터들에서 각각 대역 필터링을 거친 후, 해당 반송파의 신호가 되어 상기 해당 대역필터들로부터 포트(Y)를 통해 출력된다.
다중 FA 기지국이 운용하는 반송파 별로 이와 같은 독립된 2개의 경로들이 구성되며, 트리플렉서(210)가 구비하는 나머지 하나의 포트(C)에는 안테나 공유를 하고자 하는 공간공유형 기지국 송수신기(230)의 신호가 RF 케이블(도시하지 않음)을 통해 연결된다. 상기 포트(C)로 입력된 송신 신호는 마찬가지로 해당 대역필터에서 대역 필터링을 거쳐 상기 해당 대역필터로부터 포트(Y)를 통해 출력된다.
결과적으로 다중 FA 기지국의 2개의 송신 신호들과 공간공유형 기지국의 1개의 송신 신호가 트리플렉서(210) 내에서 회로적으로 결합되어, 하나의 포트(Y)를 통해 안테나 급전부(220)와 정합된다.
마찬가지로 안테나 급전부(220)로부터 포트(Y)를 통해 전달된 수신 신호는 트리플렉서(210) 내의 3개의 대역필터들을 거쳐 대역 필터링된다. 상기 대역 필터링을 거쳐서 상기 수신 신호는 3개의 주파수 대역별 신호들로 구별되어 포트들(A, B, C)로 출력된다.
하기에서는 도 1과 같은 구조에 있어서의 송수신 경로 손실을 계산해 보기로 한다.
각각 2.5GHz 와 800MHz 의 중심 주파수대역을 가지는 기지국들이 안테나 부분을 공유할 때, 2.5GHz 대역 내에서 40MHz만큼 상호 이격된 두 개의 주파수블록들(여기서 각 블록의 대역폭은 20MHz)을 운용하는 기지국은 각 주파수블록당 하나씩 총 2개의 반송파를 운용하는 경우를 설명한다. 대략적으로, 채널 결합기의 손실은 0.5dB이고, TDD 스위치의 손실은 0.4 dB이며, 대역필터의 손실은 0.9 dB가 되어, 선로 손실(Cable loss)을 제외하고, 전력 증폭기 이후에서 대역필터 종단까지의 총 손실은 0.5+0.4+0.9 = 1.8 dB 가 된다. 여기에 안테나 공유를 위한 다이플렉서의 손실인 0.5 dB를 더하게 되면, 기지국에서 전력 증폭기 이후로부터 안테나 급전부 전단까지의, 선로 손실을 제외한 총 손실은 1.8+0.5 = 2.3 dB 가 된다.
반면에 도 2와 같이 트리플렉서를 이용하는 구조에 있어서의 송수신 경로 손실은 다음과 같다.
안테나 부분을 공유하는 기지국들의 운용 환경이 도 1의 예시와 동일하다고 할 때, TDD 스위치의 손실 0.4dB이고, 트리플렉서의 손실은 0.6이므로, 선로 손실을 제외한 전력 증폭기 이후에서 안테나 급전부 전단까지의 총 손실은 0.4+0.6 = 1dB 가 된다. 따라서 도 2의 구조는 도 1의 구조와 비교하여, 2.3dB-1dB = 1.3 dB 가량의 손실을 줄임을 알 수 있다.
상기와 같은 손실의 절감으로 인하여 얻을 수 있는 전력 증폭기의 용량 이득은 다음과 같다. 즉 도 1의 경우 전력 증폭기의 신호 레벨이 20W (43dBm)라고 할 때, 다이플렉서의 출력 포트(즉 안테나 급전부의 전단)에서의 신호 레벨은, 선로 손실을 0.2dB 로 산정시, 11.2 W (40.5dBm = 43dBm-2.3dB-0.2dB)가 된다. 반면 트리플렉서를 적용한 도 2의 구조에서, 안테나 급전부의 전단에서의 신호 레벨은 15.13 W (41.8dBm = 43dBm-1dB-0.2dB)가 되어, 도 1과 비교하여 약 4W 의 이득이 발생하게 된다.
더욱이 도 1의 구조에서는 대역필터와 다이플렉서로 인한 손실이 0.5+0.9 = 1.4dB 인 반면, 도 2의 구조에서는 트리플렉서로 인한 손실이 0.6 dB 정도이므로, 0.8 dB 의 차이가 발생하게 되는데, 상기 차이는 고스란히 수신 잡음지수의 증가로 인한 성능열화를 발생시키게 된다. 따라서 도 1의 구조에서 다이플렉서 후단 혹은 안테나 급전부의 후단에, 상기 수신 잡음지수의 증가를 보상하기 위한 별도의 타워탑 LNA를 필요로 하게 된다. 타워탑 LNA가 추가적으로 사용되는 경우, 타워탑 LNA의 삽입으로 인한 손실은 약 0.8dB이며, 타워탑 LNA로 인한 바이어스-T(Bias-T)의 손실은 약 0.15 dB이므로, 부가적으로 0.95 dB 의 손실이 발생하게 된다. 더욱이 타워탑 LNA의 제어를 위한 별도의 제어유닛 및 전력 공급을 위한 바이어스-T 모듈이 부가적으로 요구되어, 기지국 재료비 상승 및 소요 실장공간을 할당해야 한다.
이에 비하면 도 2의 구조는, 상호 이격된 주파수 대역들을 운영하는 다중 FA 기지국이 상기 이격된 주파수 대역들 별로 1 반송파씩 2개의 반송파들을 서비스하면서, 공간공유형 기지국과 안테나 부분을 공유하고자 하는 경우에, 송신 출력 성능의 개선, 수신 잡음지수의 개선, 시스템 구성 모듈의 단순화 및 제거를 통한 시스템 재료비 절감, 기지국내 실장되는 타워탑 LNA 제어 모듈의 삭제를 통한 기지국 내 모듈 실장공간 추가 확보를 가능하게 하여, 기지국의 재료비, 성능, 구조측면의 경쟁력 확보가 가능하다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 효과는 다음과 같다.
- 송신출력 개선. (약 4W 이상, 타워탑 LNA 까지 고려시 0.95dB 추가 개선 가능)
- 수신 잡음지수의 개선. (약 0.8 dB)
- 시스템 구성 모듈의 단순화. (채널 결합기, 필터, 다이플렉서, 타워탑 LNA, 타워탑 LNA 제어 모듈, 바이어스-T 모듈을 1개의 트리플렉서로 대체함)
- 기지국내 모듈들을 위한 실장공간의 추가 확보 가능. (타워탑 LNA 제어 모듈의 삭제)
- 시스템 재료비 절감 가능.

Claims (5)

  1. 무선통신 시스템에서 기지국의 안테나 공유를 위한 장치에 있어서,
    복수의 제1 주파수 대역들을 운용하는 시분할 이중화(TDD) 방식의 다중 FA(Frequency Assignment) 기지국 송수신기와,
    적어도 하나의 제2 주파수 대역을 운용하며 상기 다중 FA 기지국 송수신기와 안테나를 공유하는 공간공유형 기지국 송수신기와,
    상기 다중 FA 기지국 송수신기 및 상기 공간공유형 기지국 송수신기를, 복수의 주파수 대역 신호들을 송수신하는 안테나로 접속하는 트리플렉서로 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 공유를 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다중 FA 기지국 송수신기는,
    상기 복수의 제1 주파수 대역들의 송신 신호들을 증폭하는 복수의 전력 증폭기들과,
    송신 시간구간에서 상기 송신 신호들을 선택하여 상기 트리플렉서로 전달하고, 수신 시간구간에서 상기 트리플렉서로부터의 수신 신호를 선택하는 시분할 다중화(TDD) 스위치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 공유를 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 트리플렉서는,
    상기 제1 주파수 대역들을 각각 지원하는 복수의 대역필터들과 상기 적어도 하나의 제2 주파수 대역을 상기 제1 주파수 대역들로부터 구분하기 위한 적어도 하나의 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 공유를 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 필터는,
    상기 적어도 하나의 제2 주파수 대역을 상기 제1 주파수 대역들로부터 구분하기 위한 임계 주파수를 가지는 고역필터 혹은 저역필터로 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 공유를 위한 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 필터들 중 적어도 하나는,
    고정 방식 혹은 조절 가능한 방식으로 설계된 것임을 특징으로 하는 안테나 공유를 위한 장치.
KR1020060115856A 2006-11-22 2006-11-22 무선통신 시스템에서 기지국의 안테나 공유를 위한 장치 KR20080046423A (ko)

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