KR20090073192A - Pon을 통한 무선통신 - Google Patents

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KR20090073192A
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모르데차이 게즈브로위츠
모르데차이 쥬스만
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길 샤참
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패스오버 아이엔씨.
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Abstract

무선 신호 통신 시스템은 중앙 기지국(central office, CO)과 통신망 가입자들 간의 수동 광통신망(passive optical network, PON)을 포함한다. CO는 광회선 단말(optical line terminal, OLT) 및 무선 기지국을 가진다. RF/광학 컨버터는 기지국 무선 주파수(radio frequency, RF) 신호들 및 대응하는 광학 신호들 간의 변환 및 역변환을 수행한다. 광 결합기는 하나 이상의 광통신망 유닛(optical network unit, ONU)을 포함하는 PON을 통한 통신을 위하여, 하나 혹은 그 이상의 통신망 가입자들의 위치에서 OLT의 신호들과 RF/광학 컨버터의 신호들을 결합하며, 그 결과 OLT의 신호들과 변환된 무선 기지국 신호들이 PON을 통해 함께 운반된다. 광섬유 장착 휴대 안테나(Fiber Mounted Cellular Antenna, FMCA)는 무선 RF 신호들과 광학 신호들 간의 변환을 수행함과 더불어, 광학 인터페이스 및 무선 안테나를 포함하고, 무선 안테나의 무선 신호들을 ONU와 통신한다.
수동 광통신망, PON, 무선 커버리지, 광섬유

Description

PON을 통한 무선통신{WIRELESS OVER PON}
본 발명은 소규모의 고객 댁내 장치(customer premises equipment, CPE)가 무선 장치들과 신호들을 송수신하고 있는 건물들로 원시 무선 신호들을 전달하는데 적용되는 수동 광통신망(passive optical network, PON)에 관한 것이다.
셀룰러 통신망과 같은 무선 통신망들의 주요 도전과제들 중의 하나는 건물 내 커버리지(in-building coverage)이다. 대부분의 경우에 사용자들이 건물 내부에 위치하는 반면, 무선 안테나들은 일반적으로 건물 외부에 위치한다. 결과적으로, 무선 신호들은 건물의 벽을 통과하여야 한다. 벽을 통과하는 동안, 신호가 약해져 통신 품질의 감소를 야기시킨다.
건물 내 커버리지에 관한 이러한 도전과제는 잘 알려져 있고, 이 도전과제에 초점을 맞춘 몇몇 방법들이 있으며, 그 중 리피터(repeater) 및 건물 내 분산 안테나 시스템(distributed antenna system, DAS)이 대표적이다. 일반적으로 두 방법들은 사무용 건물들, 공공 건물들, 쇼핑 센터들 및 캠퍼스들과 같이 매우 붐비는 장소들에 적용된다.
이제 수동 광통신망(passive optical network, PON) 구조의 간단한 개요가 제공될 것이다. PON은 광섬유(optical fiber)들에 기초한 액세스 통신망이다. 이 통신망은 하나의 포인트로부터 복수의 포인트로 향하는 통신망(Point to Multi-point network)으로서 만들어지며, 광회선 단말(optical line terminal, OLT)로 알려진 단일 광학 인터페이스는 중앙 기지국(central office, CO) 또는 헤드-엔드(head-end, HE)에 위치하여 복수의 사용자들(통상 16 내지 64명의 사용자들)에게 서비스를 제공한다. OLT는 광섬유(통상 피더(feeder)로 불림)를 거쳐서, 복수의 광섬유들(통상 분배 라인(distribution line) 혹은 드롭(drop)으로 불림) 사이에서 광학 신호를 쪼개는 수동 스플리터(passive splitter)로 연결된다. 수동 스플리터는 CO에 위치하거나[중앙스플릿(centralized split)] 또는 필드 상의 수동 캐비닛(passive cabinet)에 위치할 수 있다[분산스플릿(distributed split)]. 분배 라인들(혹은 드롭들)은 광학 신호들을 전기적 신호들로 변환하는 광통신망 유닛(optical network unit, ONU)에서 끝난다. ONU는 가입자의 집에 위치할 수도 있고[FTTH(Fiber To The Home)로 알려짐],, 전기적 신호들이 건물의 인프라구조(예컨대, CAT 5)를 사용하는 최종 사용자들에게 포워딩되는 가입자의 건물에 위치할 수도 있으며(FTTB로 알려짐), 또는 전기적 신호들이 동선(coper wires)(예컨대, DSL)을 사용하는 최종 사용자들에게 포워딩되는 커브(curb)에 위치할 수도 있다(FTTC로 알려짐). APON, BPON, EPON, GPON 및 GePON 등 PON의 여러 변형예들이 있다. 모든 변형예들은 수동 쪼개기의 동일한 기본 구조를 공유하며, 각각 데이터 레이트(data rate) 및 프로토콜들이 서로 상이하다. 도 1은 일반적인 PON을 도시하고 있다.
휴대폰(cell phone)과 같은 무선 통신을 위하여 개선된 건물 내 커버리지가 요구되고 있으나, 종래의 해결책들은 이러한 측면에서 PON 구조의 채용 가능성을 효과적으로 이용하지 못했다.
본 발명은 상업 및 공공 건물들을 포함하여 개인 집들 및 아파트 건물들과 같은 거주 장소들을 대상으로 하는 건물 내 커버리지 문제에 초점을 맞춘다. 본 발명에 따르면, 수동 광통신망(passive optical network, PON)은 소규모의 고객 댁내 장치(customer premises equipment, CPE)가 무선 장치들과 신호들을 송수신하고 있는 건물들로 원시 무선 신호들을 전달하기 위하여 사용되며, 셀룰러 기술들(예컨대, GSM900, GSM1800, PCS, UMTS, CDMA, iDEN 등), 무선 LAN 기술들(예컨대, WiFi), WiMAX 및 다른 OFDM/OFDMA 기술들과 같은 복수의 형태의 무선 기술들에 지원된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 무선 신호들을 전달하기 위한 시스템이 제공되며, 그 시스템은 광회선 단말(optical line terminal, OLT) 및 무선 기지국을 갖는 중앙 기지국(central office)과 통신망 가입자들 간의 PON를 포함한다. RF/광학 컨버터는 기지국 무선 주파수(radio frequency, RF) 신호들 및 대응하는 광학 신호들 간의 변환 및 역변환을 수행한다. 광 결합기는 하나 혹은 그 이상의 통신망 가입자들의 위치에 하나 이상의 광통신망 유닛(optical network unit, ONU)을 포함하는 PON 상에서의 통신을 위하여, OLT의 신호들과 RF/광학 컨버터의 신호들을 결합하며, 그 결과 OLT의 신호들과 변환된 무선 기지국 신호들이 PON 상에서 함께 운반된다.
광섬유 장착 무선 안테나 유닛(fiber mounted wireless antenna unit, FMCA)은 광학 인터페이스 및 무선 안테나를 포함하고, 무선 RF 신호들과 광학 신호들 간의 변환을 수행함과 더불어, 무선 안테나의 무선 신호들을 ONU와 통신한다. FMCA는 PON으로부터 변환된 무선 기지국 신호들을 획득하고, 무선 안테나를 사용하는 FMCA에 의한 송신용으로 재변환된 RF 신호들을 제공하기 위하여 그들을 역변환하며, 무선 안테나로부터 무선 RF 신호들을 획득하고, CO의 무선 기지국을 향한 PON 통신용으로 광학 신호들을 제공하기 위하여 그들을 변환한다. 이러한 방식으로, 시스템은 가입자 위치들에서의 무선 커버리지를 제공한다.
일 실시예에 따르면, FMCA와 ONU가 함께 통합된다.
다른 실시예들은 PON에서 사용되는 주파수들이 무선 통신 신호들에 전용되는지 혹은 무선 신호들과 PON을 통해 운반되는 다른 신호들 간에 공유되는지 여부를 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조함으로써 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이며, 본 발명의 주요 원칙들이 모호해지는 것을 피하기 위하여 첨부된 도면들에서 많은 세부항목들이 생략되었다.
도 1은 종래 수동 광통신망(passive optical network, PON) 구조의 매우 간략화된 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선을 지원하는 PON의 매우 간략화된 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, CATV 어플리케이션 및 두 무선 대역들: GSM900과 GSM1800에 의해 공유되는 다운링크 파장의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 4는 신호들이 에어 주파수(air frequency)에서 PON 어플리케이션에 의해 사용되지 않는 주파수로 시프트되는, 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
본 발명은 후술되어 있는 특정된 구체적 실시예들과 관련하여 원칙적으로 설명될 것이다. 비록 해당 논의가 독자들에게 본 발명의 원칙을 이해시킬 수 있다 할지라도, 본 발명의 일부로서 고려되는 임의의 그리고 모든 가능한 실시예를 설명하는 것은 비실용적이다. 따라서, 본 발명을 이해시키기 위한 예시적인 실시예들이 제공되며, 부가된 청구항들은 본 발명의 기술사상 내에 포함되는 주제의 범위를 정의하기 위하여 제공된다.
이제 수동 광통신망(passive optical network, PON)들에 대한 논의로 돌아가면, PON 상에서 사용되는 두 가지 전송 타입: 디지털 전송과 무선 주파수(radio frequency, RF) 전송이 제공된다. 일반적으로 디지털 전송은 인터넷 액세스를 위해 사용되며, 인터넷 액세스에서는 IP 패킷들이 ATM(예컨대, APON, BPON과 GPON) 또는 이더넷(Ethernet)(예컨대, EPON, GPON, GePON)을 거쳐 운반된다. 디지털 전송은 일 반적으로 양방향의 전송이며, 여기서 각 방향은 다른 파장을 거쳐 운반된다. 업스트림(upstream)을 위한 일반적인 파장은 1310㎚이고, 다운스트림(downstream)을 위한 일반적인 파장은 1490㎚(APON, BPON 및 GPON) 또는 1550㎚(EPON 및 GePON)이다. 보다 드물기는 하나, 다른 방법으로는 각 방향에 다른 광섬유를 사용하는 것이 있다.
보통 RF 전송은 다운스트림 방향에서 CATV 전송을 위해 사용된다. 일반적으로 1550㎚의 파장에서, CATV RF 신호들이 광학 신호들로 변환되며, PON을 따라 광학 신호들을 RF 신호들로 다시 변환하는 ONU로 포워딩된다. ONU의 RF 출력부는 CATV 셋톱 박스의 RF 입력부로 연결되어, 존재하는 CATV 헤드-엔드(head-end) 장치 및 셋톱 박스들을 이용하여 PON을 통해 CATV 신호들이 전송될 수 있도록 한다.
다음에서는 건물 내 무선 커버리지를 제공하기 위하여 PON 인프라구조를 사용하는 시스템을 설명한다. 이러한 시스템의 주요 어플리케이션이 건물 내 커버리지이긴 하나, 더불어 상기 시스템은 PON이 배치되어 있고 옥외 무선 커버리지가 불충분한 장소들에 있어서 옥외 커버리지를 위해 사용될 수도 있다.
제안된 발명에 따르면, 원시 무선 신호들은 CO와 각각의 통신망 가입자들 사이의 PON을 통해 포워딩된다. 무선 기지국은 CO, 보다 바람직하게는 OLT와 함께 위치한 CO에 설치된다. 기지국 RF 신호들은 RF/광학 컨버터(RF/Optic converter)를 이용해 광학 신호들로 변환된다. 상기 광학 신호들은 OLT 광학 신호들과 결합되고 PON을 따라 ONU로 전파된다. 광학 인터페이스 및 무선 안테나가 장착되어 있는 광섬유 장착 휴대 안테나(Fiber Mounted Cellular Antenna, FMCA)로 불리는 소규모의 고객 댁내 장치(customer premises equipment, CPE)가 가입자의 집에 설치되고, 보다 바람직하게는 ONU와 함께 배치되거나 ONU에 통합된다. FMCA는 무선 기지국(wireless base station)의 RF 신호들로부터 발생한 광학 신호들을 분리하고, 그들을 RF 신호들로 역변환한다. 이러한 RF 신호들은 FMCA의 근처에서 무선 커버리지를 제공하고 있는 무선 안테나를 이용하여 FMCA에 의해 전송된다.
업스트림 방향에서, FMCA에 의해 무선 신호들이 수신되어 광학 신호들로 변환된다. 이러한 신호들은 ONU에 의해 생성된 광학 신호들과 결합되고, PON을 통해 CO로 포워딩된다. 업스트림 방향에서 PON 수동 스플리터가 여러 FMCA들에 의해 생성된 광학 신호들을 결합하는 결합기(combiner)로 동작하는 것을 주목하자. 결합된 광학 신호는 CO에서 수신되며, 거기에서 FMCA들로부터 생성된 광학 신호들이 RF 신호들로 다시 변환된다. 이러한 신호들은 무선 기지국의 RF 입력부로 포워딩된다. 이러한 방법으로 기지국은 FMCA들의 각각의 안테나들에 의해 수신되는 모든 신호들을 수신한다.
다음 섹션들은 무선 신호들을 PON의 다른 신호들과 결합하는 여러 가지 방법들을 설명한다. 각각의 방법은 업스트림 방향 또는 다운스트림 방향에서 구현될 수 있으며, 각 방향은 다른 방법을 이용해 구현될 수 있다.
전용 파장, 에어 주파수들(dedicated wavelength, air frequencies)
도 2는 무선을 지원하는 PON을 보인다.
전술한 것처럼, PON 신호들은 여러 파장들로 운반된다. 일반적으로, 1490㎚ 및 1550㎚의 파장은 다운스트림 트래픽에 사용되고, 1310㎚의 파장은 업스트림 트 래픽에 사용된다. 제안된 발명에 따르면, 무선 신호들은 PON에 의해 사용되지 않는 부가적인 파장에서 운반된다. 만약 양방향용 단일 광섬유를 사용하여 PON이 구현된다면, 두 가지 파장들이 사용되어야 한다.즉, 하나는 무선 다운스트림 신호들을 위한 것이고, 다른 하나는 무선 업스트림 신호들을 위한 것이다. 다운스트림 파장은 모든 PON 가입자들의 다운스트림 트래픽을 운반하고, 업스트림 파장은 모든 PON 가입자들로부터의 업스트림 트래픽을 운반한다. 각 방향별로 하나씩 두 개의 섬유들을 이용하여 구현되는 PON의 경우에는, 양방향을 위해 동일한 파장이 사용될 수 있다. 무선 어플리케이션에 사용되는 파장들은 PON 수동 스플리터에 의해 지원되는 범위 내에 있어야 한다.예를 들면, 1490㎚의 파장을 사용하지 않는 EPON에서, 이 파장은 방향들 중 하나의 무선 트래픽을 운반하는데 사용될 수 있다.
RF 신호들은 어떤 주파수 변환 혹은 어떤 다른 프로세싱 없이, 전용 파장 즉, 공중파(over the air)에 사용되는 동일한 주파수에서 광학 신호들로 변환된다. 상이한 기술들(예컨대, UMTS, GSM) 그리고 상이한 무선(예컨대, 셀룰러) 오퍼레이터(operator)들은 상이한 주파수들을 사용하기 때문에, 상이한 무선 통신망들(동일한 기술 또는 상이한 기술들, 동일한 오퍼레이터 또는 상이한 오퍼레이터들)의 신호들은 함께 결합될 수 있고, 통신망들 간의 어떤 오버랩도 없이 동일한 PON을 통해 전파될 수 있다.
전용 파장, 시프트된 주파수들(dedicated wavelength, shifted frequencies)
여기서 설명되는 결합 방법은 전술한 결합 방법과 유사하다. 두 방법들에 있어 RF 신호들은 전용 파장에서 운반되나, 이러한 방법에서 RF 신호들의 주파수는 주파수 측면에 있어 시프트(또는 변환)되며, 통상 낮은 주파수로 시프트(또는 변환)된다. GSM 또는 UMTS 대역 등 완전한 무선 대역의 변환은, RF로부터 광학으로의 변환 및 그 반대에 있어, 고가의 광대역 RF/광학 컨버터들을 요구한다. 무선 오퍼레이터는 대역의 작은 부분(예컨대, 10㎒)만을 이용하기 때문에, 이러한 대역의 일부는 보다 낮은 주파수로 시프트되고, 광학 신호들로 변환되며, 통신망의 다른 단에서 RF 주파수로 다시 변환되고 본래의 주파수로 다시 시프트될 수 있다. 이러한 방식으로 보다 좁은 대역 그리고 보다 저렴한 구성요소들이 사용될 수 있다. 또한 이러한 방식은 PON의 일단에서 각 통신망의 실제 대역을 다른 주파수 대역으로 시프트시키고, PON의 다른 단에서 그것을 본래의 에어 주파수로 다시 시프트함으로써, 복수의 무선 통신망들을 지원할 수 있다.
공유된 파장, 에어 주파수들(shared wavelength, air frequencies)
도 3은 CATV 어플리케이션과 두 무선 대역들: GSM900과 GSM1800에 의해 공유되는 다운링크 파장의 스펙트럼을 나타내고 있다.
일부 경우들에 있어서, 단일 파장은 존재하는 PON 어플리케이션 및 무선 어플리케이션에 의해 공유될 수 있다. 만약 무선 RF 주파수 범위가 존재하는 PON 어플리케이션에 의해 사용된 주파수 범위보다 낮거나 높다면, 두 신호들은 RF로부터 광학으로 변환되기 전에 결합될 수 있다. 실제로 이것은 각 어플리케이션이 자신의 주파수 범위를 사용하는 주파수 분할 복수화(Frequency Division Multiplexing, FDM) 이다. 결합된 신호는 단일 RF/광학 컨버터를 사용하는 통신망의 다른 단에서 광학으로부터 RF로 그리고 RF로부터 광학으로 변환된다.
예를 들면, 일부 BPON 또는 GPON 통신망에 있어 1550㎚ 파장은 50㎒ 내지 860㎒의 주파수 범위에서 CATV 신호들을 운반하는데 사용된다. GSM900 통신망들은 다운링크 신호들을 위해 900㎒보다 높은 주파수를 사용하기 때문에, GSM900 다운링크 신호들은 헤드-엔드/CO에서 RF로부터 광학으로 변환되기 전에 CATV RF 신호들과 결합될 수 있다. 통신망의 원격 단에서, 광학으로부터 RF로의 변환이 이루어진 후에, 신호들은 필터들을 사용해 분리될 수 있다. 860㎒보다 낮은 대역은 CATV 리시버(예컨대, 셋톱 박스)로 라우팅되고, 900㎒보다 높은 대역은 공중파 전송을 위해 FMCA로 라우팅된다. 더불어 이러한 방식에서 무선 통신망에 의해 사용되는 주파수 범위와 존재하는 PON 어플리케이션에 의해 사용되는 주파수 범위 간의 오버랩이 없는 한, 복수의 무선 통신망들이 지원될 수 있음을 주목하자. 예를 들면, CATV용으로 사용된 파장은 860㎒보다 낮은 주파수 범위를 사용하는 무선 통신망과 공유될 수 없다.
공유된 파장, 시프트된 주파수들(shared wavelength, shifted frequencies)
전술한 것처럼, 광대역 RF 신호를 광학 신호로, 그리고 그 반대로 변환하는 것은 고가의 광대역 RF/광학 컨버터들을 요구한다. "공유된 파장, 에어 주파수들"에서 소개된 방법은 존재하는 PON 어플리케이션 및 무선 통신망 간 결합 범위의 RF/광학 변환을 요구한다. 해당 부분에서 설명된 예를 고려하면, CATV 어플리케이션에 의해 사용되는 주파수 범위는 50㎒에서 시작하고 860㎒에서 끝난다. 이 신호를 UMTS 신호와 결합하게 되면 전체 대역폭이 2㎓ 이상이 될 것이다. RF/광학 컨버터들의 대역폭(그리고 비용)을 줄이기 위하여, UMTS 신호들은 에어 주파수로부터 PON 어플리케이션에 의해 사용되지 않는 주파수로 시프트될 수 있다. 도 4를 참조하면, 주파수 시프트는 전체 무선 대역(예컨대, 전체적인 UMTS 대역) 상에서 혹은 무선 오퍼레이터에 의해 실제로 사용되는 일부 대역(예컨대, UMTS 대역 내에서 캐리어 당 5㎒) 상에서 발생할 수 있다. 복수의 통신망들의 경우, 각 통신망의 신호들은, 사용되지 않는 상이한 주파수 범위로 시프트될 수 있다. 다이어그램은 CATV 어플리케이션과, 2개의 GSM 통신망들 및 2개의 UMTS 통신망들에 해당하는 4개의 무선 통신망들에 의해 공유되는 다운링크 파장의 스펙트럼을 나타낸다. 이러한 통신망들에 의해 사용되는 전체 대역폭은 25㎒이다.
이 분야에 친숙한 자들은 본 발명의 범위 및 기술사상으로부터 벗어나지 않은 많은 변형들과 수정들이 가해질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 본 발명과 관계된 독자들은 전술한 다양한 대안들 및 다른 대안들을 생각할 수 있다.
본 발명은 소규모의 고객 댁내 장치(customer premises equipment, CPE)가 무선 장치들과 신호들을 송수신하고 있는 건물들로 원시 무선 신호들을 전달하는데 적용되는 수동 광통신망(passive optical network, PON)에 관한 것이다.

Claims (8)

  1. 광회선 단말(optical line terminal, OLT) 및 무선 기지국을 포함하는 중앙 기지국(central office, CO)과 통신망 가입자들 사이의 수동 광통신망(passive optical network, PON);
    기지국 무선 주파수(radio frequency, RF) 신호들 및 대응하는 광학 신호들 간의 변환 및 역변환을 수행하는 RF/광학 컨버터;
    하나 혹은 그 이상의 통신망 가입자들의 위치에 있는 하나 이상의 광통신망 유닛(optical network unit, ONU)을 포함하는 상기 PON 상에서의 통신을 위하여, 상기 OLT의 신호들과 상기 RF/광학 컨버터의 신호들을 결합하여, 상기 OLT의 신호들과 변환된 무선 기지국 신호들이 상기 PON을 통해 함께 운반될 수 있도록 하는 광 결합기; 및
    광학 인터페이스 및 무선 안테나를 포함하고, 무선 RF 신호들과 광학 신호들 간의 변환을 수행하여, 상기 무선 안테나의 무선 신호들을 상기 ONU와 통신하는 광섬유 장착 휴대 안테나(Fiber Mounted Cellular Antenna, FMCA)를 포함하되,
    상기 FMCA는 상기 PON으로부터 상기 변환된 무선 기지국 신호들을 획득하고 상기 무선 안테나를 사용하는 상기 FMCA에 의한 송신용으로 재변환된 RF 신호들을 제공하기 위하여 상기 변환된 무선 기지국 신호들을 역변환하며, 상기 무선 안테나로부터 무선 RF 신호들을 획득하고, 상기 CO의 상기 무선 기지국을 향한 상기 PON 통신용으로 광학 신호들을 제공하기 위하여 상기 무선 RF 신호들을 변환하여, 상 기 하나 혹은 그 이상의 통신망 가입자들의 위치에서 무선 커버리지를 제공하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 FMCA 및 상기 ONU는 서로 통합되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 신호 통신 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    광학 신호들로 변환된 상기 무선 신호들은 상기 PON을 통해 전용 주파수들에 의해 운반되는 것을 특징으로 하는 무선 신호 통신 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 무선 신호들의 원시 주파수는 광학 신호들로의 변환에 앞서 주파수-변환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 신호 통신 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무선 신호들은 광학 신호들로 변환되기 전에 상기 PON을 통해 운반되는 다른 RF 신호들과 결합되는 것을 특징으로 하는 무선 신호 통신 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 무선 신호들의 원시 주파수는 광학 신호들로의 변환에 앞서 주파수-변환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 신호 통신 시스템.
  7. 제1항에 기재된 상기 무선 신호 통신 시스템에서 동작하도록 구성된 중앙 기지국.
  8. 제1항에 기재된 상기 무선 신호 통신 시스템에서 동작하도록 구성된 광섬유 장착 무선 안테나 유닛.
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