KR20120034811A - 위상 어레이 안테나의 전파 주파수 경로들을 교정하는 장치 - Google Patents

위상 어레이 안테나의 전파 주파수 경로들을 교정하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 안테나들을 포함하고 직교 주파수 분할 멀티플렉스(OFDM) 및 시분할 듀플렉스(TDD) 모드에서 동작하는 기지국을 교정하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법의 일 실시예는 순방향 링크 트래픽 데이터를 TDD 무선 통신 시스템 내의 타겟 모바일로 빔조종하기 위한 복수의 안테나들(115)을 포함하는 기지국(100)을 교정하는 방법을 포함한다. 각각의 안테나는 수신 경로 및 송신 경로 사이를 스위칭하도록 구성된 송수신 스위치(130)를 통해 대응하는 전파(110)에 접속된다. 이 방법은 크로스-오버 케이블(145)을 통해 제 1 (제 2) 전파로부터 제 1 (제 2) 신호를 송신하는 단계로서, 상기 크로스-오버 케이블(145)은 제 1 (제 2) 신호가 제 2 (제 1) 전파에 의해 수신되도록 제 1 (제 2) 전파 및 제 2 (제 1) 전파에 결합되는, 상기 제 1 (제 2) 신호 송신 단계를 포함한다.

Description

위상 어레이 안테나의 전파 주파수 경로들을 교정하는 장치{Apparatus for calibrating radiofrequency paths of a phased-array antenna}
본 발명은 일반적으로 통신 시스템들에 관한 것이며, 특히 무선 통신 시스템들에 관한 것이다.
무선 통신 시스템들은 통상적으로, 셀 또는 셀의 섹터와 같은 지리적 영역을 커버하기 위한 무선 접속성을 제공하는 기지국들을 포함한다. 기지국들은 무선 인터페이스를 통해 셀 또는 섹터 내의 모바일 유닛들과 통신한다. 무선 인터페이스는 기지국으로부터 모바일 유닛으로의 다운링크(또는 순방향 링크) 통신 및 모바일 유닛으로부터 기지국으로의 업링크(또는 역방향 링크) 통신을 지원한다. 업링크 및 다운링크 통신은 대응하는 업링크 및 다운링크 채널들을 이용하며, 이것은 캐리어 주파수, 변조, 코딩, 주파수/시간 멀티플렉싱, 다중 안테나 기술들, 또는 그 조합의 이용에 의해 실현될 수 있다. 업링크 및/또는 다운링크 채널들을 규정하기 위해 이용되는 표준들 및 프로토콜들의 예들은 시분할 다중 액세스(TDMA), 주파수 분할 다중 액세스(CDMA), 다중 입력 다중 출력(MIMO), 코드 분할 다중 액세스(CDMA), 직교 주파수 분할 다중 액세스(OFDMA), 공간 분할 다중 액세스(SDMA), 단일 캐리어 주파수 분할 다중 액세스(SC-FDMA) 등을 포함한다.
안테나 어레이는 순방향 링크의 타겟 모바일쪽으로 빔을 조종하고 기지국에 의해 서빙되는 섹터의 커버리지 영역을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 가깝게 이격된 안테나들로 구성된 위상-어레이 시스템이 안테나 어레이의 빔폭을 제어하고(예를 들면, 빔형성), 안테나 메인 로브의 포인팅 방향을 제어하기 위해(예를 들면, 빔조종) 이용될 수 있다. 기지국은 순방향 링크 트래픽 신호들에 대한 빔을 섹터 내의 타겟 모바일로 조정하기 위해 안테나 어레이를 이용할 수 있고, 그에 의해 송신 전력과 그에 따른 섹터 및 인접한 섹터들 내의 전체 동일-채널 간섭 레벨을 감소시킨다. 빔조종이 트래픽 정보를 포함하는 개별적인 협소 빔들(narrow beams)을 상이한 모바일들로 향하게 하기 위해 이용되면, 기지국으로부터의 동일 브로드캐스트 채널들은 섹터 내의 모든 모바일들에 의해 동시에 수신되고, 전체 섹터 커버리지를 커버하기 위해 개별 트래픽 빔들보다 넓은 빔폭을 가져야 한다. 동일 브로드캐스트 채널들에 대한 빔은 섹터의 중앙 라인쪽으로 고정되어 포인팅된다.
안테나 어레이에 의해 송신된 동일 브로드캐스트 채널들의 빔폭은 어레이의 안테나들 중 임의의 단일 안테나의 빔폭보다 일반적으로 협소하다. 예를 들면, 안테나가 반파장씩 이격된 안테나 어레이에서, 수직 편광 안테나의 빔폭은 약 110°이고 교차 편광 안테나의 빔폭은 약 90°이다. 그러나, 바람직한 섹터 빔폭은 클로버형 셀 레이아웃으로 구성된 3개의 섹터 기지국에 대해 통상적으로 약 65°이다. 65°의 빔폭을 가진 단일 안테나가 상업적으로 이용가능하지만, 안테나마다 이렇게 작은 빔폭은 가깝게 이격된 안테나 어레이에서는 달성하기가 어렵다. 가깝게 이격된 안테나 어레이를 이용하여 동일 브로드캐스트 채널들에 대한 바람직한 섹터 빔폭을 달성하기 위하여, 빔형성에 의해 동일 브로드캐스트 채널들을 협소하게 하기 위하여 2개 이상의 안테나들을 이용해야 한다. 이것은 또한, 전력 증폭기들 사이에서 동일 채널들의 송신 전력을 공유하도록 돕는다. 요약하면, 기지국으로부터 모바일로의 송신을 위해서는 빔형성의 2개 형태들이 존재한다: (1) 타겟 모바일쪽으로 조종된 트래픽 및 모바일 특정 정보를 포함하는 개별적인 협소 빔, (2) 섹터 커버리지 하에 있는 모든 모바일들을 커버하기 위해 섹터의 중앙 라인쪽으로 포인팅된 동일 브로드캐스트 채널들을 포함하는 보다 넓은 섹터-와이드 고정 빔(broader sector-wide fixed beam).
가깝게 이격된 다중 안테나들을 이용하여 빔을 형성하기 위하여, 전파와 안테나 사이의 경로에서 모든 안테나 브랜치들 사이의 진폭들 및 위상들을 등화시키기 위해 교정이 필요하다. 안테나 어레이로부터의 개구각은 전파들로부터 나오는 디지털 신호들 사이의 위상차에 의해 결정된다. 교정은 일반적으로, 적합한 경로들에서 진폭 및 위상차들을 측정하기 위해 교정 신호들을 이용함으로써 전파들에서 디지털적으로 수행된다. 그 후에, 경로 차들을 보상하기 위해 수신 또는 송신 신호들에 교정 계수들 또는 가중치들이 적용된다. 더욱 동일한 주파수 분할 듀플렉스(FDD) 시스템에서, 순방향 및 역방향 링크들에서 캐리어 주파수들은 상이하다. 그러므로, 상이한 주파수들의 순방향 및 역방향 링크들에서 개별적인 교정들이 수행되어야 한다. 그러나, 시분할 듀플렉스(TDD) 시스템에서, 순방향 링크 및 역방향 링크는 상이한 시간 슬롯들을 점유함으로써 동일한 캐리어 주파수를 공유한다. 이상적으로, 상보성(reciprocity)에 의해, 안테나에서의 순방향 링크 이득과 전파 수신기에서의 역방향 링크 이득은 서로 상보적이다. 역방향 링크의 모바일로부터 수신된 신호의 진폭 및 위상이 전파에 의해 추정되면, 진폭 및 위상은 수신된 신호의 상보성과 동일하다.
실제 구현에서, 증폭기의 위상 응답은 유닛마다 변할 수 있고, 이 변동은 또한 주파수 의존적일 수 있다. 개별 증폭기들이 수신(저잡음 증폭기) 및 송신(전력 증폭기) 경로들에 대해 이용되기 때문에, 상보성은 모든 브랜치들에 대해 유지되지 않는다. 따라서, 모든 브랜치들 사이에서 송수신 증폭기 루프들을 교정해야 한다. 이 교정은 모바일들에 대한 트래픽 신호들에 대한 적당한 빔조종을 가능하게 한다. 상보성은 여전히 증폭기들 넘어로부터 안테나들까지 유지하며, 이것은 주로, 타워의 상단에 있는 안테나들에 대한 접지 장치들 사이의 RF 케이블들로 구성된다. 그러므로, TDD 시스템에서 트래픽 신호들에 대해서는 RF 케이블 부분에 대한 교정이 요구되지 않는다. 그러나, 고정된 빔형성이 동일 브로드캐스트 채널들을 송신하도록 요구되는 경우에는 RF 케이블 부분의 교정이 요구된다. 개구각은 일반적으로 보어사이트(boresight) 또는 0°이다.
OFDM TDD 시스템에 대해 제안된 한 가지 교정 기술은 기지국의 안테나 어레이 내의 안테나들 각각으로부터 송신된 파일롯 신호의 위상 및 진폭 또는 복소 이득(complex gain)을 측정하기 위해 하나의 모바일 유닛 안테나를 이용한다. 예를 들면, 모바일 유닛은 무선으로 기지국에 의해 송신된 순방향 링크 파일롯 채널의 복소 이득을 측정할 수 있다. 순방향 링크 파일롯 채널은 안테나들로부터의 신호들이 모바일 유닛에 의해 분리될 수 있도록 파일롯을 송신하는 브랜치를 식별하기 위해 상이한 서브-캐리어들을 이용할 수 있다. 모바일 유닛은 모든 브랜치들의 복소 이득들을 기지국에 피드백한다. 한편, 기지국은 역방향 링크 신호들에 대한 모든 기지국 안테나들을 통해 수신된 복소 이득들을 측정한다. 복소 교정 계수들의 세트는 역방향 링크 이득에 대한 순방향 링크 이득의 비를 취하여 계산된다. 이 교정 계수들의 세트는, 순방향 및 역방향 링크들에 대한 채널 전파의 OTA(over-the-air) 부분들이 동일하고 (이론적으로) 이들이 비를 계산할 때 상쇄되기 때문에, TDD의 상보성으로 인한 섹터 내의 모바일의 위치와 무관하다. 각각의 모바일 유닛에 대한 최종 순방향 링크 빔조종 가중치들은 타겟 모바일에 대한 대응하는 역방향 링크 복소 이득과 교정 계수들을 곱함으로써 계산된다. 교정 계수들이 모바일 위치에 종속되지 않기 때문에, 하나의 모바일 유닛으로부터 도출된 계수들은 동일한 섹터 내의 상이한 위치들에서 다른 모바일 유닛들에 적용될 수 있다.
이 모바일-보조 교정 방법은 3개의 주요 결함들을 가진다. 첫째, 양호한 RF 상태의 단 하나의 모바일 유닛으로부터의 이득값들이 필요하지만, 모든 모바일 유닛들은 이들이 기지국에 이득 정보를 다시 송신할 수 있도록 피드백 특징부가 장착되어야 한다. 하나보다 많은 모바일 유닛으로부터 수신된 정보는 리던던시(redundant)이다. 둘째, 이 교정 방법은 기지국이 보어사이트 내의 고정된 빔폭 동일 브로드캐스트 채널들을 송신하도록 허용하기 위하여 RF 케이블들을 교정하지 않는다; 빔폭은 일반적으로 3-섹터 시스템에서 65°이다. 셋째, 증폭기들 사이의 위상 및 진폭은 넓은 대역폭, 예를 들면 20MHz를 통해 서로 추적하지 않을 수 있다. 결과적으로, 대역폭은 작은 서브-대역들로 나누어져야 하고, 각각의 서브-대역은 더 작은 대역폭을 통해 교정되어야 한다.
하나의 대안적인 교정 방법은 가깝게 이격된 안테나들 사이의 결합에 의존한다. 이 방법에서, 교정 신호가 하나의 안테나로부터 송신되지만, 어레이 내의 다른 안테나들은 송신된 교정 신호에 대응하는 결합 신호들을 수신한다. 결합 신호들은 대응하는 전파 수신기들에 의해 수신되어 처리된다. 교정 계수들은 안테나들에서 대응하는 결합 팩터를 뺀 각각의 결합 신호의 위상 및 진폭으로부터 도출된다. 따라서, 교정 경로는 모든 케이블들 및 RF 성분들을 포함하지만, 안테나 결합을 포함하지는 않는다. 이 방법은 2개의 결함들을 가진다. 첫째, 안테나들의 쌍 사이의 결합 팩터는 특정 허용 오차 범위 내에서 알려져야 한다. 불행히도, 결합 팩터들은 일반적으로 신뢰 가능하게 알려져 있지 않다. 예를 들면, 결합 값은 특히 더 높은 캐리어 주파수들에서 제조 정밀성 및 근방 상태들(near field conditions)에 대한 고감도로 인해 유닛마다 매우 광범위할 수 있다. 더욱이, 결합 값은 시간 및 날씨 상태들 및/또는 다른 영향들에 의한 저하에 의해 변할 수 있다. 결합 값의 변동들은 교정의 정확도를 떨어뜨릴 수 있다. 안테나 어레이 유닛들 사이의 결합의 매칭은 제조 공정에서 필수적이다. 둘째, 안테나들 중 하나는 송신 모드이어야 하지만, 다른 안테나들은 수신 모드이다. 따라서, 빔조종은 교정 처리 동안 인터럽트될 것이다.
개시된 요지는 상술된 하나 이상의 문제들의 영향들을 처리하는 것에 관한 것이다. 다음은 개시된 요지의 일부 양태들의 기본적인 이해를 제공하기 위하여 개시된 요지의 간략화된 요약을 제공한다. 이 요약은 개시된 요지의 철저한 개요가 아니다. 이것은 개시된 요지의 키 또는 중요한 요소들을 식별하거나 개시된 요지의 범위의 윤곽을 그리기 위한 것이 아니다. 이것은 단지, 후술되는 더욱 상세한 기술에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 일부 개념들을 제시하기 위한 것이다.
일 실시예에서, 복수의 안테나들을 포함하고 OFDM TDD 모드에서 동작하는 기지국을 교정하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법의 일 실시예는 순방향 링크 트래픽 데이터를 TDD 무선 통신 시스템 내의 타겟 모바일로 빔조종하기 위한 복수의 안테나들을 포함하는 기지국 교정 방법을 포함한다. 각각의 안테나는 수신 경로 및 송신 경로 사이를 스위칭하도록 구성된 송수신 스위치를 통해 대응하는 전파에 접속된다. 이 방법은 제 1 크로스-오버 케이블을 통해 제 1 전파로부터 제 1 신호를 송신하는 단계로서, 상기 제 1 크로스-오버 케이블은 제 1 신호가 제 2 전파에 의해 수신되도록 제 1 전파 및 제 2 전파에 결합되는, 상기 제 1 신호 송신 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 제 2 크로스-오버 케이블을 통해 제 2 전파로부터 제 2 신호를 송신하는 단계로서, 상기 제 2 크로스-오버 케이블은 제 2 신호가 제 1 전파에 의해 수신되도록 제 1 및 제 2 전파들 사이에 결합되는, 상기 제 2 신호 송신 단계를 포함한다. 이 방법은 제 1 또는 제 2 신호들 중 적어도 하나에 기초하여, 제 2 전파로부터 송신된 트래픽 신호들에 적용될 수 있는 상대적 가중치(relative weight)를 결정하는 단계를 추가로 포함한다.
개시된 요지는 첨부 도면들과 함께 취해진 다음의 기술을 참조하여 이해될 수 있으며, 도면들에서 동일한 참조 번호들은 동일한 요소들을 식별한다.
본 발명에 의하면, 상업용 모바일 유닛들의 정규 동작들을 인터럽트하지 않고, 모바일 유닛들로부터의 루프백 정보에 의존하지 않고, 그에 의해 신뢰도를 개선하고, 역방향 링크 상의 오버헤드 부하를 감소시킬 수 있다.
도 1은 2개의 안테나들을 가진 안테나 어레이를 이용하여 무선 통신을 지원하는 기지국의 제 1 예시적 실시예를 개념적으로 도시한 도면.
도 2는 데이지-체인 교정 구성으로 4개의 안테나들을 가진 안테나 어레이를 이용하여 무선 통신을 지원하는 기지국의 제 2 예시적 실시예를 개념적으로 도시한 도면.
도 3은 병렬 교정 구성으로 4개의 안테나들을 가진 안테나 어레이를 이용하여 무선 통신을 지원하는 기지국의 제 3 예시적 실시예를 개념적으로 도시한 도면.
개시된 요지가 다양한 수정들 및 대안적 형태들을 허용할 수 있지만, 특정 실시예들이 도면들에서 예의 방식으로 도시되었고 본 명세서에 상세히 기술된다. 그러나, 특정 실시예들의 본 명세서의 기술은 개시된 요지를 개시된 특정 형태들로 제한하는 것이 아니라, 반대로, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 있는 모든 수정들, 등가물들 및 대안들을 커버하는 것임을 이해해야 한다.
예시적 실시예들이 하기에 기술된다. 명확히 하기 위해, 실제 구현들의 모든 특징들이 본 명세서에 기재되는 것은 아니다. 당연히, 임의의 이러한 실제 구현의 개발시, 시스템-관련 및 비즈니스-관련 제약들과의 순응과 같이, 개발자의 특정 목적들을 달성하기 위해 다수의 구현-특정 판단들이 이루어져야 하며, 이것은 구현마다 가변할 것임을 이해할 것이다. 더욱이, 이러한 개발 수고는 복잡하고 시간-소모적일 수 있지만, 그럼에도 본 개시내용의 이점을 갖는 본 기술분야의 통상의 기술자에 대한 루틴 보증이 될 수 있다.
개시된 요지는 첨부된 도면들을 참조하여 지금부터 기술될 것이다. 다양한 구조들, 시스템들 및 디바이스들은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 세부사항들로 본 발명을 불명확하게 하지 않도록 하고 설명하기 위한 목적으로 도면들에 개략적으로 도시된다. 그럼에도, 첨부된 도면들은 개시된 요지의 예시적 예들을 도시하고 설명하기 위해 포함된다. 본 명세서에 이용된 단어들 및 구문들은 관련 기술의 통상의 기술자에 의해 그들 단어들 및 구문들의 이해와 일치하는 의미를 가지도록 이해되고 해석되어야 한다. 용어 또는 구문의 비특정 규정, 즉 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 통상적이고 관습적인 의미와 상이한 규정은 본 명세서의 용어 또는 구문의 일치된 사용에 의해 내포되도록 의도된다. 용어 또는 구문이 특정 의미, 즉 당업자에 의해 이해되는 것 이외의 의미를 가지도록 의도된다는 점에서, 이러한 특정 규정은 용어 또는 구문에 대한 특정 규정을 직접적이고 모호하지 않게 제공하는 규정적 방식으로 명확하게 본 명세서에 기재될 것이다.
도 1은 타워 상단(105)에 배치된 안테나 어레이를 이용하여 무선 통신을 지원하는 기지국(100)의 제 1 예시적 실시예를 개념적으로 도시한다. 예시된 실시예에서, 기지국(100)은 무선 인터페이스를 통한 송신을 위한 신호들을 생성하고 무선 인터페이스를 통해 서빙 모바일들에 의해 송신된 신호들을 수신하기 위해 이용되는 전파들(110)(전파 0 및 전파 1)을 포함한다. 안테나 어레이 내의 안테나들(115)은 특징적인 캐리어 파장의 반파장에 의해 분리된다. 그러나, 본 개시내용의 이점을 갖는 본 기술분야의 통상의 기술자들은 대안적인 실시예들이 본 명세서에 기술될 부가의 안테나 어레이 브랜치들을 포함할 수 있음을 알아야 한다.
각각의 안테나(115)는 RF 케이블(125)에 의해 기지국(100) 내의 블록 필터(120)에 접속된다. 블록 필터(120)는 송수신 스위치(130)에 접속된다. 송수신 스위치(130)가 송신 모드에 있을 때, 전파(110)로부터 안테나(115)로의 경로는 전력 증폭기(135) 및 관련 케이블링으로 구성된 송신 부분을 포함한다. 송수신 스위치(130)가 수신 모드에 있을 때, 안테나(115)로부터 전파(110)로의 경로는 저잡음 증폭기(LNA)(140) 및 관련 케이블로 구성된 수신 부분을 포함한다. 크로스-오버 길이-매칭 케이블들(145)의 쌍이 두 단부상의 방향성 결합기들(147)을 통해 다른 브랜치의 송신 경로로부터 수신 경로로 신호 전력을 송신하는 작은 부분에 결합하기 위해 이용된다. 크로스-오버 케이블(145)의 추가는 전파 송신기, 전력 증폭기, 크로스-오버 케이블, 저잡음 증폭기, 및 전파 수신기를 포함하는 교정 루프를 생성한다. 본 명세서에 이용된 바와 같이, 구문 "길이-매칭 케이블(length-matched cable)"은 신호 위상들을 몇 개의 등급들 내에 매칭되게 유지하기 위하여 대략 동일한 길이로 절단된 동일한 설계 및 재료의 케이블들을 의미한다. 예를 들면, 크로스-오버 길이-매칭 케이블들(145)은 PCS 대역에서 수 밀리미터 내로 매칭될 수 있다.
기지국(100)은 또한, 동작의 전체 대역폭을 통해 교정 신호들의 소스로서 이용되는 신호 생성기(150)를 포함한다. 신호 생성기(150)는 캐리어 주파수들의 범위 내에 분포된 다중 톤들 또는 특정 서브캐리어에 대응하는 단일 톤을 생성하기 위해 이용될 수 있다. 외부 생성된 교정 톤들은 모바일 유닛들로부터 역방향 링크 OFDM 데이터와 오버랩될 수 있지만, 훨씬 더 높은 전력, 예를 들면 >20dB 더 강력하다. 오버랩된 모바일 서브-캐리어들은 1개 또는 2개의 심볼 지속구간에만 걸쳐 오류를 일으킬 수 있다. 교정이 매일 여러 번만 실행되는 것이 예상된다. 신호 생성기(150)는 생성된 신호들을 길이-매칭 케이블들(160)을 통해 안테나들(115)에 분배할 수 있는 전력 스플리터(power splitter; 155)에 접속된다.
송수신기 부분 및 케이블 부분에 대해 개별적으로 시스템의 진폭 및 위상 교정이 수행될 수 있다. 송수신기 부분은 송신을 위한 전력 증폭기(135) 및 수신을 위한 저잡음 증폭기(LNA)(140)뿐만 아니라 전파들(110)의 송신 및 수신 서브시스템들을 포함한다. 케이블 부분은 RF 케이블들(125)의 상단으로부터 전파 수신기(110)로 이르는 경로를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 송수신기 부분은 개별적인 모바일 유닛들에 대한 시분할 듀플렉스(TDD) 빔 조종을 위해 설계되고, 케이블 부분은 안테나 어레이에 의해 서빙되는 섹터 또는 셀 내의 모든 모바일 유닛들에 대한 동일 브로드캐스트 채널들의 송신을 위해 설계된다.
교정 루프의 송수신기 부분 및/또는 케이블 부분의 브랜치들의 이득들은 상이한 송신 경로들을 교정하기 위해 결정 및 이용될 수 있다. 예시된 실시예에서, 전력 증폭기들(135)과 전파들(110)에 접속한 그들의 짧은 케이블들 및 스위치들(130)의 조합된 이득들은 전파 0 및 전파 1에 대해 각각 T0 및 T1로서 표시된다. 유사하게, LNA들(140)과 전파들(110)에 접속한 그들의 짧은 케이블들 및 스위치들(130)의 이득들은 각각 R0 및 R1로서 표시된다. 안테나 0 및 안테나 1에서 수신된 모바일 유닛으로부터 역방향 링크 신호들은 각각 A0 및 A1로 표시된다. 신호들 A0 및 A1은 신호 진폭, 도착각, 및 안테나 이득을 포함한다. TDD 스위치(130)로부터 타워(105)의 상단의 안테나들(115)로 이르는 RF 케이블(125)의 이득들은 C0 및 C1로 표시된다. 모든 변수들은 복소 값들(complex values)이다. 전파 0 및 전파 1에서의 수신된 신호들은:
Figure pat00001
및
Figure pat00002
순방향 링크 신호를 모바일 유닛에 송신하기 위하여, 2개의 전력 증폭기들(135)이 동일한 경우에, 브랜치 1에서의 전파의 기저대역 신호는 하기에 의해 가중된다.
Figure pat00003
그러나, 전력 증폭기들(135)의 주파수 응답들은 통상적으로 상이하며, 이것은 전파들(110)에 의해 생성된 기저대역 신호들에 상이한 가중치들을 적용하도록 요구할 수 있다.
2개의 전력 증폭기들(110) 및 그들의 접속 케이블들 사이의 차이를 설명하기 위하여, 전력 증폭기 이득들의 차이가 결정될 수 있다. 브랜치 0 및 브랜치 1에서의 송신 경로들의 이득들은 하기와 같다:
Figure pat00004
및
Figure pat00005
브랜치 0에서의 송신 신호의 진폭을 일이라고 가정하면, 즉,
Figure pat00006
이면,
브랜치 1의 송신 신호는 다음과 같다:
Figure pat00007
이것은 전력 증폭기 차이에서의 팩터링(factoring) 후에 전파 1에서의 기저대역 송신 신호에 적용될 수 있는 가중치이다.
비
Figure pat00008
는 각 브랜치의 송수신기 부분을 교정하기 위해 송수신기 교정 루프를 이용하여 증폭기 교정에 의해 측정될 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 송수신기 교정 루프는 각각의 증폭기의 입력 및 출력에 접속한 짧은 케이블들을 포함하여, 전파(110)에서 송신 및 수신 서브시스템들뿐 아니라, 각각의 브랜치 상의 전력 증폭기(135) 및 LNA(140)에 회로들을 포함한다. 2개의 길이-매칭 케이블들(145)은 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 브랜치들 사이에 접속된다. 각각의 케이블(145)은 전력 증폭기(135)의 출력 및 다른 브랜치의 LNA(140)의 입력에 접속된다. 길이-매칭 케이블(145)의 각각의 단부는 방향성 결합기(147)를 통해 접속된다. 방향성 결합기들은 TDD 송수신 스위치들(130) 앞에 위치된다. 하나의 전파(110)의 출력 신호는 다른 브랜치의 수신기에 결합되고 그에 의해 수신된다. 예를 들면, 각각의 전파(110)는 파일롯 채널 상에 송신되는 파일롯 신호를 생성할 수 있다. 파일롯 신호의 작은 부분은 모든 다른 송신된 신호들과 함께, 하나의 전파(110)의 송신 경로로부터 다른 전파(110)의 수신 경로로 향해질 수 있다.
이 예시에서, 전파 0으로부터 송신된 신호의 일부는 전파 1의 수신기에 결합되어 라우팅된다. 복합 이득(composite gain)은 파일롯 신호 또는 교정 신호에 의해 T0 R1로서 측정될 수 있다. 유사하게, 다른 쌍에 대한 복합 이득은 T1 R0이다. 이들 이득들의 비는 하기와 같다:
Figure pat00009
식 (7)에서 이득비를 대체하면, 하기와 같다:
Figure pat00010
이것은 전파 1에서 송신 신호에 적용되는 복소 팩터이고, 전파 0에서 송신 신호에 대한 팩터는 일이다. 일반적으로, 증폭기는 주파수 응답에서 선형 위상을 가진다. 동일한 설계 및 구성요소들의 증폭기들의 대역폭을 통한 그룹 지연의 차이는 일반적으로 빔조종에 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 작다. 어느 경우든, 대역의 중심에서의 단일 교정은 대역폭 내의 모든 빔조종 증폭기들의 위상 응답들을 정렬하기에 충분하다. 가능한 부정합의 다른 소스는 송수신기의 아날로그 필터들로부터 나온다. 대역폭 내의 진폭 및 위상 리플들은 일반적으로 빔조종에 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 작다. 그러나, 리플들이 요구된 빔조종 정밀도에 영향을 미칠만큼 충분히 크다면, 다중-톤 교정 소스를 이용한 서브대역 교정들이 이용될 수 있다.
동일 브로드캐스트 채널들이 정규 대역폭, 예를 들면 65°로 빔조종되는 경우에는 케이블 교정이 구현될 수 있다. 본 명세서의 케이블은 블록 필터(120)를 포함하여, TDD 스위치(130)로부터 타워(105)의 상단에서의 안테나(115) 포트로 이르는 RF 케이블(125)을 의미한다. 일 실시예에서, 단일-톤 신호는 기지국(100)에서의 신호 생성기(150)에 의해 생성되고 소형 RF 케이블을 통해 타워(105)의 상단에 송신된다. 신호는 타워의 상단의 전력 스플리터(155)를 이용하여 나누어지고, 방향성 결합기를 통해 안테나들(115)에 분배된다. 각각의 안테나 어레이 내의 분배 케이블들(160)은 길이가 매칭되고, 방향성 결합기들(162)을 가진 각각의 안테나 어레이에서 만들어진다. 수신 모드일 때, 교정 신호는 모든 수신기들에 의해 동시에 수신된다. 브랜치 0 및 브랜치 1의 복합 이득들은 각각 C0 R0 및 C1 R1이다. 브랜치 0의 이득에 대한 브랜치 1의 이득은 하기와 같다:
Figure pat00011
보어사이트에서 빔을 송신하기 위해, 신호의 위상 및 진폭은 대략 같아야 한다. 안테나 0에서의 송신 신호가 일이라고 가정하면, 즉
Figure pat00012
이면,
안테나 1에서의 송신 신호는 하기와 같다:
식 (8)의 G1 및 식 (10)의 H1을 식 (12)에 대체하면 하기와 같다:
Figure pat00014
이것은 전파 1에서의 송신 신호에 적용되는 복소 팩터이고, 전파 0에서의 송신 신호에 대한 팩터는 일이다. 블록 필터는 위상 및 진폭의 리플들을 가진다. 리플들은 너무 커서 빔조종에 영향을 미친다. 그러나, 리플들이 너무 커서 빔조종에 영향을 미친다면, 송수신기 교정에서 기술된 바와 같이 다중-톤 교정 소스를 이용한 서브-대역 교정들이 이용될 수 있다.
상기 교정 방법은 2개보다 많은 안테나들을 가진 안테나 어레이로 확장될 수 있다. 2개의 구성들이 가능하다: 데이지 체인 및 병렬. 이들 구성들은 상술된 동일한 방법의 변형들이다. 구현에는 차이가 있다. 데이지 체인 구성은 중간의 브랜치들 중 하나에 교정 에러가 있을 때 다른 브랜치들에 잠재적으로 에러 전파를 허용하는 약간의 단점을 가진다.
도 2는 데이지-체인 교정 구성을 이용한 무선 통신을 지원하는 기지국(200)의 제 2 예시적인 실시예를 개념적으로 도시한다. 기지국(200) 및 타워 상단(205)의 제 2 예시적 실시예는 더 큰 안테나 어레이를 포함함으로써 제 1 예시적 실시예와 상이하다. 예시된 실시예에서, 기지국(200)은, 무선 인터페이스를 통한 송신을 위한 신호들을 생성하고 무선 인터페이스를 통해 송신된 신호들을 수신하기 위해 이용되는 전파들(210)(전파들 0-3)을 포함한다. 전파들(210)은 기지국(200) 및 타워 상단(205) 내의 4개의 브랜치들(또는 신호 경로들)의 일부이다. 각각의 브랜치의 한 단부는 전파(210)이고 각각의 브랜치의 다른 단부는 타워 상단(205)의 안테나 어레이의 일부를 형성하는 안테나(215)이다. 안테나 어레이 내의 안테나들(215)은 특징적인 캐리어 파장의 반파장에 의해 분리된다. 각각의 안테나(215)는 RF 케이블(225)에 의해 블록 필터(220)에 접속된다. 블록 필터(220)는 송수신 스위치(230)에 접속된다. 각각의 브랜치의 송신 부분은 전력 증폭기(235) 및 연관된 케이블로 구성되고, 각각의 브랜치의 수신 부분은 저잡음 증폭기(LNA)(240) 및 연관된 케이블링으로 구성된다.
길이-매칭 케이블들(245)은 이웃하는 브랜치들의 수신 경로들에 각각의 브랜치의 송신 경로들을 결합하기 위해 이용된다. 예를 들면, 크로스-오버 길이-매칭 케이블들(245)은 PCS 대역에서 수 밀리미터 내로 매칭될 수 있다. 도 2에 도시된 데이지-체인 구성에서, 브랜치들의 연속하는 쌍들이 서로 결합된다. 예를 들면, 하나의 브랜치의 송신 경로는 다음 브랜치의 수신 브랜치에 결합된다; 유사한 연속하는 크로스-오버 접속들은 다른 브랜치들에 적용된다. RF 케이블 교정을 위해, 신호 생성기(250)는 동작의 전체 대역폭을 통해 주파수들의 선택된 간격들 또는 대역의 중심에서 또는 근처에서 교정 신호들의 소스로서 이용된다. 신호 생성기(250)는 캐리어 주파수들의 범위 내에 분포된 다중 톤들 또는 특정 서브캐리어에 대응하는 단일 톤을 생성하기 위해 이용될 수 있다. 신호 생성기(250)는 생성된 신호들을 길이-매칭 케이블들(260)을 통해 안테나들(215)에 분배할 수 있는 전력 스플리터(255)에 접속된다.
송신 부분의 교정은 도 1에 대해 상술된 기술들의 일반화된 버전을 이용하여 수행될 수 있다. 도 2에 도시된 예시된 실시예에서, 4개의 브랜치들에 대한 증폭기 교정 팩터들은 하기에 의해 주어진다:
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
4개의 브랜치들에 대한 케이블 교정 팩터들은 하기에 의해 주어진다:
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
도 3은 병렬 교정 구성의 안테나 어레이를 이용한 무선 통신을 지원하는 기지국의 제 3 예시적 실시예를 개념적으로 도시한다. 이러한 제 3 예시적 실시예는, 하나의 브랜치를 기준으로서 표시하고 이를 병렬 길이-매칭 케이블들을 이용하여 다른 브랜치들 각각에 결합함으로써 제 1 예시적 실시예 및 제 2 예시적 실시예와 상이하다. 예시된 실시예에서, 브랜치 0이 기준 브랜치로서 표시된다. 이 병렬 구성은 도 3에 도시된 바와 같이 브랜치 0과 브랜치 1, 브랜치 0과 브랜치 2, 브랜치 0과 브랜치 3 등이 쌍을 이룬다. 이러한 쌍은 송신 및 수신 결합 포트들을, 다른 브랜치들 상의 대응하는 결합 포트들 각각마다 하나씩, 3개의 출력들로 각각 나눔으로써 행해진다. 4개의 브랜치들에 대한 증폭기 교정 팩터들은 하기에 의해 주어진다:
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
Figure pat00026
4개의 브랜치들에 대한 케이블 교정 팩터들은 하기에 의해 주어진다:
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
Figure pat00030
본 명세서에 기술된 교정 기술들의 실시예들은 TDD OFDM 시스템의 교정을 위한 간단하고, 신뢰 가능하고, 매우 정확한 기술을 제공한다. 본 명세서에 기술된 기술들은 다른 방식들을 능가하는 다수의 이점들을 가진다. 예를 들면, 본 명세서에 기술된 교정 기술은 상업용 모바일 유닛들의 정규 동작들을 인터럽트하지 않고, 모바일 유닛들로부터의 루프백 정보에 의존하지 않고, 그에 의해 신뢰도를 개선하고, 역방향 링크 상의 오버헤드 부하를 감소시킨다. 본 명세서에 기술된 기술들의 실시예들은 동일 브로드캐스트 채널들의 빔폭 조정을 허용하기 위해 타워 상의 RF 케이블을 교정하기 위한 옵션을 포함한다. 더욱이, 본 명세서에 기술된 기술들을 구현하기 위해 기지국에 추가되는 부가적인 하드웨어는 최소이고 저비용입니다. RF 타워 케이블의 교정은 인접한 안테나들 사이의 결합에 의존하지 않고, 그에 의해 교정 정확도에 대한 불확실성을 제거하고, 모든 안테나들에 대한 교정은 동시에 수행될 수 있고, 그에 의해 교정 시간을 감소시킨다. 교정 가중치들을 계산하는데 최소량의 계산이 이용되고, 그 기술들은 UMB, LTE, 및 WiMax를 포함한 다수의 무선 통신 표준들 및/또는 프로토콜들에 적용될 수 있다.
개시된 요지의 부분들 및 대응하는 상세한 기술은 소프트웨어, 또는 알고리즘들 및 컴퓨터 메모리 내의 데이터 비트들에 대한 동작들의 기호 표현들에 의해 제공된다. 이들 기술들 및 표현들은 본 기술분야의 통상의 기술자들이 그들의 작업의 내용을 본 기술분야의 다른 통상의 기술자들에게 효과적으로 전달하기 위한 것들이다. 알고리즘은, 본 명세서에 이용된 용어들과 같이, 그리고 일반적으로 이용되는 것과 같이, 바람직한 결과에 이르는 단계들의 자체-일치하는 시퀀스인 것으로 생각된다. 단계들은 물리적인 양의 물리적인 조작들을 필요로 하는 것들이다. 일반적으로, 필수적이지는 않지만, 이들 양들은 저장되고, 이전되고, 조합되고, 비교되고, 그렇지 않으면 조작될 수 있는 광, 전기, 또는 자기 신호들의 형태를 취한다. 이것은 대체로, 비트들, 값들, 요소들, 기호들, 글자들, 단어들, 숫자들 등과 같은 이들 신호들을 참조하기 위한 관용의 이유들로 때때로 편리하다고 판명되었다.
그러나, 모든 이들 및 유사한 단어들은 적합한 물리적인 양들과 연관되는 것이고, 이들 양들에 적용된 편리한 라벨들일 뿐임을 기억해야 한다. 달리 특별하게 언급되지 않거나, 논의로부터 명백하다면, "처리(processing)" 또는 "컴퓨팅(computing)" 또는 "계산(calculating)" 또는 "결정(determining)" 또는 "디스플레이(displaying)" 등과 같은 용어들은 컴퓨터 시스템 또는 유사한 전자 컴퓨팅 디바이스의 동작 및 처리들을 나타내며, 컴퓨터 시스템 또는 유사한 전자 컴퓨팅 디바이스는 컴퓨터 시스템의 레지스터들 및 메모리들 내의 물리적인 전자량들로서 표현된 데이터를 조작하고, 컴퓨터 시스템의 메모리들 또는 레지스터들 또는 다른 이러한 정보 저장장치, 송신 또는 디스플레이 디바이스들 내의 물리적인 양들로서 유사하게 표현된 다른 데이터로 변환한다.
개시된 요지의 소프트웨어 구현된 양태들이 어떤 형태의 프로그램 저장 매체 상에 통상적으로 인코딩되거나 어떤 형태의 송신 매체를 통해 구현되는 것을 또한 유념한다. 프로그램 저장 매체는 자기(예를 들면, 플로피 디스크, USB 드라이브, 또는 하드 드라이브) 또는 광(예를 들면, 콤팩트 디스크 판독 전용 메모리, 또는 "CD ROM")이 될 수 있거나, 판독 전용 또는 랜덤 액세스될 수 있다. 유사하게, 송신 매체는 연선들, 동축 케이블, 광 섬유, 또는 본 기술분야에 알려진 어떤 다른 적합한 송신 매체일 수 있다. 개시된 요지는 임의의 주어진 구현의 이들 양태들에 의해 제한되지 않는다.
상기 개시된 특정 실시예들은 예시적일 뿐이며, 개시된 요지가 본 명세서의 개시내용들의 이점을 가진 본 기술분야의 통상의 기술자에게 분명한 상이하지만 등가의 방식들로 수정되고 실시될 수 있다. 더욱이, 하기의 특허청구범위에 기재된 것 외에, 본 명세서에 도시된 설계 또는 구성의 세부사항들에 대한 어떠한 제한들도 의도되지 않는다. 따라서, 상기 개시된 특정 실시예들은 변경 또는 수정될 수 있고, 모든 이러한 변형들은 개시된 요지의 범주 내에 있는 것으로 간주되는 것은 명백하다. 따라서, 본 명세서에서 추구하는 보호범위는 하기의 특허청구범위에 개시된 바와 같다.
100 : 기지국 105 : 타워 상단
110 : 전파들 115 : 안테나
120 : 블록 필터 135 : 전력 증폭기
145 : 길이 매칭 147 : 방향성 결합기
150 : 단일 또는 다중-톤 교정 신호 생성기
155 : 전력 스플리터 162 : 방향성 결합기

Claims (7)

  1. 복수의 안테나들;
    복수의 전파들;
    수신 경로와 송신 경로 사이에서 스위칭하도록 각각 구성된 복수의 송수신 스위치들로서, 각 송수신 스위치는 상기 복수의 안테나들 중 하나를 상기 복수의 전파들 중 대응하는 하나에 접속하는, 상기 복수의 송수신 스위치들; 및
    제 2 크로스-오버 케이블에 길이-매칭된 적어도 제 1 크로스-오버 케이블을 포함하는 복수의 길이-매칭된 크로스-오버 케이블들로서, 상기 제 1 크로스-오버 케이블은 상기 복수의 전파들 중 제 1 전파의 송신 경로와 제 2 전파의 수신 경로에 결합되고, 상기 제 2 크로스-오버 케이블은 상기 제 1 전파의 수신 경로 및 상기 제 2 전파의 송신 경로 사이에서 결합되는, 상기 복수의 길이-매칭된 크로스-오버 케이블들을 포함하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    교정 신호들을 생성하는 신호 생성기를 포함하는, 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 교정 신호들을 상기 복수의 안테나들에 제공하는 길이-매칭된 케이블들을 통해 상기 신호 발생기에 결합된 전력 분배기를 포함하는, 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 길이-매칭된 크로스-오버 케이블들을 상기 복수의 전파들의 송신 경로들 또는 수신 경로들에 결합하기 위한 복수의 방향성 결합기들을 포함하는, 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 길이-매칭된 크로스-오버 케이블들은 데이지-체인 구성(daisy- chained configuration)에서 상기 복수의 전파들의 각각에 대한 송신 경로들을 이웃하는 전파들의 수신 경로들에 결합하는, 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 기지국에서 구현되는, 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기지국은 시분할 듀플렉스(TDD: time division duplex) 무선 통신 시스템 내의 순방향 링크 트래픽 데이터를 타겟 모바일로 빔조종(beamsteering)하도록 구성되는, 장치.
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