KR20150083274A

KR20150083274A - 안테나들 사이의 거리를 줄이는 los mimo 시스템

Info

Publication number: KR20150083274A
Application number: KR1020140002832A
Authority: KR
Inventors: 김봉수; 변우진; 강민수; 김광선; 임종수
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2015-07-17
Also published as: US20150195016A1

Abstract

본 발명의 실시예는 LOS MIMO 시스템 설계 방법과 그 시스템에 관한 것이다. MIMO 송신기에 있어서, N개의 송신 안테나를 포함하고, 상기 N개의 송신 안테나와 M개의 수신 안테나 간의 직접 경로 및 상기 N개의 송신 안테나와 상기 M개의 수신 안테나 간의 지연 경로 사이의 위상 차이에 따라 상기 송신기의 출력 전달 함수가 조정되는MIMO 송신기가 제공될 수 있다.

Description

안테나들 사이의 거리를 줄이는 LOS MIMO 시스템{LOS MIMO SYSTEM FOR REDUCING DISTANCE AMONG ANTENNAS AND SYSTEM OF THEROF}

본 발명의 실시예는 LOS MIMO 시스템 설계 방법과 그 시스템에 관한 것이다.

데이터 사용량의 빠른 증가로 인한 주파수 부족은 아주 오래된 화제이다. 이를 해결하기 위한 방법으로 고차변조방식의 사용, 다중입력다중출력(MIMO) 기술의 사용, 편파를 이용한 신호분리방식의 사용 등 다양한 연구로 인해 실제 주파수 효율이 많은 향상을 가져왔다.

MIMO 기술의 경우, 셀룰러, 무선랜 등의 응용과 같은 저 주파수 대역에서 다중경로 페이딩이 심한 채널간 상관 관계(Correlation)이 없는 독립된 환경에서 좋은 성능을 가지도록 설계되었다. 하지만 주파수가 점차 높아짐으로써 LOS 채널 환경에서도 MIMO 동작이 가능하도록 하는 시도들이 계속되었다.

이와 관련하여, 선행특허 US 7006804(High-speed two-way point-to-point transmission)은 고속 데이터 전송을 위한 점대점 무선 링크에 사용되는 MIMO 기술을 선보였다. 특히, 기존 셀룰러 환경에서 다중경로 페이딩을 이용한 MIMO 기술과 달리 LOS 경로가 존재하는 점대점 시스템에서 다수의 안테나를 이용해 고속 데이터를 보낼 수 있는 방법을 제시하였다.

기존에 연구된 LOS(Line-of-sight) MIMO 방식의 경우 직접 경로와 지연 경로간에 90도(λ/4)의 전송 지연을 가지도록 강제로 배치함으로써 경로간에 Correlation을 유지하도록 하고 이들 수신 신호의 신호 처리를 통해 원 신호를 복구하였다. 하지만 무선전송 주파수의 파장과 전송거리에 따라 결정되는 안테나 사이의 거리는 안테나를 설치할 때마다 조절해야 하는 많은 불편함이 있다.

본 발명의 실시예는 이와 같은 문제점을 극복하기 위해서 각각의 안테나를 통해 복수개의 신호의 조합을 송신하고 LOS 채널 환경을 통해 수신된 신호를 간단한 연산만으로 신호를 복원하며 안테나간 간격을 자유롭게 조절할 수 있는 새로운 LOS MIMO 시스템의 구조를 제안한다.

MIMO 송신기에 있어서, N개의 송신 안테나를 포함하고, 상기 N개의 송신 안테나와 M개의 수신 안테나 간의 직접 경로 및 상기 N개의 송신 안테나와 상기 M개의 수신 안테나 간의 지연 경로 사이의 위상 차이에 따라 상기 송신기의 출력 전달 함수가 조정되는MIMO 송신기가 제공될 수 있다.

일측에 있어서, 상기 송신기의 출력 전달 함수는, 상기 M개의 수신 안테나에서 상기 직접 경로를 통해 수신한 신호 및 상기 지연 경로를 통해 수신한 신호 간의 위상 차이가 90도의 배수가 되도록 조정될 수 있다.

또 다른 측면에 있어서, 상기 M개의 수신 안테나의 각각에서 상기 N개의 송신 안테나와의 직접 경로 및 지연 경로의 거리 차이는 동일할 수 있다.

또 다른 측면에 있어서, 상기 N개의 송신 안테나는, 상기 M개의 수신 안테나와 중심 정렬을 이루지 않도록 배치될 수 있다.

또 다른 측면에 있어서, 상기 N개의 송신 안테나 간의 거리는, 상기 M개의 수신 안테나 간의 거리와 다르게 배치될 수 있다.

또 다른 측면에 있어서, 상기 송신기의 출력 전달 함수는,

이고, 는 상기 N개의 송신 안테나와 상기 M개의 수신 안테나 간의 실제 채널 전달 함수의 역함수이고,

은 상기 M개의 수신 안테나에서 상기 직접 경로를 통해 수신한 신호 및 상기 지연 경로를 통해 수신한 신호 간의 위상 차이가 90도가 되는 전달 함수일 수 있다.

또 다른 측면에 있어서, 상기 N이 2이고, 상기 M은 2인 경우, 상기 H_ideal은

이고, 상기 H_real은

이고,

는 상기 직접 경로 및 상기 지연 경로 사이의 실제 위상 차이에 해당할 수 있다.

기존 LOS MIMO 방식의 경우 일정한 전송 지연을 가지도록 강제로 배치함으로써 경로 간에 correlation을 유지하도록 하였으며 이를 수신하여 신호를 복구하였으나, 본 발명의 실시예를 통해, 각각의 안테나를 통해 복수개의 신호의 조합을 송신하고 LOS 채널 환경을 통해 수신된 신호들의 간단한 연산만으로 신호를 복원함으로써 전송 주파수 및 전송 거리에 상관없이 안테나 사이의 거리를 줄일 수 있으며 이는 시스템의 소형화에 크게 기여할 수 있다.

또한, 송수신 안테나 간의 중심 정렬 및 송신 안테나 및 수신 안테나 사이 거리가 달라도 성능의 왜곡 없이 원하는 결과를 얻을 수 있다.

도 1은 기존의 LOS MIMO 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, LOS MIMO 시스템의 동작에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 송수신 안테나간의 중심 정렬 왜곡 및 거리에 따른 LOS MIMO 시스템의 동작에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 4x4 LOS MIMO 시스템을 도시한 것이다.

이하, 안테나들 사이의 거리를 줄이는 LOS MIMO 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

먼저, 도 1은 기존의 LOS MIMO 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 2x2 MIMO 시스템을 기준으로 설명할 수 있다.

Tx 1에서 송신된 신호는 LOS 채널을 통해 Rx 1과 Rx 2로 전송될 수 있다. 여기서 채널 h21의 전송 경로의 길이는 채널 h11 보다 Da만큼 더 길게 설치될 수 있다. . Tx 2의 경우도 마찬가지로, 채널 h12의 전송 경로의 길이는 채널 h22보다 채널 Db만큼 더 길게 설치된다. 이를 통해 Da+유의 길이는 송신 안테나 Tx 1과 Tx 2의 사이 거리 L1과 수신 안테나 Rx 1과 Rx 2의 사이 거리 L2, 그리고 D에 대해서 수학식 1과 같은 관계식을 가질 수 있다.

여기서, n=1, 2, 3..의자연수이고, λ는 송신 신호의 파장이며, Da+Db를 가장 짧게 하는 n은 1일 때에 해당할 것이다.

따라서, Da+Db를 가장 짧게 하기 위해서, h11의 경로보다 h21의 경로가 90도 더 긴 위상을 가지도록 각각의 안테나를 배치하게 되면 Rx 1과 Rx 2로 입력된 Tx 1과 Tx 2의 신호는 간단한 신호 처리를 통해 쉽게 Tx 1과 Tx 2의 신호로 분리해낼 수 있게 된다.

실시예에 있어서, 이를 이용하여 12.45GHz에서의 송수신 안테나 사이의 전송 거리가 2Km일 때 안테나 사이의 거리를 계산하면 L1=L2=5m의 결과가 나온다. 이에 실제 안테나 설치 시에 많은 제약을 발생하며 또한 전송 거리가 변화할 때마다 안테나 사이의 거리를 조절해야 하는 불편함이 존재할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, LOS MIMO 시스템의 동작에 대해 설명하기 위한 도면이다. 실시예에 따른 2x2 구조의 MIMO 시스템(200)에 대해서 작동 원리를 설명하고자 한다.

여기서, 송신 안테나(210)에서 수신 안테나(230)로 가는 h11 채널 및 송신 안테나(220)에서 수신 안테나(240)로 가는 h22 채널을 직접 경로라고 하며, 송신 안테나(210)에서 수신 안테나(240)로 가는 h21 채널 및 송신 안테나(220)에서 수신 안테나(230)로 가는 h12 채널을 지연 경로라고 한다.

앞서, 도 1을 통해 설명한 개념은 송수신 안테나 사이의 거리를 조절하여 직접 경로와 지연 경로 사이의 신호 위상 차이를 90도가 되도록 함으로써 송신 안테나로부터 수신되는 두 개의 신호를 복원할 수 있다는 결론을 얻었다. 90도 차이라는 상황은 실제 안테나를 설치할 때에 많은 제약을 받을 수 있다.

본 발명의 실시예를 통해 안테나 사이의 거리를 줄일 수 있다.

LOS MIMO 시스템에 관하여 기존의 채널 함수는 수학식 2와 같다.

수학식 2의 채널 함수는 90도 경로 차이를 가지는 LOS MIMO 시스템의 전달 함수로 수신 안테나에서 수학식 2의 전달 함수를 수신하여 송신 신호를 복원할 수 있다.

이에, 본 발명에서는 송신 안테나의 출력 전달 함수를 조절하여 수학식 2와 동일한 전달 함수를 수신 안테나에서 수신할 수 있도록 하도록 한다. 본 발명의 실시예는 경로 차이에 90도로 한정하지 않으며 실제 전달 함수는 수학식 3과 같다.

수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 송신기 안테나의 출력 전달 함수를 수학식 4와 같이 구할 수 있다.

실시예에 있어서, 수학식 2 및 수학식 3의 함수가 2x2 행렬이므로 수학식 4의 전달 함수도 2x2 행렬을 형성할 수 있다. 수학식 4는 송신기의 각 안테나의 보내고자 하는 서로 다른 신호의 크기의 위상을 조절하고 합쳐서 안테나로 출력함으로써 기존 LOS MIMO 시스템과 동일한 성능을 가지도록 할 수 있다.

송신 안테나와 수신 안테나 간의 거리가 90도 위상 차이를 가져야 할 필요가 없으며, 예컨대 30도, 45도, 60도 등 수식적으로는 어떠한 값에 상관없이 송신 안테나로부터 송신된 신호를 수신 안테나에서 복원할 수 있다. 이는, 안테나 사이의 거리를 원하는 대로 조절할 수 있다는 큰 장점이 될 수 있다.

실시예에서, 30도, 45도, 60도에 대한 송신 안테나의 전달 함수를 계산하면, 수학식 5와 같다.

이는 수학식 4를 이용하여 구할 수 있으며, 송신 안테나와 수신 안테나 간의 거리를 30도, 45도, 60도 위상 차이에 제한하지 않고 다른 위상 차이에 대해서도 송신 안테나의 전달 함수를 구할 수 있다.

바람에 의한 안테나의 흔들림 또는 부정확한 설치로 인해 발생하는 송수신 안테나간 정렬 왜곡의 문제에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 송수신 안테나간의 중심 정렬 왜곡 및 거리에 따른 LOS MIMO 시스템의 동작에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 (a)는 송수신 안테나 간의 중심 정렬 왜곡에 따른 LOS MIMO 시스템의 성능을 설명하기 위한 것이며, 도 3의 (b)는 송신 안테나간 및 수신 안테나간 거리에 따른 LOS MIMO 시스템의 성능을 설명하기 위한 것이다.

실시예에 있어서, 도 3의 (a)와 같이, L3만큼의 중심 이동이 발생해 안테나 간의 중심이 맞지 않은 경우에도, 안테나 각각의 직접 경로와 지연 경로 간 거리 차이 Da는 동일하기 때문에 수신 안테나에서 정상적으로 신호를 복원할 수 있다.

반면, 기존의 LOS MIMO 시스템에서는 도 3의 (a)와 같은 중심 이동 왜곡이 나타날 경우, Da가 90도를 유지하지 못하면 성능의 왜곡이 발생할 수 있다.

그리고, 도 3의 (b)와 같이, 송신 안테나간의 간격 L1과 수신 안테나간의 간격 L2에 차이가 나타날 수 있다. 기존의 LOS MIMO 시스템의 경우, 직접 경로와 지연 경로 간의 거리 차이 Da는 90도 위상 차이가 유지되지 않기 때문에 성능의 왜곡이 발생할 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따르면, 수신 안테나간의 Da가 동일하기 때문에 수신 안테나에서 송신 안테나로부터 수신한 신호를 정상적으로 복원할 수 있다.

이는, 송신기 및 수신기의 실제 필드 설치 시에, 사용 가능한 공간이 다른 경우가 빈번히 발생하는데, 이와 같은 상황에서 안테나 설치가 가능하다는 장점이 될 수 있다.

이에 따른 송수신기의 설계 방법에 대해서 설명한다. 실시예에서, 송신기 및 수신기는 2개 이상의 안테나를 포함할 수 있으며, 송신기의 안테나 수 및 수신기의 안테나 수가 각각 다를 수 있다.

먼저, 송신기는 송신 안테나가 일정한 간격을 가지도록 설계될 수 있는데, 수신기의 수신 안테나들과 중심 정렬을 이루지 않도록 배치될 수 있다.

수신기를 설계할 때에, 수신 안테나에서 직접 경로를 통해 수신한 신호 및 지연 경로를 통해 수신한 신호 간의 위상 차이가 90도의 배수가 되도록 조정할 수 있다. 실시예에 있어서, 수신 안테나에서 90도 경로 차이를 가지는 LOS MIMO 시스템의 전달 함수를 수신할 수 있도록 설계될 수 있다.

그리고, 송신 안테나들 간의 거리는 수신 안테나들 간의 거리와 다르게 배치될 수 있으며, 수신 안테나의 각각에서 송신 안테나들과의 직접 경로 및 지연 경로의 거리 차이가 동일하도록 설계될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 4x4 LOS MIMO 시스템을 도시한 것이다. 실시예에 따른 LOS MIMO 시스템은 NxM MIMO 환경으로 확장이 가능하다.

도 4와 같은 송신 안테나에 있어서, 수학식 1 내지 수학식 5의 확장된 수학식을 통해서 송수신 안테나 간의 중심 정렬 및 송신 안테나 및 수신 안테나 사이 거리가 다르더라도 신호 복원 시에 성능의 왜곡 없이 원하는 결과를 얻을 수 있는 송신기 및 수신기의 설계가 가능하다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등한 것들에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

200: LOS MIMO 시스템
210, 220: 송신 안테나
230, 240: 수신 안테나

Claims

MIMO 송신기에 있어서,
N개의 송신 안테나
를 포함하고,
상기 N개의 송신 안테나와 M개의 수신 안테나 간의 직접 경로 및 상기 N개의 송신 안테나와 상기 M개의 수신 안테나 간의 지연 경로 사이의 위상 차이에 따라 상기 송신기의 출력 전달 함수가 조정되는
MIMO 송신기.
제1항에 있어서,
상기 송신기의 출력 전달 함수는,
상기 M개의 수신 안테나에서 상기 직접 경로를 통해 수신한 신호 및 상기 지연 경로를 통해 수신한 신호 간의 위상 차이가 90도의 배수가 되도록 조정되는
MIMO 송신기.
제1항에 있어서,
상기 M개의 수신 안테나의 각각에서 상기 N개의 송신 안테나와의 직접 경로 및 지연 경로의 거리 차이는 동일한
MIMO 송신기.
제1항에 있어서,
상기 N개의 송신 안테나는,
상기 M개의 수신 안테나와 중심 정렬을 이루지 않도록 배치되는
MIMO 송신기.
제1항에 있어서,
상기 N개의 송신 안테나 간의 거리는,
상기 M개의 수신 안테나 간의 거리와 다르게 배치되는
MIMO 송신기.
제1항에 있어서,
상기 송신기의 출력 전달 함수는,

이고,

는 상기 N개의 송신 안테나와 상기 M개의 수신 안테나 간의 실제 채널 전달 함수의 역함수이고,

은 상기 M개의 수신 안테나에서 상기 직접 경로를 통해 수신한 신호 및 상기 지연 경로를 통해 수신한 신호 간의 위상 차이가 90도가 되는 전달 함수인
MIMO 송신기.
제6항에 있어서,
상기 N이 2이고, 상기 M은 2인 경우,
상기 H_ideal은
이고,
상기 H_real은
이고,

는 상기 직접 경로 및 상기 지연 경로 사이의 실제 위상 차이인
MIMO 송신기.
제6항에 있어서,
상기 N이 2이고, 상기 M은 2이고, 상기 직접 경로 및 상기 지연 경로 사이의 실제 위상 차이가 45도인 경우,

인
MIMO 송신기.
제6항에 있어서,
상기 N이 2이고, 상기 M은 2이고, 상기 직접 경로 및 상기 지연 경로 사이의 실제 위상 차이가 30도인 경우,

인
MIMO 송신기.
제6항에 있어서,
상기 N이 2이고, 상기 M은 2이고, 상기 직접 경로 및 상기 지연 경로 사이의 실제 위상 차이가 60도인 경우,

인
MIMO 송신기.
MIMO 통신 시스템에 있어서,
N개의 송신 안테나를 포함하는 송신기; 및
M개의 수신 안테나를 포함하는 수신기;
를 포함하고,
상기 N개의 송신 안테나와 상기 M개의 수신 안테나 간의 직접 경로 및 상기 N개의 송신 안테나와 상기 M개의 수신 안테나 간의 지연 경로 사이의 위상 차이에 따라 상기 송신기의 출력 전달 함수는 조정되는
MIMO 통신 시스템.
제11항에 있어서,
상기 송신기의 출력 전달 함수는,
상기 M개의 수신 안테나에서 상기 직접 경로를 통해 수신한 신호 및 상기 지연 경로를 통해 수신한 신호 간의 위상 차이가 90도의 배수가 되도록 조정되는
MIMO 통신 시스템.
제11항에 있어서,
상기 M개의 수신 안테나는,
상기 N개의 송신 안테나와의 직접 경로 및 지연 경로의 거리 차이가 일정하도록 배치되는
MIMO 통신 시스템.
제11항에 있어서,
상기 M개의 수신 안테나는,
상기 N개의 송신 안테나와 중심 정렬을 이루지 않도록 배치되는
MIMO 통신 시스템.
제11항에 있어서,
상기 M개의 수신 안테나 간의 거리는,
상기 N개의 송신 안테나 간의 거리와 다르게 배치되는
MIMO 통신 시스템.
제11항에 있어서,
상기 송신기의 출력 전달 함수는,

이고,

는 상기 N개의 송신 안테나와 상기 M개의 수신 안테나 간의 실제 채널 전달 함수의 역함수이고,

은 상기 M개의 수신 안테나에서 상기 직접 경로를 통해 수신한 신호 및 상기 지연 경로를 통해 수신한 신호 간의 위상 차이가 90도의 배수가 되는 전달 함수인
MIMO 통신 시스템.