KR20160089197A - Mimo system based on power sharing using single rf chain - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력 공유 기반 단일 RF MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중 스트림을 전송하는 LTE-A MIMO 시스템에서 좁은 공간에 다수의 안테나를 집적하고 전력 공유 기반의 단일 RF 체인 구조를 이용하여 각 안테나로 로딩되는 어드미턴스 제어를 통해 전송 신호에 대응하는 방사 패턴을 형성할 수 있도록 함으로써 시스템 복잡도 감소와 에너지 효율 향상을 달성할 수 있는 단일 RF MIMO 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a power sharing based single RF multiple input multiple output (MIMO) system, and more particularly, to an LTE-A MIMO system for transmitting multiple streams, in which a plurality of antennas are integrated in a narrow space, To a single RF MIMO system capable of reducing system complexity and improving energy efficiency by forming a radiation pattern corresponding to a transmission signal through admittance control loaded on each antenna using a chain structure.
일반적으로 음성통신 서비스를 기반으로 하는 통신시스템은 한정된 주파수 영역 안에서 협대역 채널 특성 위주로 단일 안테나 소자만 사용하는 SISO(Single Input Single Output) 시스템이 사용되었으나, 단일 안테나를 사용하는 SISO 시스템으로는 협대역 채널 안에서 대용량의 데이터를 고속으로 전송하기에는 많은 어려움이 존재하였다. 이에 다수의 안테나를 이용하여 각각의 안테나를 독립적으로 구동하게 하여 데이터 송/수신율을 더 빨리 더 낮은 오류 확률로 전송할 수 있는 차세대 무선 전송 기술인 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술이 등장하였다.In general, a communication system based on a voice communication service uses a single input single output (SISO) system using only a single antenna element in narrow frequency band characteristics within a limited frequency range. However, a SISO system using a single antenna has a narrow band There was a great deal of difficulty in transmitting large amounts of data at high speed within a channel. Thus, a MIMO (Multiple Input Multiple Output) technique has emerged as a next generation wireless transmission technology that enables the data transmission / reception ratio to be transmitted with a lower error probability by independently driving each antenna using a plurality of antennas.
그러나, 일반적인 배열 안테나를 이용하여 데이터 속도를 향상시키는 MIMO 기술은, 데이터 속도를 향상시키기 위해 안테나를 확장하는 경우, RF 단도 함께 증가하여 하드웨어의 복잡도가 증가하고 전력 소비를 증가시킨다. 이는 모바일 단말기의 제한적인 크기 및 전력 소비 요구 조건을 고려하면 MIMO 시스템을 확장하기 어렵게 하는 이유가 된다.However, the MIMO technique that improves the data rate using a general array antenna increases the complexity of the hardware and increases the power consumption when the antenna is extended to improve the data rate. This is why it is difficult to expand the MIMO system considering the limited size and power consumption requirements of the mobile terminal.
이러한 기존 MIMO 시스템의 경우, 안테나의 개수가 증가함에 따라 동일한 개수의 RF 체인이 사용되므로 시스템 복잡도가 크게 증가할 수 있으며, 각 RF 체인마다 전력증폭기가 존재함에 따라 에너지 효율이 매우 낮아지게 되는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 단일 RF MIMO 기술이 제안되었다. In the conventional MIMO system, since the same number of RF chains are used as the number of antennas increases, the complexity of the system can be greatly increased, and the energy efficiency becomes very low due to the existence of the power amplifier in each RF chain have. To solve this problem, a single RF MIMO technique has been proposed.
이러한 단일 RF MIMO 시스템은 안테나들이 전력증폭기를 공유하여 에너지 효율을 높일 수 있도록 단일 RF 체인의 구조를 갖는다. 다만, 기존의 단일 RF MIMO 시스템은 단일 반송파(single carrier) 환경에서 구현되어 있으며, 이동통신 환경에 적용하기 위해서는 수십 ns 정도의 고속의 스위칭(switching)이 필요하다. 또한, 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 환경에 적용하기 위해서는 고속의 스위칭 뿐만 아니라 다양한 전류를 고정도로 제어할 수 있는 어드미턴스 로딩(admittance loading) 기술을 포함한 기지국 시스템이 필요하다.This single RF MIMO system has a single RF chain structure so that the antennas share power amplifiers to increase energy efficiency. However, a conventional single RF MIMO system is implemented in a single carrier environment, and switching at a high speed of several tens of ns is required to be applied to a mobile communication environment. In addition, a base station system including an admittance loading technique capable of controlling not only high-speed switching but also various currents is required to be applied to an OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) environment.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 다중 스트림을 전송하는 LTE-A (LTE-Advanced) MIMO 시스템에서 좁은 공간에 다수의 안테나를 집적하고 1개의 RF 체인을 이용하여 급전하는 시스템으로서, 집적화된 안테나가 각각 지향성을 갖는 방사 패턴을 형성하며 여러 안테나에 흐르는 전류의 조합에 의해서 다양한 기저 패턴(basis pattern)의 형성이 가능한 구조로 설계되어, 기존 MIMO 시스템을 개선하여 시스템 복잡도를 낮추고 에너지 효율을 높일 수 있는 단일 RF MIMO 시스템으로서 고속 스위칭이 가능하고 다양한 전류를 고정도(高精度)로 제어할 수 있는 어드미턴스 로딩이 가능한 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention for solving the above problems is a system for collecting a plurality of antennas in a narrow space in an LTE-Advanced (LTE-Advanced) MIMO system for transmitting multiple streams and feeding them using one RF chain, Antenna forms a radiation pattern with directivity and it is designed to be able to form various basis patterns by combining currents flowing in various antennas. It is possible to improve existing MIMO system to lower system complexity and increase energy efficiency A single RF MIMO system capable of high-speed switching and capable of admittance-load control that can control various currents with high accuracy.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템은, 각각 지향성을 가지는 방사 패턴을 형성하는 복수의 안테나를 포함하는 안테나부, 모뎀 신호의 전송을 위해 복수의 안테나 각각에 흐르는 전류를 제어하기 위한 가변적인 어드미턴스(admittance) 값을 제공하는 어드미턴스 로딩(loading)부, 국부 발진기(Local Oscillator)로부터 출력되는 신호를 증폭하여 어드미턴스 로딩부로 전력을 공급하는 전력증폭기(power amplifier), 및 모뎀 신호에 기초하여 가변적인 어드미턴스 값을 계산하는 디지털 신호 처리(DSP)부를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a power sharing based single RF MIMO system including an antenna unit including a plurality of antennas each forming a radiation pattern having directivity, a plurality of antennas for transmitting a modem signal, An admittance loading unit for providing a variable admittance value for controlling a current flowing through each antenna, a power amplifier for amplifying a signal output from the local oscillator and supplying power to the admittance loading unit, amplifier, and a digital signal processing (DSP) section for calculating a variable admittance value based on the modem signal.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템에서, 어드미턴스 로딩부는 복수의 어드미턴스 로딩 모듈을 포함할 수 있고, 복수의 어드미턴스 로딩 모듈은, 전력증폭기로부터 공급되는 전력을 공유하며, 복수의 안테나에 개별적으로 연결되어 복수의 안테나에 흐르는 전류를 제어하기 위한 가변적인 어드미턴스 값을 제공할 수 있다. 복수의 어드미턴스 로딩 모듈의 입력 어드미턴스는 컨덕턴스(conductance) 성분만 갖는 실수값이 될 수 있으며, 복수의 어드미턴스 로딩 모듈은, 각각 2 포트 회로망(2-port network)의 파이(pi) 등가회로로 모델링하는 경우, 파이(pi) 등가회로의 소자들은 모두 서셉턴스(susceptance) 성분만 갖는 무손실 소자로 구성될 수 있다. 파이(pi) 등가회로의 소자들의 어드미턴스 값은, 모뎀 신호의 전송을 위해 복수의 안테나 각각에 흐르도록 제어되어야 하는 전류값, 복수의 어드미턴스 로딩 모듈에 대한 입력 전압, 및 복수의 안테나 각각의 저항 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다. 파이(pi) 등가회로의 소자들은, 양단이 파이 등가회로의 제 1 포트의 양단에 연결되는 제 1 소자, 양단이 파이 등가회로의 제 2 포트의 양단에 연결되는 제 2 소자, 및 양단이 파이 등가회로의 제 1 포트의 일단 및 제 2 포트의 일단에 연결되는 제 3 소자로 구성될 수 있고, 제 2 소자 및 제 3 소자의 어드미턴스 값은 모뎀 신호의 전송을 위한 복수의 안테나에서의 전류 값에 대응되는 값으로 결정되고, 제 1 소자의 어드미턴스 값은 복수의 어드미턴스 로딩 모듈의 입력 어드미턴스가 실수값이 되도록 결정될 수 있다.In the power sharing based single RF MIMO system according to an embodiment of the present invention, the admittance loading unit may include a plurality of admittance loading modules, the plurality of admittance loading modules share power supplied from the power amplifiers, It is possible to provide a variable admittance value for controlling the currents flowing through the plurality of antennas individually connected to the antennas. The input admittance of the plurality of admittance loading modules may be a real number with only a conductance component and the plurality of admittance loading modules may each be modeled as a pi equivalent circuit of a two- In this case, the elements of the pi equivalent circuit may all be composed of lossless elements having only a susceptance component. The admittance value of the elements of the pi equivalent circuit is determined by a current value to be controlled to flow through each of the plurality of antennas for transmission of the modem signal, an input voltage to the plurality of admittance loading modules, May be determined based on at least one. The elements of the pi equivalent circuit include a first element whose both ends are connected to both ends of the first port of the pi equivalent circuit, a second element whose both ends are connected to both ends of the second port of the pi equivalent circuit, And a third element connected to one end of the first port of the equivalent circuit and one end of the second port, and the admittance value of the second element and the third element may be composed of a current value at a plurality of antennas , And the admittance value of the first element can be determined so that the input admittance of the plurality of admittance loading modules becomes a real value.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템은, 전력 증폭기의 출력단에 병렬연결되는 저항기를 더 포함할 수 있으며, 저항기의 저항 값은 전력 증폭기의 출력단에서 어드미턴스 정합이 이루어지도록 결정될 수 있고, 저항기의 저항 값은 디지털 신호 처리(DSP)부에 의해 계산될 수 있다. 안테나부는 복수의 안테나가 하나의 기판에 집적된 집적 안테나로 구현될 수 있다.The power sharing based single RF MIMO system according to an exemplary embodiment of the present invention may further include a resistor connected in parallel to the output terminal of the power amplifier. The resistance value of the resistor may be determined so that the admittance matching is performed at the output terminal of the power amplifier. And the resistance value of the resistor can be calculated by a digital signal processing (DSP) unit. The antenna unit may be implemented as an integrated antenna in which a plurality of antennas are integrated on one substrate.
본 발명에서 개시된 기술은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The technique disclosed in the present invention can have the following effects. It is to be understood, however, that the scope of the disclosed technology is not to be construed as limited thereby, as it is not meant to imply that a particular embodiment should include all of the following effects or only the following effects.
본 발명에 따른 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템은 집적화된 안테나가 각각 지향성을 갖는 방사 패턴을 형성하며 여러 안테나에 흐르는 전류의 조합에 의해서 다양한 기저 패턴(basis pattern)의 형성이 가능한 구조로 설계되어 고속 스위칭이 가능하고 다양한 전류를 고정도로 제어할 수 있는 어드미턴스 로딩이 가능하여 기존 MIMO 시스템을 개선하여 시스템 복잡도를 감소시키고 에너지 효율을 향상시켜 기지국의 소형화를 달성할 수 있는 효과가 있다.The power-sharing-based single RF MIMO system according to the present invention is designed to form various radiation patterns with integrated antennas and to form various basis patterns according to combinations of currents flowing through various antennas. It is possible to perform admittance loading capable of switching and controlling various currents with high accuracy, thereby improving the existing MIMO system, thereby reducing system complexity and improving energy efficiency, thereby achieving miniaturization of the base station.
도 1은 기존 MIMO 시스템으로서 현재 상용화되어 있는 2×2 MIMO 시스템의 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템의 블럭도를 나타낸 것이다.
도 3은 m번째 안테나에 흐르는 전류를 제어하기 위한 어드미턴스 로딩 모듈을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템의 전체 어드미턴스 로딩 회로도를 나타낸 것이다.1 shows a configuration of a 2x2 MIMO system that is currently commercialized as a conventional MIMO system.
2 is a block diagram of a power sharing based single RF MIMO system in accordance with an embodiment of the present invention.
3 shows an admittance loading module for controlling the current flowing in the mth antenna.
4 is a diagram illustrating a total admittance loading circuit of a power sharing based single RF MIMO system according to an embodiment of the present invention.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be construed as meaning consistent with meaning in the context of the relevant art and are not to be construed as ideal or overly formal in meaning unless expressly defined in the present application .
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.
도 1은 기존 MIMO 시스템으로서 현재 상용화되어 있는 2×2 MIMO 시스템의 구성을 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 1에 나타낸 바와 같은 현재 상용화되어 있는 2×2 MIMO 시스템(100)의 경우, 안테나(103) 2개를 사용하고 각 안테나 별로 RF 체인(chain)(102)을 연결하여 SISO 대비 최대 2배의 용량 이득을 얻고 있다. 또한, 각 RF 체인은 디지털-아날로그 변환기(Digital Analog Converter; DAC), 국부 발진기(Local Oscillator; LO), 믹서(Mixer), 전력증폭기(Power Amplifier; PA), 필터(Filter) 등으로 구성되어 있다. 디지털-아날로그 변환기(DAC)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 것으로, 디지털인 2진 신호를 다수의 저항을 활용하여 출력 전압을 조절하여 아날로그 신호로 변환한다. 국부 발진기(LO)는 반송파 주파수(carrier frequency)를 발생시키고, 믹서(Mixer)는 저주파(low frequency)의 아날로그 신호를 반송파에 싣는 기능을 수행하며, 전력증폭기(PA)는 생성된 신호를 증폭시켜 안테나로 송신하는 기능을 수행한다.1 shows a configuration of a 2x2 MIMO system that is currently commercialized as a conventional MIMO system. Specifically, in the currently commercially available
도 1과 같은 기존 MIMO 시스템의 경우, 안테나의 개수가 늘어나면 그에 따라 동일한 개수의 RF 체인이 사용되므로 시스템 복잡도가 크게 증가할 수 있다. 또한, 각 RF 체인마다 전력증폭기(PA)가 존재하므로, 만일 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)이 10 dB인 경우, 90%의 전력 손실이 발생할 수 있기 때문에 에너지 효율이 크게 저하되는 문제점이 발생한다. 다만, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 단일 RF 체인을 사용하는 단일 RF MIMO 기술이 제안되었으나, 기존의 단일 RF MIMO 시스템은 단일 반송파(single carrier) 환경에서 구현이 되어 있으며 이동통신 환경에 적용하기 위해서는 수십 ns 정도의 고속의 스위칭(switching)이 필요하다. 또한, 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 환경에 적용하기 위해서는 고속의 스위칭 뿐만 아니라 다양한 전류를 고정도로 제어할 수 있는 어드미턴스 로딩(admittance loading) 기술을 포함한 기지국 시스템이 필요하다. 본 발명은 이러한 요구에 부합하기 위한 것으로 단일 RF 체인으로부터 공급되는 전력을 공유하여 어드미턴스 로딩 회로를 통해 복수의 안테나에 모뎀 신호에 대응하는 전류가 흐르도록 제어할 수 있는 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템을 제공한다.In the conventional MIMO system as shown in FIG. 1, as the number of antennas is increased, the same number of RF chains are used, which can greatly increase the system complexity. Also, since there is a power amplifier (PA) in each RF chain, if the peak-to-average power ratio (PAPR) is 10 dB, a power loss of 90% Occurs. However, in order to solve this problem, a single RF MIMO technique using a single RF chain has been proposed. However, a single RF MIMO system is implemented in a single carrier environment. In order to apply it to a mobile communication environment, High-speed switching is required. In addition, a base station system including an admittance loading technique capable of controlling not only high-speed switching but also various currents is required to be applied to an OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) environment. The present invention addresses this need by providing a power sharing based single RF MIMO system capable of sharing power supplied from a single RF chain and controlling the current corresponding to the modem signal to flow through the admittance loading circuit to a plurality of antennas to provide.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템에서는, 각각 지향성을 가지는 방사 패턴을 형성하는 복수의 안테나를 포함하는 안테나부, 모뎀 신호의 전송을 위해 복수의 안테나 각각에 흐르는 전류를 제어하기 위한 가변적인 어드미턴스(admittance) 값을 제공하는 어드미턴스 로딩(loading)부, 국부 발진기(Local Oscillator)로부터 출력되는 신호를 증폭하여 어드미턴스 로딩부로 전력을 공급하는 전력증폭기(power amplifier), 및 모뎀 신호에 기초하여 가변적인 어드미턴스 값을 계산하는 디지털 신호 처리(DSP)부를 포함할 수 있다. 안테나는 집적화된 안테나로서 각각 지향성을 갖는 방사 패턴을 형성하고 복수의 안테나에 흐르는 전류의 조합에 의하여 다양한 기저 패턴의 형성이 가능하다. 어드미턴스 로딩부는 모뎀 신호의 전송을 위해서 각 안테나로 원하는 전류를 흘릴 수 있도록 어드미턴스를 결정할 수 있는 회로로 구성되며, 전력증폭기에서는 국부 발진기의 신호를 증폭하여 어드미턴스 로딩부로 전력을 인가할 수 있다. 디지털 신호 처리부는 모뎀 신호를 무손실 어드미턴스 값으로 변환하여 신호에 대응되는 전류가 흐를 수 있도록 계산하며, 모뎀은 기존의 상용 모뎀이 이용될 수 있다.A single RF MIMO system based on power sharing according to an embodiment of the present invention includes an antenna unit including a plurality of antennas each forming a radiation pattern having directivity, a current control unit for controlling currents flowing through the plurality of antennas, A power amplifier for amplifying a signal output from the local oscillator and supplying power to the admittance loader, and a power amplifier for amplifying a signal output from the admittance loader, And a digital signal processing (DSP) section for calculating a variable admittance value based on the calculated admittance value. An antenna is an integrated antenna, and a radiation pattern having directivity is formed, and a variety of base patterns can be formed by combining currents flowing through a plurality of antennas. The admittance loading unit is constituted by a circuit capable of determining the admittance so that a desired current can be supplied to each antenna for transmitting a modem signal. In the power amplifier, power can be applied to the admittance loading unit by amplifying the signal of the local oscillator. The digital signal processor converts the modem signal into a lossless admittance value and calculates a current corresponding to the signal to flow. The modem can be a conventional commercial modem.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템(200)의 블럭도를 나타낸 것으로, 모든 안테나에 어드미턴스 로딩부를 통해 전력을 공급하여 전력증폭기로부터의 단일 RF 전력을 공유하면서 안테나에 흐르는 전류를 제어하여 전송 신호에 대응하는 방사 패턴의 형성이 가능하다.FIG. 2 is a block diagram of a power sharing based single
구체적으로, 전압제어발진기(voltage controlled oscillator; VCO)(205)로부터 출력되는 반송파 (carrier frequency) 신호가 전력증폭기(Power Amplifier; PA) (206)에 의해 증폭되고, 이 증폭된 신호는 점선의 어드미턴스(admittance) 로딩부 (203)로 인가된다. 그리고, 모뎀(Modem)(201)에서 출력되는 M개의 I 신호 및 Q신호에 대해, DSP(Digital Signal Processor)부(202)에서는 어드미턴스 로딩부(203)에 인가되기 위한 3×M개의 인덕턴스 및 커패시턴스 (L, C) 값 및 임피던스 매칭(50Ω 매칭)을 위한 R0 값을 계산하여 어드미턴스 로딩부(203)에 전달한다. 또한, 어드미턴스 로딩부(203)에서는 안테나부(204)의 각 안테나에서 신호에 대응되는 전류가 흐를 수 있도록 DSP부(202)에서 계산된 어드미턴스(admittance)를 안테나에 연결한다. More specifically, a carrier frequency signal output from a voltage controlled oscillator (VCO) 205 is amplified by a power amplifier (PA) 206, and the amplified signal is applied to an admittance (admittance)
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템(200)에서는, 안테나가 집적화된 형태로 안테나 방사 패턴 간의 상관도(correlation)가 최소화되면서 모든 안테나에 전력이 공급되고, 안테나에 인가되는 어드미턴스(admittance)에 리액턴스(reactance) 성분들만 존재하기 때문에 저항 성분이 포함되어 있지 않아 무손실 구조로 구성되며, 전력 증폭기(power amplifier)(206)로부터 출력되는 신호의 반사를 제거하기 위하여 임피던스 매칭(50Ω 매칭)을 위한 저항(207) R0를 어드미턴스 로딩부(203)와 병렬로 연결하고, 모뎀의 신호는 어드미턴스 로딩부(203)로 인가되는데, DSP부(202)에서 이 신호에 대응되는 L, C 값을 계산하여 어드미턴스 로딩부(203)로 전달하게 된다.In the power sharing based single
이와 같이 DSP부(202)에서 임피던스 매칭을 위한 R0 및 어드미턴스 로딩부의 L, C 값을 계산하는데, 이하에서 이에 관해 설명한다.In this manner, the
모뎀에서는 스트림 수만큼의 I 신호와 Q 신호가 출력되는데, 이 신호는 복소 전류로 대응시킬 수 있다. M개의 스트림에 대응되는 신호가 존재한다고 가정하고, m번째 스트림의 신호는 m번째 안테나에 대응되고, m번째 안테나에서 흐르는 전류를 ImR이라 하면, ImR은 다음 수학식 1로 표현할 수 있다.Modems output I and Q signals as many as the number of streams, which can be matched by a complex current. Assuming that a signal corresponding to M streams exists, a signal of an m-th stream corresponds to an m-th antenna, and a current flowing in an m-th antenna is I mR , I mR can be expressed by the following equation (1).
도 3은 안테나부의 복수의 안테나 중 m번째 안테나에 흐르는 전류를 제어하기 위한 어드미턴스 로딩 모듈을 나타낸 것으로, m번째 안테나에 연결되어 있는 파이(pi; π) 형상의 2-포트 회로망(2-port network)을 통해 안테나에 연결되어 있는 구조를 나타낸 것이다. 안테나는 50Ω으로 모델링하였으며, 파이 네트워크는 3개의 무손실 소자로 구성되며, 이들 무손실 소자의 어드미턴스(admittance)는 각각 ymA, ymB, ymC의 값을 갖는다. 각 어드미턴스는 무손실 소자이므로 허수부만 가지며, ymA = jxmA, ymB=jxmB, ymC=jxmC (xmA, xmB, xmC는 모두 실수)로 표현되며, 각 어드미턴스 모듈의 소자들은 인덕터(L) 또는 커패시터(C)로 구성된다. 한편, 도 3에서 V0는 양의 실수값을 갖는 페이저(phasor)로 가정하면, 도 3의 Im0는 다음의 수학식 2로 표현할 수 있다.FIG. 3 illustrates an admittance loading module for controlling a current flowing through an m-th antenna among a plurality of antennas of an antenna unit. The admittance loading module includes a pi -π-shaped 2-port network ) Connected to the antenna. The antenna is modeled as 50 Ω, and the pi network consists of three lossless elements, and the admittance of these lossless elements has values of y mA , y mB , and y mC , respectively. Each admittance is expressed by a lossless elements, so has only the imaginary part, y mA = jx mA, y mB = jx mB, y mC = jx mC (x mA, x mB, x mC are all real number), the elements of each admittance module (L) or a capacitor (C). On the other hand, in FIG. 3, assuming that V 0 is a phasor having a positive real value, I m0 in FIG. 3 can be expressed by the following equation (2).
또한, 도 3에서 안테나로 흐르는 전류 ImR은 다음의 수학식 3으로 표현할 수 있다.In addition, the current I mR flowing to the antenna in FIG. 3 can be expressed by the following equation (3).
상기 수학식 2 및 수학식 3으로부터 다음의 수학식 4의 관계를 얻을 수 있다.From the equations (2) and (3), the following equation (4) can be obtained.
또, 상기 수학식 4로부터 다음의 수학식 5의 관계를 얻을 수 있다.From the above equation (4), the following equation (5) can be obtained.
상기 수학식 5로부터, m번째 안테나에 흐르는 전류를 위한 xmB 및 xmC 값은 다음의 수학식 6 및 수학식 7과 같이 얻을 수 있다.From Equation (5), the values of x mB and x mC for the current flowing in the mth antenna can be obtained by Equation (6) and Equation (7).
그리고, Im0는 다음 수학식 8과 같이 표현할 수 있다.Then, I m0 can be expressed by the following equation (8).
따라서, 도 3의 m번째 어드미턴스 로딩 모듈의 어드미턴스 Ym은 다음 수학식 9와 같다.Therefore, the admittance Y m of the m-th admittance loading module of FIG.
상기 수학식 9로부터, Ym의 실수부와 허수부는 각각 다음의 수학식 10 및 수학식 11과 같이 표현된다.From Equation (9), the real part and the imaginary part of Y m are expressed by the following equations (10) and (11), respectively.
여기서, Ym의 허수부가 0이 되도록 하면, xmA는 다음 수학식 12와 같다.Here, letting the imaginary part of Y m be 0, x mA is expressed by the following equation (12).
이 경우, Ym은 다음 수학식 13과 같은 양의 실수값을 갖는다.In this case, Y m has a positive real value as shown in the following equation (13).
그러면, m번째 안테나를 위해서 소모되는 전력 Pm은 다음 수학식 14와 같다.Then, the power P m consumed for the m-th antenna is given by Equation (14).
다음, 이를 확장시켜 도 4의 전체 어드미턴스 로딩 회로에서 안테나에 인가되는 어드미턴스를 구한다. 도 4에서, 복수의 안테나에는 각각 어드미턴스 로딩 모듈이 연결되고, M개의 어드미턴스 로딩 모듈은 병렬로 전력 증폭기에 연결되며, 전력 증폭기(PA)는 전압원 Vs와 내부 저항 50Ω으로 모델링된다. 그리고, m번째 어드미턴스 로딩 모듈로의 입력 어드미턴스를 Ym이라 하면, 수학식 13으로부터, 전체 입력 어드미턴스 Yt는 다음 수학식 15와 같이 구할 수 있다.Next, this is extended to obtain the admittance applied to the antenna in the entire admittance loading circuit of FIG. 4, an admittance loading module is connected to each of a plurality of antennas, M admittance loading modules are connected in parallel to a power amplifier, and a power amplifier PA is modeled with a voltage source V s and an internal resistance of 50 ?. If the input admittance to the m-th admittance loading module is Y m , then the total input admittance Y t can be obtained from the following equation (15).
임피던스 매칭(50Ω 매칭)을 위해 
따라서, R0는 다음 수학식 17과 같이 표현된다.Therefore, R 0 is expressed by the following equation (17).
여기서, 
here,
이상에서 설명한 바로부터, 도 4의 전체 어드미턴스 로딩 회로에서 어드미턴스 로딩 값을 기저대역에서 계산하는 식은 다음 수학식 18 내지 20으로 요약할 수 있다.From the above description, the equation for calculating the admittance loading value in the baseband in the entire admittance loading circuit of FIG. 4 can be summarized by the following equations (18) to (20).
여기서, 
그리고, 
xmB 및 xmC 의 경우에도 상기 xmA 의 경우와 동일한 방법으로 커패시터 또는 인덕터만으로 구현가능하다.x mB and x mC can be implemented by only a capacitor or an inductor in the same manner as in the case of x mA .
이상과 같이 어드미턴스 로딩부(203)에서 안테나부(204)로 연결되는 로딩 어드미턴스 값에 대한 파이 등가회로의 각 소자의 L, C 값과 임피던스 또는 어드미턴스 매칭을 위한 저항 R0 값을 구할 수 있으며, 이는 DSP부(202)에서 계산되어 어드미턴스 로딩부(203)로 전달되도록 구성될 수 있으며, 이에 따라, 어드미턴스 로딩부(203)에서는 각 안테나에서 전송 신호에 대응되는 전류가 흐를 수 있도록 계산된 어드미턴스를 안테나에 로딩할 수 있게 된다.As described above, the L and C values of each element of the pie equivalent circuit with respect to the loading admittance value connected to the
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템은 집적화된 안테나가 각각 지향성을 갖는 방사 패턴을 형성하며 여러 안테나에 흐르는 전류의 조합에 의해서 다양한 기저 패턴(basis pattern)의 형성이 가능한 구조로 설계되어 고속 스위칭이 가능하고 다양한 전류를 고정도로 제어할 수 있는 어드미턴스 로딩이 가능하여 기존 MIMO 시스템을 개선하여 시스템 복잡도를 감소시키고 에너지 효율을 향상시켜 기지국의 소형화를 달성할 수 있는 효과가 있다.As described above, in the power sharing based single RF MIMO system according to the present invention, the integrated antenna forms a radiation pattern having directivity, and various base patterns can be formed by combining the currents flowing in the various antennas It is possible to perform admittance loading capable of high-speed switching and control various currents with a high degree of accuracy, thereby improving the existing MIMO system, thereby reducing system complexity and improving energy efficiency, thereby achieving miniaturization of the base station .
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. That is, within the scope of the present invention, all of the components may be selectively coupled to one or more of them.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (12)
각각 지향성을 가지는 방사 패턴을 형성하는 복수의 안테나를 포함하는 안테나부;
모뎀 신호의 전송을 위해 상기 복수의 안테나 각각에 흐르는 전류를 제어하기 위한 가변적인 어드미턴스(admittance) 값을 제공하는 어드미턴스 로딩(loading)부;
국부 발진기(Local Oscillator)로부터 출력되는 신호를 증폭하여 상기 어드미턴스 로딩부로 전력을 공급하는 전력증폭기(power amplifier); 및
상기 모뎀 신호에 기초하여 상기 가변적인 어드미턴스 값을 계산하는 디지털 신호 처리(DSP)부를 포함하는, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.A power sharing based single RF multiple input multiple output (MIMO) system,
An antenna unit including a plurality of antennas forming a radiation pattern having directivity;
An admittance loading unit for providing a variable admittance value for controlling a current flowing to each of the plurality of antennas for transmission of a modem signal;
A power amplifier for amplifying a signal output from a local oscillator and supplying power to the admittance loading unit; And
And a digital signal processing (DSP) section for calculating the variable admittance value based on the modem signal.
상기 어드미턴스 로딩부는 복수의 어드미턴스 로딩 모듈을 포함하는, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the admittance loading section comprises a plurality of admittance loading modules.
상기 복수의 어드미턴스 로딩 모듈은,
상기 전력증폭기로부터 공급되는 전력을 공유하며,
상기 복수의 안테나에 개별적으로 연결되어 상기 복수의 안테나에 흐르는 전류를 제어하기 위한 가변적인 어드미턴스 값을 제공하는, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the plurality of admittance loading modules comprise:
Sharing power supplied from the power amplifier,
Wherein the plurality of antennas are individually connected to the plurality of antennas to provide a variable admittance value for controlling a current flowing to the plurality of antennas.
상기 복수의 어드미턴스 로딩 모듈의 입력 어드미턴스는 컨덕턴스(conductance) 성분만 갖는 실수값인, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the input admittance of the plurality of admittance loading modules is a real value having only a conductance component.
상기 복수의 어드미턴스 로딩 모듈은,
각각 2 포트 회로망(2-port network)의 파이(pi) 등가회로로 모델링하는 경우, 파이(pi) 등가회로의 소자들은 모두 서셉턴스(susceptance) 성분만 갖는 무손실 소자로 구성되는, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the plurality of admittance loading modules comprise:
When modeling with a pi equivalent circuit of a two-port network, each of the elements of the pi equivalent circuit is composed of a power share-based single unit, which consists of lossless elements having only susceptance components. RF MIMO system.
상기 파이(pi) 등가회로의 소자들의 어드미턴스 값은,
상기 모뎀 신호의 전송을 위해 복수의 안테나 각각에 흐르도록 제어되어야 하는 전류값, 상기 복수의 어드미턴스 로딩 모듈에 대한 입력 전압, 및 상기 복수의 안테나 각각의 저항 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.6. The method of claim 5,
The admittance value of the elements of the pi equivalent circuit is given by:
A power share determined based on at least one of a current value to be controlled to flow through each of the plurality of antennas for transmission of the modem signal, an input voltage to the plurality of admittance loading modules, and a resistance of each of the plurality of antennas. Based single RF MIMO system.
상기 파이(pi) 등가회로의 소자들은,
양단이 상기 파이 등가회로의 제 1 포트의 양단에 연결되는 제 1 소자;
양단이 상기 파이 등가회로의 제 2 포트의 양단에 연결되는 제 2 소자; 및
양단이 상기 파이 등가회로의 제 1 포트의 일단 및 제 2 포트의 일단에 연결되는 제 3 소자로 구성되고,
상기 제 2 소자 및 상기 제 3 소자의 어드미턴스 값은 상기 모뎀 신호의 전송을 위한 복수의 안테나에서의 전류 값에 대응되는 값으로 결정되고,
상기 제 1 소자의 어드미턴스 값은 상기 복수의 어드미턴스 로딩 모듈의 입력 어드미턴스가 실수값이 되도록 결정되는, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.6. The method of claim 5,
The elements of the pi equivalent circuit,
A first element whose both ends are connected to both ends of a first port of the pi equivalent circuit;
A second element whose both ends are connected to both ends of a second port of the pi equivalent circuit; And
And a third element having both ends connected to one end of the first port of the pi equivalent circuit and one end of the second port,
The admittance value of the second element and the third element is determined to be a value corresponding to a current value at a plurality of antennas for transmission of the modem signal,
Wherein the admittance value of the first element is determined such that the input admittance of the plurality of admittance loading modules is a real value.
상기 복수의 어드미턴스 로딩 모듈 중 m번째 어드미턴스 로딩 모듈의 상기 제 1 소자 내지 제 3 소자의 어드미턴스 값을 각각 jxmA, jxmB, jxmC 라 할 경우, xmA, xmB, xmC 는 하기의 식(1) 내지 (3)으로 정의되는, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.
식(1):
식(2):
식(3):
(단, m번째 안테나에 흐르는 전류
When the first device to the third device to the admittance value of each jx mA, jx mB, jx mC La of the plurality of admittance loading module m-th admittance loading module, the following equation is x mA, x mB, x mC (1) to (3). ≪ / RTI >
Equation (1):
Equation (2):
Equation (3):
(However, the current flowing in the mth antenna
상기 전력 증폭기의 출력단에 병렬연결되는 저항기를 더 포함하는, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.The method according to claim 1,
Further comprising a resistor coupled in parallel to an output of the power amplifier.
상기 저항기의 저항 값은 상기 전력 증폭기의 출력단에서 어드미턴스 정합이 이루어지도록 결정되는, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.10. The method of claim 9,
Wherein a resistance value of the resistor is determined such that an admittance match occurs at an output of the power amplifier.
상기 저항기의 저항 값은 상기 디지털 신호 처리(DSP)부에 의해 계산되는, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.10. The method of claim 9,
Wherein the resistance value of the resistor is calculated by the digital signal processing (DSP) portion.
상기 안테나부는 상기 복수의 안테나가 하나의 기판에 집적된 집적 안테나로 구현되는, 전력 공유 기반 단일 RF MIMO 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the antenna unit is implemented as an integrated antenna in which the plurality of antennas are integrated on a single substrate.
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- 2015-01-19 KR KR1020150008858A patent/KR101651347B1/en active IP Right Grant
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| WO2016117741A1 (en) | 2016-07-28 |
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