KR20160121312A - 편파 빔형성 통신 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

기지국의 편파 빔 형성 통신 장치는 복수의 이중편파 안테나를 통해 수신된 각 단말의 기준 신호를 이용하여 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 추정하고, 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파에 기반하여 송신할 스트림을 결정하며, 각 단말로 송신할 스트림을 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 이용하여 복수의 이중편파 안테나에 각각 대응하여 형성되는 편파 매칭된 빔을 통해 전송한다.

Description

편파 빔형성 통신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR POLARIZATION BEAMFORMING COMMUNICATION}
본 발명은 편파 빔형성 통신 방법 및 장치에 관한 것이다.
밀리미터파(mmWave) 대역에서의 전송 손실은 일반적인 마이크로웨이브 대역에서의 전송손실보다 100배 이상의 감쇄가 생긴다. 한 예로, 60GHz 대역의 신호는 5GHz 대역의 신호 대비 약 144배의 감쇄가 더 일어난다. 따라서 밀리미터파 대역에서는 최대 전력으로 목표로 하는 단말을 향해 전송하고, 이와 같은 이유로 밀리미터파 대역에서의 유망한 기술로 많은 수의 안테나를 사용하여 빔 폭이 좁은 빔(Narrow beam)을 형성하여 전송하는 기술이 주목 받고 있다. 그리고 밀리미터파 대역에서의 빔 폭이 좁은 빔의 사용은 좁은 빔 폭으로 인해 반사파가 극소수로 존재하는 가시선(Line-of-Sight)이 지배적인 통신 환경이 된다.
편파는 전자기파가 진행할 때 전자기파 진행 축에 수직인 평면에서 전기장이 만들어내는 극성을 나타낸다. 송신단의 편파와 수신단의 편파가 완전히 일치할 때 최대로 에너지를 전송할 수 있으며 송신단의 편파와 수신단의 편파가 서로 직교하다면 송신 에너지의 대부분은 수신단에 전달될 수 없다. 또한 송신단에서 서로 직교한 수직 및 수평의 이중편파 안테나를 사용하고, 수직 및 수평 안테나의 RF 경로를 일치시킨다면, 기저대역에서의 신호 처리로 다양한 송신편파를 생성할 수 있다.
일반적으로 반사파에서 편파의 변화가 일어나며, 가시선이 지배적인 통신 환경에서는 반사파가 거의 존재하지 않기 때문에 전송 효율을 높이기 위해 송신 편파와 수신 편파를 일치시키는 기술이 매우 중요하다.
본 발명이 해결하려는 과제는 가시선이 지배적인 통신 환경에서 전송 효율을 높일 수 있는 편파 빔형성 통신 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 평면 이중편파 안테나 어레이를 포함하는 기지국의 편파 빔형성 통신 방법이 제공된다. 편파 빔형성 통신 방법은 상기 평면 이중편파 안테나 어레이의 복수의 이중편파 안테나를 통해 수신된 각 단말의 기준 신호를 이용하여 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 추정하는 단계, 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파에 기반하여 송신할 스트림을 결정하는 단계, 그리고 상기 각 단말로 송신할 스트림을 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 이용하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 각각 대응하여 형성되는 편파 매칭된 빔을 통해 전송하는 단계를 포함한다.
상기 전송하는 단계는 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 이용하여 상기 각 단말로 송신할 스트림으로부터 수평편파 신호와 수직편파 신호를 생성하는 단계, 상기 각 단말에 대한 방위각 및 앙각을 이용하여 상기 각 단말로 송신할 스트림에 대응하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 대한 조향벡터를 생성하는 단계, 그리고 상기 각 단말에 해당하는 조향벡터를 이용하여 각 단말에 해당하는 수평편파 신호와 수직편파 신호를 빔형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수평편파 신호와 수직편파 신호를 생성하는 단계는 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 이용하여 각 단말에 대한 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산하는 단계, 그리고 상기 각 단말로 송신할 스트림에 대응하는 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 각각 곱하여 상기 각 단말로 송신할 수평성분 신호와 수직성분 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전송하는 단계는 각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수평편파 신호를 결합하는 단계, 각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수직편파 신호를 결합하는 단계, 그리고 결합된 수평편파 신호와 결합된 수직편파 신호를 해당하는 이중편파 안테나를 통해 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 조향벡터를 생성하는 단계는 상기 방위각을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 행에 적용할 조향벡터를 생성하는 단계, 그리고 상기 앙각을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 열에 적용할 조향벡터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수평편파 신호와 수직편파 신호를 생성하는 단계는 상기 편파의 수평성분을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 이중편파 안테나의 수평성분 가중치를 생성하는 단계, 그리고 상기 편파의 수직 성분을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 이중편파 안테나의 수직성분 가중치를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시 예에 따르면, 복수의 이중편파 안테나를 포함하는 기지국의 편파 빔형성 통신 방법이 제공된다. 편파 빔형성 통신 방법은 상기 복수의 이중편파 안테나를 통해 수신된 각 단말의 기준 신호를 이용하여 상기 각 단말에 대한 방위각 및 편파를 추정하는 단계, 상기 각 단말에 대한 방위각 및 편파에 기반하여 각 단말로 송신할 스트림을 결정하는 단계, 그리고 상기 각 단말로 송신할 스트림을 상기 각 단말에 대한 방위각 및 편파를 이용하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 각각 대응하여 형성되는 편파 매칭된 빔을 통해 전송하는 단계를 포함한다.
상기 전송하는 단계는 상기 각 단말에 대한 방위각을 이용하여 상기 각 단말로 송신할 스트림에 대응하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 대한 조향벡터를 생성하는 단계, 상기 각 단말로 송신할 스트림을 대응하는 조향벡터를 이용하여 빔형성하는 단계, 상기 각 단말에 대한 방위각과 상기 편파를 이용하여 상기 각 단말에 대응하여 각 이중편파 안테나에 대한 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산하는 단계, 그리고 빔형성된 각 단말의 스트림에 대응하는 각 이중편파 안테나에 대한 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 이용하여 각 이중편파 안테나에 대한 수평성분 신호와 수직 성분 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전송하는 단계는 각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 수평편파 신호를 결합하는 단계, 각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 수직편파 신호를 결합하는 단계, 그리고 결합된 수평편파 신호와 결합된 수직편파 신호를 해당하는 이중편파 안테나를 통해 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전송하는 단계는 상기 각 단말에 대한 방위각 및 편파를 이용하여 상기 각 단말로 송신할 스트림에 대응하여 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산하는 단계, 상기 각 단말로 송신할 스트림으로부터 해당하는 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 이용하여 각 단말에 대한 수평편파 신호와 수직편파 신호를 생성하는 단계, 상기 각 단말에 대한 방위각을 이용하여 상기 각 단말에 대응하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 대한 조향벡터를 생성하는 단계, 그리고 상기 각 단말에 해당하는 조향벡터를 이용하여 각 단말에 해당하는 수평편파 신호와 수직편파 신호를 빔형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전송하는 단계는 각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 수평편파 신호를 결합하는 단계, 각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 수직편파 신호를 결합하는 단계, 그리고 결합된 수평편파 신호와 결합된 수직편파 신호를 해당하는 이중편파 안테나를 통해 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 한 실시 예에 따르면, 기지국의 편파 빔형성 통신 장치가 제공된다. 편파 빔 형성 통신 장치는 평면 이중편파 안테나 어레이, 추정부, 제어부, 송신편파 처리부, 송신빔 형성부, 그리고 결합부를 포함한다. 상기 평면 이중편파 안테나 어레이는 복수의 이중편파 안테나를 포함한다. 상기 추정부는 상기 평면 이중편파 안테나 어레이를 통해 각 단말로부터 수신된 기준신호로부터 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 추정한다. 상기 제어부는 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파에 기반하여 송신할 스트림을 결정한다. 상기 송신편파 처리부는 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 이용하여 상기 각 단말로 송신할 스트림으로부터 수평편파 신호와 수직편파 신호를 생성한다. 상기 송신빔 형성부는 상기 각 단말에 대한 방위각 및 앙각을 이용하여 상기 각 단말로 송신할 수평편파 신호와 수직편파 신호를 각각 상기 복수의 이중편파 안테나에 대응하여 빔형성한다. 그리고 상기 결합부는 각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수평편파 신호와 각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수직편파 신호를 해당하는 이중편파 안테나로 전달한다.
상기 송신빔 형성부는 상기 각 단말에 대한 방위각 및 앙각을 이용하여 상기 각 단말에 대응하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 대한 조향벡터를 생성하고, 상기 각 단말로 송신할 수직편파 신호와 수평편파 신호를 각각 대응하는 조향벡터를 이용하여 빔형성할 수 있다.
상기 송신편파 처리부는 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 이용하여 각 단말에 대한 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산하고, 상기 각 단말로 송신할 스트림에 대응하는 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 각각 곱하여 상기 각 단말로 송신할 수평성분 신호와 수직성분 신호를 생성할 수 있다.
상기 결합부는 각 이중편파 안테나에 대응하는 수평성분 결합부, 그리고 상기 각 이중편파 안테나에 대응하는 수직성분 결합부를 포함하고, 상기 수평성분 결합부는 대응하는 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수평성분 신호를 결합하고, 상기 수직성분 결합부는 대응하는 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수직성분 신호를 결합할 수 있다.
상기 송신빔 형성부는 상기 방위각을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 행에 적용할 조향벡터를 생성하고, 상기 앙각을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 열에 적용할 조향벡터를 생성할 수 있다.
상기 송신편파 처리부는 상기 편파의 수평 및 수직성분을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 이중편파 안테나의 수평성분 가중치 및 수직 성분 가중치를 생성하고, 상기 각 단말로 송신할 스트림에 상기 수평성분 가중치 및 수직 성분 가중치를 각각 적용하여 상기 수평편파 신호와 상기 수직편파 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 가시선이 지배적인 통신 환경에서 단말이 송신한 신호에 기반하여 각 단말의 방위각(Azimuth angle), 앙각(Elevation angle) 및 편파 상태를 추정하고, 이에 기반하여 편파 매칭된 빔을 생성하여 각 단말에 송신함으로써 통신 전송 효율을 높일 수 있다. 또한 단말이 이중 편파 안테나를 보유할 경우 최대 두 스트림의 데이터를 서로 직교한 편파에 실어서 빔 포밍으로 전송하여 전송 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시 예에 따른 편파 빔형성 통신 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 각 단말의 편파 상태의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 통신 장치의 송신 편파 빔의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 통신 장치의 통신 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 통신 장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 편파 빔형성 통신 장치를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 이중편파 안테나 어레이를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 결합부를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 6에 도시된 편파 빔형성 통신 장치의 통신 방법을 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 편파 빔형성 통신 장치 및 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 한 실시 예에 따른 편파 빔형성 통신 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 각 단말의 편파 상태의 일 예를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 통신 장치의 송신 편파 빔의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 통신 장치(100)는 이중편파 안테나 어레이(110), 수신부(120), 방위각 및 편파 추정부(130), 제어부(140), 복수의 스트림 처리부(1501~150N), 복수의 결합부(1601~160M), 복수의 OFDMA 변조부(1701~170M) 및 복수의 송신부(1801~180M)를 포함한다. 복수의 스트림 처리부(1501~150N)는 각각 복수의 송신신호 처리부(1521~152N), 복수의 송신빔 형성부(1541~154N) 및 복수의 송신편파 형성부(1561~156N)를 포함할 수 있다. 이때 N은 통신 장치(100)에서 전송할 수 있는 최대 송신 스트림의 개수이며, M은 이중편파 안테나의 개수일 수 있다. 이러한 통신 장치(100)는 기지국에 포함될 수 있다.
이중편파 안테나 어레이(110)는 복수의 이중편파 안테나(1121~112M)를 포함한다. 이중편파 안테나 어레이(110)는 복수의 이중편파 안테나(1121~112M)의 배열로 이루어지고, 복수의 이중편파 안테나(1121~112M)는 각각 복수의 송신부(1801~180M) 및 복수의 OFDMA 변조부(1701~170M)와 연결되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 이중편파 안테나 어레이(110)는 Mㅧ1인 선형 어레이일 수 있다. 각 단말은 상향링크 구간 동안 기준신호를 전송할 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 각 단말의 안테나 위치에 따라 통신 장치(100) 즉, 기지국에서 관찰되는 수신 편파는 다양한 형태를 이룬다.
수신부(120)는 이중편파 안테나 어레이(110)를 통해 각 단말이 전송한 기준신호를 수신하고, 수신된 기준신호를 방위각 및 편파 추정부(130)로 전달한다.
방위각 및 편파 추정부(130)는 이중편파 안테나 어레이(110)를 통해 수신된 각 단말의 기준신호를 이용하여 각 단말의 방위각 및 편파를 추정한다.
제어부(140)는 추정된 각 단말의 방위각 및 편파에 기반하여 송신 스트림을 결정하고 송신 스트림별 방위각 및 편파 정보를 복수의 송신빔 형성부(1541~154N) 및 복수의 송신편파 형성부(1561~156N) 중 해당하는 송신빔 형성부 및 송신편파 형성부로 전달한다.
복수의 송신신호 처리부(1521~152N)에서는 각각 복수의 송신 스트림(S1~SN)에 대한 일련의 통신 신호처리를 수행한다. 예를 들어, 송신신호 처리부(1521~152N)는 채널 코딩, 인터리버 및 데이터 변조 등을 수행할 수 있다.
복수의 송신빔 형성부(1541~154N)는 각각 복수의 송신신호 처리부(1521~152N)로부터 통신 신호처리된 신호를 수신하고, 수신된 신호를 조향벡터를 이용하여 빔형성한다. 복수의 송신빔 형성부(1541~154N)는 각각 제어부(140)로부터 전달 받은 방위각을 기반으로 복수의 이중편파 안테나에 대한 가중치를 각각 포함하는 조향벡터를 생성한다. 방위각이 θd 인 경우 조향벡터는 수학식 1과 같이 생성될 수 있으며, 생성된 조향 벡터는 이중편파 안테나 어레이(110)에서 방위각을 형성하는 각각의 안테나 요소에 적용될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, M은 이중편파 안테나 어레이를 구성하는 이중편파 안테나의 개수이고,
Figure pat00002
는 이중편파 안테나간의 거리이며,
Figure pat00003
는 파장을 나타낸다.
복수의 송신편파 형성부(1561~156N)는 각각 복수의 송신빔 형성부(1541~154N)에 의해 빔형성된 신호를 제어부(140)로부터 전달 받은 방위각과 편파 정보를 토대로 수직성분과 수평성분으로 편파시켜 수직편파 신호와 수평편파 신호를 생성한다. 복수의 송신편파 형성부(1561~156N)는 제어부(140)로부터 전달 받은 방위각과 편파 정보를 토대로 복수의 이중편파 안테나의 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산하고, 각 이중편파 안테나에 대응하여 빔형성된 신호에 대응하는 이중편파 안테나의 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 곱하여 수직편파 신호와 수평편파 신호를 생성할 수 있다. 각 이중편파 안테나의 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치는 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00004
수학식 2에서, αi와 βi는 i번째 이중편파 안테나의 수평 성분과 수직 성분의 RF 응답을 나타낸다.
복수의 결합부(1601~160M)는 각각 수평성분 결합부(1621~162M)와 수직성분 결합부(1641~164M)를 포함한다. 각 수평성분 결합부(1621~162M)는 복수의 송신 스트림에서 대응하는 이중편파 안테나에 대한 수평성분 신호를 결합하고, 결합된 수평성분 신호(Hs)를 각 OFDMA 변조부(1701~170M)로 전달한다. 각 수직성분 결합부(1641~164M)는 복수의 송신 스트림에서 대응하는 이중편파 안테나에 대한 수직성분 신호를 결합하고, 결합된 수직성분 신호(Vs)를 각 OFDMA 변조부(1701~170M)로 전달한다.
OFDMA 변조부(1701~170M)는 대응하는 이중편파 안테나에 대한 수평성분 신호(Hs)와 수직신호 성분(Vs)을 각각 OFDM 변조하고, OFDM 변조된 신호에 CP(Cyclic Prefix)를 추가하여 대응하는 송신부(1801~180M)를 통해 대응하는 이중편파 안테나로 전달한다.
송신부(1801~180M)는 각각 수평성분에 해당하는 RF부(1821~182M) 및 수직성분에 해당하는 RF부(1841~184M)를 포함하며, RF부(1821~182M) 및 RF부(1841~184M)는 각각 해당하는 신호를 처리하여 대응하는 이중편파 안테나(1121~112M)로 전달한다.
이중편파 안테나 어레이(110)의 복수의 이중편파 안테나(1121~112M)는 송신부(1801~180M)를 통해 전달받은 신호를 송신하며, 이중편파 안테나(1121~112M)를 통해 각 송신 스트림은 도 3과 같이 해당 단말에 편파 매칭된 빔을 통해 전달될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 편파 빔형성 통신 장치의 통신 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참고하면, 수신부(120)는 이중편파 안테나 어레이(110)를 통해 각 단말이 전송한 기준신호를 수신한다(S410).
방위각 및 편파 추정부(130)는 이중편파 안테나 어레이(110)를 통해 수신된 각 단말의 기준신호를 이용하여 각 단말의 방위각 및 편파를 추정한다(S420).
제어부(140)는 추정된 각 단말의 방위각 및 편파에 기반하여 각 단말로 송신할 스트림을 결정하고(S430), 송신할 스트림별 방위각 및 편파 정보를 대응하는 송신빔 형성부 및 송신편파 형성부로 전달한다.
복수의 송신빔 형성부(1541~154N) 중 송신할 스트림에 각각 해당하는 송신빔 형성부는 제어부(140)로부터 전달 받은 방위각을 기반으로 복수의 이중편파 안테나에 대한 조향벡터를 생성하고(S440), 조향벡터를 이용하여 송신할 스트림을 빔형성한다(S450).
복수의 송신편파 형성부(1561~156N) 중 송신할 스트림에 각각 해당하는 송신편파 형성부는 제어부(140)로부터 전달 받은 방위각과 편파 정보를 토대로 복수의 이중편파 안테나의 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산하고(S460), 각 이중편파 안테나에 대응하여 빔형성된 스트림에 대응하는 이중편파 안테나의 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 곱하여 각 이중편파 안테나에 대응하는 수직편파 신호와 수평편파 신호를 생성한다(S470).
복수의 결합부(1601~160M)는 각각 송신할 스트림에서 대응하는 이중편파 안테나에 대한 수평성분 신호를 결합하고, 대응하는 이중편파 안테나에 대한 수직성분 신호를 결합한다(S480).
이렇게 하고 각 이중편파 안테나에 대한 수평성분 신호와 수직성분 신호는 OFDM 변조되어 각 이중편파 안테나를 통해 송출된다(S490).
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 편파 빔형성 통신 장치를 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면, 통신 장치(100')는 복수의 스트림 처리부(1501'~150N')를 제외하고는 통신 장치(100)와 동일하다.
복수의 스트림 처리부(1501'~150N')의 송신편파 형성부(1561'~156N')는 도 1과 같이 각 이중편파 안테나의 수평 및 수직 성분의 RF 응답을 고려하지 않는다. 따라서 도 1과 같이 각 이중편파 안테나의 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산할 필요가 없다.
송신편파 형성부(1561'~156N')는 각각 제어부(140)로부터 전달 받은 편파 정보를 토대로 하나의 수평 성분 가중치와 하나의 수직 성분 가중치를 계산하고, 복수의 송신신호 처리부(1521~152N)로부터 통신 신호 처리된 신호에 각각 수평 성분 가중치와 수직성분 가중치를 곱하여 복수의 수직편파 신호와 복수의 수평편파 신호를 생성하고, 복수의 수직편파 신호와 복수의 수평편파 신호를 각각 복수의 송신빔 형성부(1541'~154N')로 전달한다. 이때 수평 성분 가중치와 수직성분 가중치는 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00005
복수의 송신빔 형성부(1541'~154N')는 각각 대응하는 송신편파 형성부(1561'~156N')로부터 전달받은 수직편파 신호와 수평편파 신호를 각각 수학식 1에 도시된 조향벡터를 이용하여 빔형성하고, 빔형성된 수직편파 신호와 수평편파 신호를 대응하는 결합부(1601~160M)로 전달한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 편파 빔형성 통신 장치를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 이중편파 안테나 어레이를 나타낸 도면이며, 도 8은 도 7에 도시된 결합부를 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 편파 빔형성 통신 장치(600)는 평면 이중편파 안테나 어레이(610), 수신부(620), 추정부(630), 제어부(640), 복수의 스트림 처리부(6501~650N) 및 결합부(660)를 포함한다. 복수의 스트림 처리부(6501~650N)는 각각 복수의 송신편파 처리부(6511~651N), 복수의 수평 성분 DAC(6521~652N), 복수의 수직 성분 DAC(6531~653N), 복수의 수평 성분 송신빔 형성부(6541~654N) 및 복수의 수직 성분 송신빔 형성부(6551~655N)를 포함한다. 이때 N은 통신 장치(100)에서 전송할 수 있는 최대 송신 스트림의 개수이다.
도 7을 보면, 평면 이중편파 안테나 어레이(610)는 PㅧQ 안테나 어레이를 포함할 수 있다. 평면 이중편파 안테나 어레이(610)는 방위각 방향으로 소정의 간격으로 배열되어 있는 각 행의 Q개의 이중편파 안테나와 앙각 방향으로 소정의 간격으로 배열되어 있는 각 열의 P개의 이중편파 안테나를 포함할 수 있다.
수신부(620)는 평면 이중편파 안테나 어레이(610)를 통해 각 단말이 전송한 기준 신호를 수신하고, 수신한 기준 신호를 추정부(630)로 전달한다.
추정부(630)는 평면 이중편파 안테나 어레이(610)를 통해 수신된 각 단말의 기준 신호를 이용하여, 각 단말의 방위각, 앙각 및 편파를 추정한다.
제어부(640)는 각 단말의 방위각, 앙각 및 편파에 기반하여 송신할 스트림을 결정하고, 각 스트림에 대응하는 방위각, 앙각 및 편파 정보를 각 스트림 처리부(6501~650N)로 전달한다.
설명의 편의를 위해서, 복수의 스트림 처리부(6501~650N) 중에서 하나의 스트림 처리부(6501)에 대해서 설명하며, 나머지 스트림 처리부(6502~650N)는 하나의 스트림 처리부(6501)와 동일 또는 유사한 기능을 수행할 수 있다.
스트림 처리부(6501)의 송신편파 처리부(6511)는 도 1에서의 송신 신호 처리부(1521) 및 송신편파 형성부(1561)의 기능을 수행한다. 또한 송신편파 처리부(6511)는 도 1에서의 OFDMA 변조부의 기능을 수행할 수도 있다. 즉, 송신편파 처리부(6511)는 송신할 스트림에 대한 일련의 신호처리를 수행하고, 송신할 스트림에 대응하는 방위각, 앙각 및 편파 정보를 토대로 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산한다. 또한 송신편파 처리부(6511)는 신호 처리된 신호에 각각 수평 성분 가중치와 수직성분 가중치를 곱하여 수평편파 신호(H)와 수직편파 신호(V)를 생성하고, 수평편파 신호(H)와 수직편파 신호(V)를 각각 수평 성분 DAC(6521)와 수직 성분 DAC(6531)로 출력한다.
수평 성분 DAC(6521)는 수평편파 신호(H)를 디지털 신호에서 아날로그 신호로 변환하여 수평 성분 송신빔 형성부(6541)로 출력한다.
수직 성분 DAC(6531)는 수직편파 신호(V)를 디지털 신호에서 아날로그 신호로 변환하여 수직 성분 송신빔 형성부(6551)로 출력한다.
수평 성분 DAC(6521) 및 수직 성분 DAC(6531)에 의해 변환된 아날로그 신호는 각각 전력 증폭되어 수평 성분 송신빔 형성부(6541) 및 수직 성분 송신빔 형성부(6551)로 전달될 수 있다.
수평 성분 송신빔 형성부(6541)는 제어부(140)로부터 전달 받은 방위각과 앙각을 기반으로 복수의 이중편파 안테나에 대한 가중치를 각각 포함하는 조향벡터를 생성하고, 조향벡터를 이용하여 아날로그 신호로 변환된 수평편파 신호를 빔형성하며, 빔형성된 수평편파 신호를 결합부(660)로 전달한다.
수직 성분 송신빔 형성부(6551)는 제어부(140)로부터 전달 받은 방위각과 앙각을 기반으로 복수의 이중편파 안테나에 대한 가중치를 각각 포함하는 조향벡터를 생성하고, 조향벡터를 이용하여 아날로그 신호로 변환된 수직편파 신호를 빔형성하며, 빔형성된 수직편파 신호를 결합부(660)로 로 전달한다.
수평 성분 송신빔 형성부(6541) 및 수직 성분 송신빔 형성부(6551)는 각각 방위각에 해당하는 조향 벡터를 수학식 1과 같이 생성하고, 이와 유사한 방법으로 앙각에 해당하는 조향 벡터를 생성할 수 있다. 방위각에 해당하는 조향 벡터는 평면 이중편파 안테나 어레이(610)에서 각 행에 적용되고, 생성된 앙각에 해당하는 조향 벡터는 평면 이중편파 안테나 어레이(610)에서 각 열에 적용될 수 있다.
이때 하나의 빔 형성부에서 수평 성분 송신빔 형성부(6541)와 수직 성분 송신빔 형성부(6551)의 기능을 모두 수행할 수 있다.
결합부(660)는 도 1에서 설명한 결합부(1601~160M)의 기능을 수행한다.
도 8을 참고하면, 결합부(660)는 각 이중편파 안테나에 대응하는 수평성분 결합부(662)와 수직성분 결합부(664)를 포함한다. 수평성분 결합부(662)는 송신할 각 스트림에서 대응하는 이중편파 안테나에 대한 수평성분 신호를 결합하고, 결합된 수평성분 신호를 대응하는 이중편파 안테나로 전달한다. 수직성분 결합부(664)는 송신할 각 스트림에서 대응하는 이중편파 안테나에 대한 수직성분 신호를 결합하고, 결합된 수직성분 신호를 대응하는 이중편파 안테나로 전달한다.
평면 이중편파 안테나 어레이(610)의 복수의 이중편파 안테나(6121~612L)는 수평성분 결합부(662)와 수직성분 결합부(664)로부터 전달된 수평성분 신호와 수직성분 신호를 송신한다.
도 9는 도 6에 도시된 편파 빔형성 통신 장치의 통신 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9를 참고하면, 수신부(620)는 평면 이중편파 안테나 어레이(610)를 통해 각 단말이 전송한 기준신호를 수신한다(S910).
추정부(630)는 평면 이중편파 안테나 어레이(610)를 통해 수신된 각 단말의 기준신호를 이용하여 각 단말의 방위각, 앙각 및 편파를 추정한다(S920).
제어부(640)는 추정된 각 단말의 방위각, 앙각 및 편파에 기반하여 각 단말로 송신할 스트림을 결정하고(S930), 송신할 스트림별 방위각, 앙각 및 편파 정보를 대응하는 스트림 처리부로 전달한다.
복수의 스트림 처리부(6501~650N) 중 송신할 스트림에 각각 해당하는 스트림 처리부는 송신할 스트림에 대응하는 방위각, 앙각 및 편파 정보를 토대로 수평편파 신호(H)와 수직편파 신호(V)를 생성하고(S940), 수평편파 신호(H)와 수직편파 신호(V)를 각각 아날로그 신호로 변환한다. 또한 송신할 스트림에 각각 해당하는 스트림 처리부는 송신할 스트림에 대응하는 방위각 및 앙각을 기반으로 복수의 이중편파 안테나에 대한 조향벡터를 생성하고(S950), 조향벡터를 이용하여 수평편파 신호(H)와 수직편파 신호(V)를 각각 빔형성한다(S960).
결합부(660)는 대응하는 이중편파 안테나에 대한 빔 형성된 수평성분 신호를 결합하고, 대응하는 이중편파 안테나에 대한 빔 형성된 수직성분 신호를 결합한다(S970).
각 이중편파 안테나에 대한 수평성분 신호와 수직성분 신호는 각 이중편파 안테나를 통해 송출된다(S980).
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (17)

  1. 평면 이중편파 안테나 어레이를 포함하는 기지국의 편파 빔형성 통신 방법으로서,
    상기 평면 이중편파 안테나 어레이의 복수의 이중편파 안테나를 통해 수신된 각 단말의 기준 신호를 이용하여 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 추정하는 단계,
    상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파에 기반하여 송신할 스트림을 결정하는 단계, 그리고
    상기 각 단말로 송신할 스트림을 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 이용하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 각각 대응하여 형성되는 편파 매칭된 빔을 통해 전송하는 단계
    를 포함하는 편파 빔형성 통신 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 전송하는 단계는
    상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 이용하여 상기 각 단말로 송신할 스트림으로부터 수평편파 신호와 수직편파 신호를 생성하는 단계,
    상기 각 단말에 대한 방위각 및 앙각을 이용하여 상기 각 단말로 송신할 스트림에 대응하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 대한 조향벡터를 생성하는 단계, 그리고
    상기 각 단말에 해당하는 조향벡터를 이용하여 각 단말에 해당하는 수평편파 신호와 수직편파 신호를 빔형성하는 단계
    를 포함하는 편파 빔형성 통신 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 수평편파 신호와 수직편파 신호를 생성하는 단계는
    상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 이용하여 각 단말에 대한 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산하는 단계, 그리고
    상기 각 단말로 송신할 스트림에 대응하는 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 각각 곱하여 상기 각 단말로 송신할 수평성분 신호와 수직성분 신호를 생성하는 단계를 포함하는 편파 빔형성 통신 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 전송하는 단계는
    각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수평편파 신호를 결합하는 단계,
    각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수직편파 신호를 결합하는 단계, 그리고
    결합된 수평편파 신호와 결합된 수직편파 신호를 해당하는 이중편파 안테나를 통해 전송하는 단계를 더 포함하는 편파 빔형성 통신 방법.
  5. 제2항에서,
    상기 조향벡터를 생성하는 단계는
    상기 방위각을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 행에 적용할 조향벡터를 생성하는 단계, 그리고
    상기 앙각을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 열에 적용할 조향벡터를 생성하는 단계를 포함하는 편파 빔형성 통신 방법.
  6. 제2항에서,
    상기 수평편파 신호와 수직편파 신호를 생성하는 단계는
    상기 편파의 수평성분을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 이중편파 안테나의 수평성분 가중치를 생성하는 단계, 그리고
    상기 편파의 수직 성분을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 이중편파 안테나의 수직성분 가중치를 생성하는 단계를 포함하는 편파 빔형성 통신 방법.
  7. 복수의 이중편파 안테나를 포함하는 기지국의 편파 빔형성 통신 방법으로서,
    상기 복수의 이중편파 안테나를 통해 수신된 각 단말의 기준 신호를 이용하여 상기 각 단말에 대한 방위각 및 편파를 추정하는 단계,
    상기 각 단말에 대한 방위각 및 편파에 기반하여 각 단말로 송신할 스트림을 결정하는 단계, 그리고
    상기 각 단말로 송신할 스트림을 상기 각 단말에 대한 방위각 및 편파를 이용하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 각각 대응하여 형성되는 편파 매칭된 빔을 통해 전송하는 단계
    를 포함하는 편파 빔형성 통신 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 전송하는 단계는
    상기 각 단말에 대한 방위각을 이용하여 상기 각 단말로 송신할 스트림에 대응하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 대한 조향벡터를 생성하는 단계,
    상기 각 단말로 송신할 스트림을 대응하는 조향벡터를 이용하여 빔형성하는 단계,
    상기 각 단말에 대한 방위각과 상기 편파를 이용하여 상기 각 단말에 대응하여 각 이중편파 안테나에 대한 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산하는 단계, 그리고
    빔형성된 각 단말의 스트림에 대응하는 각 이중편파 안테나에 대한 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 이용하여 각 이중편파 안테나에 대한 수평성분 신호와 수직 성분 신호를 생성하는 단계를 포함하는 편파 빔형성 통신 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 전송하는 단계는
    각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 수평편파 신호를 결합하는 단계,
    각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 수직편파 신호를 결합하는 단계, 그리고
    결합된 수평편파 신호와 결합된 수직편파 신호를 해당하는 이중편파 안테나를 통해 전송하는 단계를 더 포함하는 편파 빔형성 통신 방법.
  10. 제7항에서,
    상기 전송하는 단계는
    상기 각 단말에 대한 방위각 및 편파를 이용하여 상기 각 단말로 송신할 스트림에 대응하여 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산하는 단계,
    상기 각 단말로 송신할 스트림으로부터 해당하는 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 이용하여 각 단말에 대한 수평편파 신호와 수직편파 신호를 생성하는 단계,
    상기 각 단말에 대한 방위각을 이용하여 상기 각 단말에 대응하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 대한 조향벡터를 생성하는 단계, 그리고
    상기 각 단말에 해당하는 조향벡터를 이용하여 각 단말에 해당하는 수평편파 신호와 수직편파 신호를 빔형성하는 단계
    를 포함하는 편파 빔형성 통신 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 전송하는 단계는
    각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 수평편파 신호를 결합하는 단계,
    각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 수직편파 신호를 결합하는 단계, 그리고
    결합된 수평편파 신호와 결합된 수직편파 신호를 해당하는 이중편파 안테나를 통해 전송하는 단계를 더 포함하는 편파 빔형성 통신 방법.
  12. 기지국의 편파 빔형성 통신 장치로서,
    복수의 이중편파 안테나를 포함하는 평면 이중편파 안테나 어레이,
    상기 평면 이중편파 안테나 어레이를 통해 각 단말로부터 수신된 기준신호로부터 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 추정하는 추정부,
    상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파에 기반하여 송신할 스트림을 결정하는 제어부,
    상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 이용하여 상기 각 단말로 송신할 스트림으로부터 수평편파 신호와 수직편파 신호를 생성하는 송신편파 처리부,
    상기 각 단말에 대한 방위각 및 앙각을 이용하여 상기 각 단말로 송신할 수평편파 신호와 수직편파 신호를 각각 상기 복수의 이중편파 안테나에 대응하여 빔형성하는 송신빔 형성부, 그리고
    각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수평편파 신호와 각 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수직편파 신호를 해당하는 이중편파 안테나로 전달하는 결합부
    를 포함하는 편파 빔 형성 통신 장치.
  13. 제12항에서,
    상기 송신빔 형성부는 상기 각 단말에 대한 방위각 및 앙각을 이용하여 상기 각 단말에 대응하여 상기 복수의 이중편파 안테나에 대한 조향벡터를 생성하고, 상기 각 단말로 송신할 수직편파 신호와 수평편파 신호를 각각 대응하는 조향벡터를 이용하여 빔형성하는 편파 빔 형성 통신 장치.
  14. 제12항에서,
    상기 송신편파 처리부는 상기 각 단말에 대한 방위각, 앙각 및 편파를 이용하여 각 단말에 대한 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 계산하고, 상기 각 단말로 송신할 스트림에 대응하는 수평 성분 가중치와 수직 성분 가중치를 각각 곱하여 상기 각 단말로 송신할 수평성분 신호와 수직성분 신호를 생성하는 편파 빔 형성 통신 장치.
  15. 제12항에서,
    상기 결합부는
    각 이중편파 안테나에 대응하는 수평성분 결합부, 그리고
    상기 각 이중편파 안테나에 대응하는 수직성분 결합부를 포함하고,
    상기 수평성분 결합부는 대응하는 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수평성분 신호를 결합하고,
    상기 수직성분 결합부는 대응하는 이중편파 안테나에 대한 각 단말의 빔 형성된 수직성분 신호를 결합하는 편파 빔 형성 통신 장치.
  16. 제12항에서,
    상기 송신빔 형성부는 상기 방위각을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 행에 적용할 조향벡터를 생성하고, 상기 앙각을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 열에 적용할 조향벡터를 생성하는 편파 빔 형성 통신 장치.
  17. 제12항에서,
    상기 송신편파 처리부는 상기 편파의 수평 및 수직성분을 이용하여 상기 평면 이중편파 안테나 어레이에서 각 이중편파 안테나의 수평성분 가중치 및 수직 성분 가중치를 생성하고, 상기 각 단말로 송신할 스트림에 상기 수평성분 가중치 및 수직 성분 가중치를 각각 적용하여 상기 수평편파 신호와 상기 수직편파 신호를 생성하는 편파 빔 형성 통신 장치.
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