KR20190118792A - 무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 빔을 제어하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 빔을 제어하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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허진수
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Abstract

본 개시(disclosure)는 LTE(Long Term Evolution)와 같은 4G(4th generation) 통신 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G(5th generation) 또는 pre-5G 통신 시스템에 관련된 것이다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치는 안테나 어레이와(antenna array), 복수의 빔들을 형성하기 위한 위상 패턴을 적용함으로써 상기 안테나 어레이에 의해 빔포밍을 수행하는 통신부와, 상기 복수의 빔들을 이용하여 입사된 신호들 각각의 위상을 조절하여, 출력 신호를 방사하는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 위상 패턴에 대응하는 유닛 셀들(unit cells)을 포함할 수 있다.

Description

무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 빔을 제어하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING BY USING LENS IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 개시(disclosure)는 일반적으로 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 빔을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
4G(4th generation) 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G(5th generation) 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후(Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE(Long Term Evolution) 시스템 이후(Post LTE) 시스템이라 불리어지고 있다.
높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역(예를 들어, 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO, FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나(large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다.
또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀(advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud radio access network, cloud RAN), 초고밀도 네트워크(ultra-dense network), 기기 간 통신(Device to Device communication, D2D), 무선 백홀(wireless backhaul), 이동 네트워크(moving network), 협력 통신(cooperative communication), CoMP(Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거(interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다.
이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation, ACM) 방식인 FQAM(Hybrid Frequency Shift Keying and Quadrature Amplitude Modulation) 및 SWSC(Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(Non Orthogonal Multiple Access), 및 SCMA(Sparse Code Multiple Access) 등이 개발되고 있다.
5G 시스템에서, 경로 손실을 극복하기 위해 빔포밍 기술이 사용될 수 있다. 이때, 빔의 이득을 보다 강화하기(enhance) 위해 다양한 기술들이 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 렌즈(lens)를 이용한 이득 증폭기 고려될 수 있다. 이때, 렌즈의 설치를 위한 공간, 렌즈에 의한 빔 이득 향상 등을 고려하여, 보다 효과적인 렌즈의 활용이 필요하다.
상술한 바와 같은 논의를 바탕으로, 본 개시(disclosure)는, 무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 빔포밍 이득을 제어하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 안테나 및 렌즈 사이의 거리를 줄이기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치는 안테나 어레이와(antenna array), 복수의 빔들을 형성하기 위한 위상 패턴을 적용함으로써 상기 안테나 어레이에 의해 빔포밍을 수행하는 통신부와, 상기 복수의 빔들을 이용하여 입사된 신호들 각각의 위상을 조절하여, 출력 신호를 방사하는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 위상 패턴에 대응하는 유닛 셀들(unit cells)을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치의 동작 방법은, 안테나 어레이를 이용하여, 복수의 빔들을 형성하기 위한 위상 패턴을 적용함으로써 빔포밍을 수행하는 과정과, 상기 복수의 빔들을 이용하여 상기 렌즈에 입사된 신호들 각각의 위상을 조절하여, 출력 신호를 방사하는 과정을 포함하고, 상기 렌즈는 상기 위상 패턴에 대응하는 유닛 셀들(unit cells)을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은, 렌즈에 빔이 투영되는 면적을 증가시킴으로써, 신호의 이득을 증가시킬 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은, 안테나 및 렌즈 사이의 거리를 줄임으로써, 렌즈를 포함하는 빔포밍 장치의 소형화가 가능하게 한다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치의 구성을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 통신부의 구성을 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 렌즈를 통한 신호 이득의 향상을 도시한다.
도 5a 내지 5c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나와 렌즈 간 거리에 따른 신호 이득의 향상의 원리를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍에 따른 렌즈 상의 투영 영역의 면적을 도시한다.
도 7은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 신호를 방사하기 위한 빔포밍 장치의 흐름도를 도시한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 듀얼-빔을 통한 렌즈 상의 투영 영역의 면적 및 이득의 예들을 도시한다.
도 9a 내지 도 9b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 쿼드-빔을 통한 렌즈 상의 투영 영역의 면적 및 이득의 예들을 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 형상에 따른 렌즈의 투영 형태의 예들을 도시한다.
도 11은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 멀티-빔포밍 기반 렌즈의 설계를 위한 유닛 셀의 예를 도시한다.
도 12a 내지 도 12c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 멀티-빔포밍 기반 렌즈의 설계의 예들을 도시한다.
본 개시에서 사용되는 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 개시에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 개시에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 개시에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 개시에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하에서 설명되는 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어적인 접근 방법을 예시로서 설명한다. 하지만, 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어와 소프트웨어를 모두 사용하는 기술을 포함하고 있으므로, 본 개시의 다양한 실시 예들이 소프트웨어 기반의 접근 방법을 제외하는 것은 아니다.
이하 본 개시는 무선 통신 시스템에서 렌즈를 통해 빔포밍을 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 무선 통신 시스템에서 안테나 어레이에서 형성되는 빔이 렌즈에 투영되는 영역을 높임으로써, 빔포밍 이득을 증가시키기 위한 기술을 설명한다.
이하 설명에서 사용되는 신호를 지칭하는 용어(심볼, 스트림, 데이터, 빔포밍 신호), 빔과 관련된 용어(멀티-빔, 복수의 빔들, 싱글 빔, 듀얼 빔, 쿼드-빔, 빔포밍), 네트워크 객체(network entity)들을 지칭하는 용어, 장치의 구성 요소를 지칭하는 용어(안테나 어레이(antenna array), 안테나 요소(antenna element), 통신부, 안테나) 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 개시가 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어가 사용될 수 있다.
또한, 본 개시는, 일부 통신 규격(예: 3GPP(3rd Generation Partnership Project))에서 사용되는 용어들을 이용하여 다양한 실시 예들을 설명하지만, 이는 설명을 위한 예시일 뿐이다. 본 개시의 다양한 실시 예들은, 다른 통신 시스템에서도, 용이하게 변형되어 적용될 수 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다. 도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다. 도 1은 무선 통신 시스템에서 무선 채널을 이용하는 노드(node)들의 일부로서, 기지국 110-1, 기지국 110-2, 단말 120을 예시한다. 도 1은 2개의 기지국들을 도시하나, 기지국 110-1, 기지국 110-2과 동일 또는 유사한 다른 기지국이 더 포함될 수 있다. 또한, 도 1은 1개의 단말만을 도시하나, 단말 120과 동일 또는 유사한 다른 단말이 더 포함될 수 있다.
기지국 110-1 및 기지국 110-2는 단말 120에게 무선 접속을 제공하는 네트워크 인프라스트럭쳐(infrastructure)이다. 기지국 110-1 및 기지국 110-2는 신호를 송신할 수 있는 거리에 기초하여 일정한 지리적 영역으로 정의되는 커버리지(coverage)를 가진다. 기지국 110-1 및 기지국 110-2 각각은 기지국(base station) 외에 '액세스 포인트(access point, AP)', '이노드비(eNodeB, eNB)', '5G 노드(5th generation node)', '무선 포인트(wireless point)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)' 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다.
단말 120은 사용자에 의해 사용되는 장치로서, 기지국 110-1, 기지국 110-2과 무선 채널을 통해 통신을 수행한다. 단말 120은 이동성(mobility)를 가지거나, 또는 고정된(fixed) 장치일 수 있다. 경우에 따라, 단말 120은 사용자의 관여 없이 운영될 수 있다. 예를 들어, 단말 120은 기계 타입 통신(machine type communication, MTC)을 수행하는 장치로서, 사용자에 의해 휴대되지 아니할 수 있다. 단말 120은 단말(terminal) 외 '사용자 장비(user equipment, UE)', '이동국(mobile station)', '가입자국(subscriber station)', '원격 단말(remote terminal)', '무선 단말(wireless terminal)', '전자 장치(electronic device)', '사용자 장치(user device)', '고객 댁내 장치 (customer premise equipment, CPE)' 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다.
기지국 110-1, 기지국 110-2, 단말 120은 밀리미터 파(mmWave) 대역(예: 28GHz, 30GHz, 38GHz, 60GHz)에서 무선 신호를 송신 및 수신할 수 있다. 이때, 채널 이득의 향상을 위해, 기지국 110-1, 기지국 110-2, 단말 120은 빔포밍(beamforming)을 수행할 수 있다. 여기서, 빔포밍은 송신 빔포밍 및 수신 빔포밍을 포함할 수 있다. 즉, 기지국 110-1, 기지국 110-2, 단말 120은 송신 신호 또는 수신 신호에 방향성(directivity)을 부여할 수 있다. 이를 위해, 기지국 110-1, 기지국 110-2 및 단말 120은 빔 탐색(beam search) 또는 빔 관리(beam management) 절차를 통해 서빙(serving) 빔들 112, 113, 121, 131을 선택할 수 있다. 서빙 빔들 112, 113, 121, 131이 선택된 후, 이후 통신은 서빙 빔들 112, 113, 121, 131을 송신한 자원과 QCL(quasi co-located) 관계에 있는 자원을 통해 수행될 수 있다.
제1 안테나 포트 상의 심볼을 전달한 채널의 광범위한(large-scale) 특성들이 제2 안테나 포트 상의 심볼을 전달한 채널로부터 추정될(inferred) 수 있다면, 제1 안테나 포트 및 제2 안테나 포트는 QCL 관계에 있다고 평가될 수 있다. 예를 들어, 광범위한 특성들은 지연 스프레드(delay spread), 도플러 스프레드(doppler spread), 도플러 쉬프트(doppler shift), 평균 이득(average gain), 평균 지연(average delay), 공간적 수신 파라미터(spatial receiver parameter) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치의 구성을 도시한다. 도 2에 예시된 구성은 단말 120의 구성으로서 이해될 수 있다. 이하 사용되는 '?부', '?기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2을 참고하면, 빔포밍 장치는 안테나 어레이 220, 통신부 210, 렌즈 230, 저장부 240, 제어부 250를 포함한다.
통신부 210은 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능들을 수행한다. 예를 들어, 통신부 210은 시스템의 물리 계층 규격에 따라 기저대역 신호 및 비트열 간 변환 기능을 수행한다. 예를 들어, 데이터 송신 시, 통신부 210은 송신 비트열을 부호화 및 변조함으로써 복소 심벌들을 생성한다. 또한, 데이터 수신 시, 통신부 210은 기저대역 신호를 복조 및 복호화를 통해 수신 비트열을 복원한다. 또한, 통신부 210은 기저대역 신호를 RF 대역 신호로 상향변환한 후 안테나를 통해 송신하고, 안테나를 통해 수신되는 RF 대역 신호를 기저대역 신호로 하향변환한다. 예를 들어, 통신부 210은 송신 필터, 수신 필터, 증폭기, 믹서, 오실레이터, DAC, ADC 등을 포함할 수 있다.
또한, 통신부 210은 다수의 송수신 경로(path)들을 포함할 수 있다. 하드웨어의 측면에서, 통신부 210은 디지털 회로 및 아날로그 회로(예: RFIC(radio frequency integrated circuit))로 구성될 수 있다. 여기서, 디지털 회로 및 아날로그 회로는 하나의 패키지로 구현될 수 있다. 또한, 통신부 210은 다수의 RF 체인들을 포함할 수 있다. 나아가, 통신부 210은 빔포밍을 수행할 수 있다.
통신부 210은 상술한 바와 같이 신호를 송신 및 수신한다. 이에 따라, 통신부 210의 전부 또는 일부는 '송신부', '수신부' 또는 '송수신부'로 지칭될 수 있다. 또한, 이하 설명에서 무선 채널을 통해 수행되는 송신 및 수신은 통신부 210에 의해 상술한 바와 같은 처리가 수행되는 것을 포함하는 의미로 사용된다.
안테나 어레이 220은 통신부 210에 의해 생성된 신호를 방사하거나, 외부로부터 전송되는 신호를 수신한다. 안테나 어레이 220은 다수의 안테나 요소(antenna element)들을 포함할 수 있다. 다수의 안테나 요소들을 통해 송신되는 신호들의 위상 값들에 의해 신호의 방향성이 부여될 수 있다. 즉, 안테나 어레이 220은, 위상 값들을 통해 빔포밍을 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 안테나 어레이 220에서 송신되는 신호들은, 복수의 방향들에 대응하는 복수의 빔들을 통해 방사될 수 있다.
렌즈 230은 안테나 어레이 220에서 방사된 신호 또는 외부로부터 전송되는 신호의 이득을 조절하기 위한 구성 요소이다. 예를 들어, 렌즈 230은 신호가 통과함에 따라 이득이 조절되는 수동 소자(passive element)일 수 있다. 또한, 예를 들어, 렌즈 230은 신호에 따라, 적응적으로 이득을 조절하기 위한 능동 소자(active element)일 수 있다.
렌즈 230은 복수 개의 유닛 셀들(unit cells, UCs)로 구성될 수 있다. 구체적으로, 렌즈 230은 복수의 유닛 셀들을 포함할 수 있으며, 복수의 유닛 셀들 각각은 고유의 유전율(dielectric rate) 또는 고유의 형상을 가질 수 있다. 여기서, 각 유닛 셀의 유전율은 유닛 셀을 구성하는 물질(예: 유전체)의 종류, 유닛 셀에 포함되는 물질(예: 도체)의 형상 및 크기에 따라 결정될 수 있다. 유닛 셀의 유전 율에 따라, 유닛 셀에 입사된 빔의 성분(예: 전파 성분)의 위상을 보상하기 위한 값이 달라질 수 있다. 등가 회로의 관점에서, 각 유닛 셀은 적어도 하나의 커패시터(capacitor) 또는 적어도 하나의 인덕터(inductor)를 포함하는 회로로 해석될 수 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 렌즈 230은 다수의 층들로 구성될 수 있다. 또한, 렌즈 230은 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 렌즈 230은 평평한(flat) 구조, 즉 평면일 수 있고, 원형의 평면일 수 있고, 분할된 원형의 평면일 수 있다. 다른 예로, 렌즈 230은 사각형의 형태일 수 있고, 팔각형의 형태일 수 있다.
저장부 240은 빔포밍 장치의 동작을 위한 기본 프로그램, 응용 프로그램, 설정 정보 등의 데이터를 저장한다. 저장부 240은 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리 또는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리의 조합으로 구성될 수 있다. 그리고, 저장부 240은 제어부 250의 요청에 따라 저장된 데이터를 제공한다. 다양한 실시 예들에 따라, 저장부 240은, 렌즈를 이용하여 빔을 제어하기 위한 위상 프로파일(phase profile)(예: 위상 패턴(phase pattern))을 저장할 수 있다.
제어부 250은 빔포밍 장치의 전반적인 동작들을 제어한다. 예를 들어, 제어부 250은 통신부 210를 통해 신호를 송신 및 수신한다. 또한, 제어부 250은 저장부 240에 데이터를 기록하고, 읽는다. 그리고, 제어부 250은 통신 규격에서 요구하는 프로토톨 스택의 기능들을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제어부 250은 적어도 하나의 프로세서 또는 마이크로(micro) 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부일 수 있다. 또한, 통신부 210의 일부 및 제어부 250은 CP(communication processor)라 지칭될 수 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 제어부 250은 복수의 빔들(이하, 멀티-빔)을 형성(이하, 멀티-빔포밍)하기 위한 위상 패턴(phase pattern)을 적용하여 빔포밍을 수행하도록 통신부 210을 제어할 수 있다. 여기서, 멀티-빔은 빔포밍시 형성되는 빔의 형상이 단일 방향을 가리키는 단일 빔(single beam)이 아니라 복수의 방향들을 가리키는 복수의 빔들을 의미한다. 예를 들어, 제어부 250은 빔포밍 장치가 후술하는 다양한 실시 예들에 따른 동작들을 수행하도록 제어할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 통신부의 구성을 도시한다. 도 3a 내지 3c는 도 2의 통신부 210의 상세한 구성에 대한 예를 도시한다. 구체적으로, 도 3a 내지 3c는 도 2의 통신부 210의 일부로서, 빔포밍을 수행하기 위한 구성요소들을 예시한다.
도 3a를 참고하면, 통신부 210은 부호화 및 변조부 302, 디지털 빔포밍부 304, 다수의 송신 경로들 306-1 내지 306-N, 아날로그 빔포밍부 308를 포함한다.
부호화 및 변조부 302는 채널 인코딩을 수행한다. 채널 인코딩을 위해, LDPC(low density parity check) 코드, 컨볼루션(convoluation) 코드, 폴라(polar) 코드 중 적어도 하나가 사용될 수 있다. 부호화 및 변조부 302는 성상도 맵핑(contellation mapping)을 수행함으로써 변조 심벌들을 생성한다.
디지털 빔포밍부 304은 디지털 신호(예: 변조 심벌들)에 대한 빔포밍을 수행한다. 이를 위해, 디지털 빔포밍부 304은 변조 심벌들에 빔포밍 가중치들을 곱한다. 여기서, 빔포밍 가중치들은 신호의 크기 및 위상을 변경하기 위해 사용되며, '프리코딩 행렬(precoding matrix)', '프리코더(precoder)' 등으로 지칭될 수 있다. 디지털 빔포밍부 304는 다수의 송신 경로들 306-1 내지 306-N로 디지털 빔포밍된 변조 심벌들을 출력한다. 이때, MIMO(multiple input multiple output) 전송 기법에 따라, 변조 심벌들은 다중화되거나, 다수의 송신 경로들 306-1 내지 306-N로 동일한 변조 심벌들이 제공될 수 있다.
다수의 송신 경로들 306-1 내지 306-N은 디지털 빔포밍된 디지털 신호들을 아날로그 신호로 변환한다. 이를 위해, 다수의 송신 경로들 306-1 내지 306-N 각각은 IFFT(inverse fast fourier transform) 연산부, CP(cyclic prefix) 삽입부, DAC, 상향 변환부를 포함할 수 있다. CP 삽입부는 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 방식을 위한 것으로, 다른 물리 계층 방식(예: FBMC(filter bank multi-carrier))이 적용되는 경우 제외될 수 있다. 즉, 다수의 송신 경로들 306-1 내지 306-N은 디지털 빔포밍을 통해 생성된 다수의 스트림(stream)들에 대하여 독립된 신호처리 프로세스를 제공한다. 단, 구현 방식에 따라, 다수의 송신 경로들 306-1 내지 306-N의 구성요소들 중 일부는 공용으로 사용될 수 있다.
아날로그 빔포밍부 308는 아날로그 신호에 대한 빔포밍을 수행한다. 이를 위해, 디지털 빔포밍부 304은 아날로그 신호들에 빔포밍 가중치들을 곱한다. 여기서, 빔포밍 가중치들은 신호의 크기 및 위상을 변경하기 위해 사용된다. 구체적으로, 다수의 송신 경로들 306-1 내지 306-N 및 안테나들 간 연결 구조에 따라, 아날로그 빔포밍부 308는 도 3b 또는 도 3c와 같이 구성될 수 있다.
도 3b를 참고하면, 아날로그 빔포밍부 308로 입력된 신호들은 위상/크기 변환, 증폭의 연산을 거쳐, 안테나들을 통해 송신된다. 이때, 각 경로의 신호는 서로 다른 안테나 집합들 즉, 안테나 어레이들을 통해 송신된다. 첫번째 경로를 통해 입력된 신호의 처리를 살펴보면, 신호는 위상/크기 변환부들 312-1-1 내지 312-1-M에 의해 서로 다른 또는 동일한 위상/크기를 가지는 신호열로 변환되고, 증폭기들 314-1-1 내지 314-1-M에 의해 증폭된 후, 안테나들을 통해 송신된다.
도 3c를 참고하면, 아날로그 빔포밍부 308로 입력된 신호들은 위상/크기 변환, 증폭의 연산을 거쳐, 안테나들을 통해 송신된다. 이때, 각 경로의 신호는 동일한 안테나 집합, 즉, 안테나 어레이를 통해 송신된다. 첫번째 경로를 통해 입력된 신호의 처리를 살펴보면, 신호는 위상/크기 변환부들 312-1-1 내지 312-1-M에 의해 서로 다른 또는 동일한 위상/크기를 가지는 신호열로 변환되고, 증폭기들 314-1-1 내지 314-1-M에 의해 증폭된다. 그리고, 하나의 안테나 어레이를 통해 송신되도록, 증폭된 신호들은 안테나 요소를 기준으로 합산부들 316-1-1 내지 316-1-M에 의해 합산된 후, 안테나들을 통해 송신된다.
도 3b 및 도 3c에 도시된 위상/크기 변환부들 312-1-1 내지 312-1-M에 의해 변환되는 위상/크기 값들은 빔의 방향성을 조절하기 위한 위상/크기 값들 및 다수의 빔들(즉, 멀티-빔)을 형성하기 위한 위상/크기 값들을 포함할 수 있다. 다수의 빔들을 형성하기 위한 위상/크기 값들이란, 형성되는 빔들의 형태에 위상이 상쇄되는 음영 지역을 발생시킴으로써, 공간적으로 구분되는 방향들을 제공하는 빔포밍을 위한 위상/크기 값들을 의미한다. 이 때, 형성되는 빔들의 개수는 이득을 제어하기 위해 조절될 수 있으며, 예를 들어, 채널에 기반하여 조절되거나, 또는 렌즈에 의한 이득 향상 효과를 증대시키기 위해 조절될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 렌즈에 의한 이득 향상 효과의 증대를 위해 멀티-빔을 형성하기 위한 위상/크기 값들은 위상/크기 변환부들 312-1-1 내지 312-1-M의 기준(reference) 위상/크기 값으로서, 다시 말해, 위상/크기 변환부들 312-1-1 내지 312-1-M의 초기(default) 설정 값으로서 사용될 수 있다.
도 3b는 송신 경로 별 독립적 안테나 어레이가 사용되는 예를, 도 3c 송신 경로들이 하나의 안테나 어레이를 공유하는 예를 나타낸다. 그러나, 다른 실시 예에 따라, 일부 송신 경로들은 독립적 안테나 어레이를 사용하고, 나머지 송신 경로들은 하나의 안테나 어레이를 공유할 수 있다. 나아가, 또 다른 실시 예에 따라, 송신 경로들 및 안테나 어레이들 간 스위치 가능한(switchable) 구조를 적용함으로써, 상황에 따라 적응적으로 변화할 수 있는 구조가 사용될 수 있다.
도 2 및 도 3a 내지 도 3c를 참고하여 설명한 빔포밍 장치(예: 단말 120)의 구성에 따르면, 빔포밍 장치는 렌즈를 이용하여 안테나 어레이에서 방사되는 신호 또는 안테나 어레이로 수신되는 신호의 이득을 향상시킬 수 있다. 유사하게, 기지국(예: 기지국 110-1 또는 기지국 110-2) 역시 적어도 하나의 렌즈를 구비할 수 있다. 나아가, 다양한 실시 예들에 따라, 기지국은 이하 후술되는 구조의 렌즈를 포함할 수 있다. 따라서, 이하 렌즈와 관련된 실시 예들은 이하 설명의 편의를 위해 단말을 기준으로 설명되나, 후술되는 다양한 실시 예들은 기지국뿐만 아니라 빔포밍을 수행하는 임의의 장치에 적용될 수 있다.
렌즈(예: 렌즈 230)를 사용함으로 인해, 신호의 이득이 향상될 수 있다. 렌즈는 공간 상의 EM(electronic magnetic) 웨이브의 위상 프로파일을 동위상으로 변경함으로써, 안테나의 이득을 높일 수 있다. 이하 도 4a 내지 도 4c를 통해, 렌즈에 의한 신호 이득의 증가의 원리를 설명한다. 도 4a 내지 도 4c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 렌즈를 통한 신호 이득의 향상을 도시한다.
도 4a를 참고하면, 안테나 어레이 220에서 방사된 신호는 렌즈 230을 통과한다. 렌즈 230을 통과한 빔 404는 안테나 어레이 220에서 방사된 빔 402 보다 좁은 빔 폭을 가질 수 있다. 빔 404을 형성하기 위한 빔 성분들이 특정 공간 내에 보다 중첩됨으로써, 위상이 증가한다. 렌즈 230에 의한 신호 이득의 향상은 동위상을 구의 표면에서 평면으로 변환함으로써 달성된다. 즉, 방사된 신호의 성분들 각각의 위상은, 렌즈 230의 평면에서 동위상으로 변환될 수 있다. 구체적으로, 안테나 어레이 220에서 생성된 빔은 안테나의 중심, 즉, 빔의 초점(focus)으로부터 방사되므로, 그 초점을 중심으로 하는 구의 표면에서 동위상 면이 형성된다. 이때, 렌즈 230은 유닛 셀들을 이용하여 동위상 면을 평면으로 변환한다.
도 4b와 같이, 렌즈 230의 반경, 렌즈 230 및 안테나 어레이 220 간 간격이 주어진 경우, 렌즈 230의 표면에서 관찰되는 신호의 최대 위상 차이는 이하 <수학식 1>과 같다.
Figure pat00001
<수학식 1>에서, Φmax는 최대 위상 차이, λ는 파장, D는 렌즈의 반경, F는 렌즈 및 안테나 어레이 간 간격을 의미한다.
안테나 어레이 220에서 방사된 빔의 위상 프로파일(phase profile) 변화는 도 4c와 같다. 도 4c에서 그래프 432은 안테나 어레이 220에서 방사된 빔의 평면(예: 렌즈 230의 표면 또는 렌즈 230의 표면과 평행한 평면)에서의 위상 프로파일, 그래프 434는 렌즈 230의 위상 프로파일, 그래프 436는 렌즈 230를 통과한 빔의 인-페이즈(in-phase) 프로파일을 나타낸다. 그래프 432와 같이, 평면의 중심으로부터의 거리 n가 증가할수록, 중심과의 위상 차이가 증가한다. 따라서, 그래프 434와 같이, 그래프 432와 같은 위상 프로파일을 보상하도록, 렌즈 230은 중심으로부터의 거리가 증가할수록, 중심과의 위상 차이가 감소하도록 설계된다. 이에 따라, 렌즈 230를 통과한 빔의 위상 프로파일은, 그래프 436과 같이, 평면에서 동위상 또는 실질적으로 동위상을 가진다.
상술한 바와 같이, 안테나 어레이 220에서 방사된 빔은 렌즈 230를 통과한다. 여기서, 렌즈 230에 포함된 유닛 셀들 중 형성된 빔(또는 빔들)과 접촉하는 유닛 셀들을 포함하는 영역은 렌즈 230의 '투영 영역(illuminated field)'이라 지칭될 수 있다. 투영 영역의 면적은 렌즈 230에 의한 신호 이득 향상 효과에 영향을 줄 수 있다. 투영 영역의 면적과 빔포밍 이득의 향상 효과의 관계가 이하 도 5a 내지 5c 및 도 6a 내지 도 6c를 참고하여 설명된다.
도 5a 내지 도 5c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 안테나와 렌즈 간 거리에 따른 신호 이득의 향상의 원리를 도시한다. 도 5a 내지 도 5c에서는, 빔포밍 장치의 3가지 예들을 통해, 안테나 어레이와 렌즈 간 거리를 고려한 신호 이득의 향상 방안이 서술된다.
도 5a를 참고하면, 제1 예 510에서 빔포밍 장치는 제1 안테나 어레이 511, 제1 렌즈 512를 포함할 수 있다. 빔포밍 장치는 제1 안테나 어레이 511을 통해 신호를 방사한다. 신호는, 일정 각도 범위 내에서 방향성이 부여된 채로 방사된다. 방사된 신호에 의해 제1 렌즈 512에 접촉하는 물리적 영역으로, 제1 투영 영역 513이 형성된다. 제1 안테나 어레이 511과 제1 렌즈 512 간 거리는 D1일 수 있다.
도 5b를 참고하면, 제2 예 520 에서 빔포밍 장치는 제2 안테나 어레이 521, 제2 렌즈 522를 포함할 수 있다. 빔포밍 장치는 제2 안테나 어레이 521을 통해 신호를 방사한다. 신호는, 일정 각도 범위 내에서 방향성이 부여된 채로 방사된다. 방사된 신호에 의해 제2 렌즈 522에 접촉하는 물리적 영역으로, 제2 투영 영역 523이 형성된다. 제2 안테나 어레이 521과 제2 렌즈 522 간 거리는 D2일 수 있다. 이하, D2는 D1보다 작은 상황이 예로 서술된다.
빔포밍 장치의 렌즈에 투영되는 면적, 즉 투영 영역의 넓이는 안테나 어레이와 렌즈 간 거리에 따라 정해진다. 다시 말해, 투영 영역의 넓이는 안테나 어레이 및 렌즈 간 거리에 의존(dependent)한다. 예를 들어, D1은 D2보다 크므로, 제1 렌즈 512 상의 제1 투영 영역 513은 2 렌즈 522 상의 제2 투영 영역 523보다 넓다. 빔포밍 장치에 실장되는 안테나 어레이와 렌즈 간 거리를 고려할 때, 방사가 개시되는 신호가 형성하는 빔은 진행될수록, 폭이 넓어지기 때문이다.
안테나 어레이 및 렌즈 간 거리는 신호 이득의 향상과 관련된다. 빔포밍된 신호가 렌즈에 투영되는 영역(투영 영역), 즉 EM(electromagnetic) 또는 E(electric)-필드의 분포 면적에 의해 렌즈 성능이 결정되기 때문이다. 렌즈 상의 투영 영역이 증가할수록 렌즈에서 이득을 제어하기 위한 신호 성분이 많으므로, 다시 말해, 렌즈 내 위상 변환 가능한 유닛 셀들의 개수가 증가하므로, 빔포밍 이득은 향상될 수 있다. 그러나, 빔포밍 장치의 물리적 크기에 따른 제약으로 인해, 안테나 어레이와 렌즈 간 거리를 요구되는 만큼 확보하는 것이 어려울 수 있다. 안테나 어레이 및 렌즈 간 거리를 증가시키는 것은 장치의 크기, 즉, 셋 볼륨(set volume)의 증가를 야기한다. 즉, 안테나 어레이 및 렌즈 간 거리의 증가는 렌즈의 실장성/양산성을 저해할 수 있다. 따라서, 빔포밍 장치의 소형화를 위해 안테나 어레이와 렌즈 간 거리를 감소시키는 한편, 렌즈 상의 투영 면적을 증가시키기 위한 방안이 요구된다.
도 5c를 참고하면, 제3 예 530에서, 빔포밍 장치는 제3 안테나 어레이 531, 제3 렌즈 532를 포함할 수 있다. 빔포밍 장치는 제3 안테나 어레이 531을 통해 신호들을 방사한다. 각 신호는, 일정 각도 범위 내에서 방향성이 부여된 채로 방사된다. 일 예로, 제3 안테나 어레이 531에서 2개의 독립된 방향들을 갖는 신호들이 방사되는 상황이 예로 서술된다. 여기서, 방향들 간 독립이란 신호가 형성하는 빔의 방향과 신호가 형성하는 다른 빔의 방향 간 각도가 일정 각도 이상임을 의미할 수 있다. 즉, 신호에 의해 형성되는 빔들 각각은 상호 공간적으로 구별되는 방향성을 가진다. 신호들에 의해 제3 렌즈 532에 접촉하는 물리적 영역으로, 제3 투영 영역 523 및 제4 투영 영역 524이 형성된다. 제3 안테나 어레이 531과 제3 렌즈 532 간 거리는 D3일 수 있다. 이하, D3는 D2와 같은 상황이 예로 서술된다. D3는 D2와 동일한 값을 가지므로, 빔포밍 장치 내 제3 안테나 어레이 531 및 제3 렌즈 532의 실장 면적은 제2 안테나 어레이 521 및 제2 렌즈 522의 실장 면적에 대응할 수 있다.
제3 예 530의 빔포밍 장치는 제3 예 520의 빔포밍 장치와 같은 크기로 설계되더라도, 제3 렌즈 532 상의 총 투영 면적은 제2 렌즈 522 상의 투영 면적보다 넓을 수 있다. 제3 렌즈 532 상에는 독립적인 방향(또는 경로)로 방사된 신호들이 각각 투영되어, 독립적인 투영 면적을 형성한다. 제3 빔포밍 장치는 제3 렌즈 532 상에 제3 투영 면적 533과 제4 투영 면적 534를 형성한다.
다양한 실시 예들에 따를 때, 빔포밍 장치는 복수의 빔들을 통해 렌즈 상에 복수의 투영 면적들을 형성할 수 있다. 렌즈 상에 복수의 투영 면적들이 형성됨에 따라, 물리적 설계의 변경(예: 안테나 어레이와 렌즈 간 거리에 따른 빔포밍 장치의 크기 증가)없이, 렌즈를 통한 빔포밍 장치의 빔포밍 이득이 증가할 수 있다. 이와 같이, 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 빔 제어 기술은 안테나 어레이에서 방사되는 신호들이 형성하는 빔들의 개수를 증가시킴으로써 렌즈 상에서의 투영 영역의 면적을 증가시키고, 빔들에 대응하는 위상 마스크에 따라 렌즈 내 유닛 셀들이 배치됨으로써 렌즈를 통한 빔포밍 이득의 향상력이 개선될 수 있다.
본 개시의 빔포밍 및 렌즈 설계 방식을 설명하기에 앞서, 설명에 필요한 용어들을 정의한다. 멀티-빔이란, 빔포밍에 의해 독립적인 방향성을 갖는 2개 이상의 성분들을 포함하는 빔(또는 빔들)을 의미한다. 구체적으로, 빔포밍을 통해 형성되는 빔의 형태에 위상이 상쇄되는 음영 지역이 발생할 수 있다. 음영 지역이 발생됨에 따라, 공간적으로 구분되는 신호 성분들이 형성될 수 있다. 여기서, 신호 성분들이 공간적으로 구분됨은, 방사되는 신호의 세기가 일정 세기 이상인 영역이 공간적으로 분리된 형태로 제공됨을 의미한다. 분리된 형태의 신호 성분들 각각은 빔으로 지칭될 수 있다. 즉, 멀티-빔은 복수의 빔들을 포함할 수 있다. 신호는 멀티-빔을 이용하여(using) 방사된다. 신호는 멀티-빔을 통해(through) 방사된다. 신호는 멀티-빔을 형성하기 위한 위상 패턴이 적용되어 방사된다.
멀티-빔포밍이란, 멀티-빔을 형성하는 빔포밍 동작을 지칭한다. 빔포밍 장치는, 독립적인 방향성을 갖는 2개 이상의 성분들을 포함하는 형태로 빔을 형성하도록 멀티-빔포밍을 수행할 수 있다.
단일 빔(single beam)이란 멀티-빔에 반대되는 개념으로, 복수의 방향들을 제공하는 것이 아니라 빔포밍 시 단일 방향을 제공하는 형태의 빔을 의미한다.
위상 패턴이란, 안테나 어레이에서 빔을 형성하기 위한 안테나 요소들에 대한 위상 값들의 집합일 수 있다. 위상 패턴이 달라짐에 따라, 안테나 어레이에서 형성되는 빔의 방향, 빔의 형상(shape)이 달라질 수 있다.
유닛 셀이란, 렌즈를 구성하는 단위로, 적어도 하나의 유전체와 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 유전체는, 예를 들어 반도체 소자, 액정 물질 및 광전 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 유전체는 가변의 유전율 또는 고정의 유전율을 가질 수 있다. 유닛 셀은 유전체 또는 금속을 통해 유전율을 제공한다. 유닛 셀은 유전율에 따라 입사되는 신호 성분의 위상을 지연시킬 수 있다. 유닛 셀은 위상 지연에 따른 위상 변환 값을 가질 수 있다. 즉, 유닛 셀은 렌즈에 입사된 빔의 이득을 제어하기 위한 요소일 수 있다. 유닛 셀은 전기 용량(또는 굴절률)을 가질 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍에 따른 렌즈 상의 투영 영역의 면적을 도시한다. 도 6a는 단일 빔, 도 6b는 멀티-빔을 예시한다. 도 6a 및 6b에 예시된 구성은, 도 2의 안테나 어레이 220 및 렌즈 230의 예로 이해될 수 있다.
도 6a를 참고하면, 안테나 어레이 220에서 생성되는 빔은 가상 초점(virtual focus) 602로부터 각도
Figure pat00002
1으로 넓어지며 방사된다. 3개의 렌즈들, 렌즈 A 230-1, 렌즈 B 230-2, 렌즈 C 230-3이 도 6a와 같이 배치되면, 렌즈 A 230-1, 렌즈 B 230-2, 렌즈 C 230-3의 순서로 안테나 어레이 220로부터 멀어지므로, 렌즈 A 230-1, 렌즈 B 230-2, 렌즈 C 230-3의 순서로 이득이 증가할 수 있다. 예를 들어, 렌즈들의 이득들을 이하 <표 1>과 같다.
L (렌즈의 유효 거리) 이득
렌즈 A La=L1 G1 (= п/θ1)
렌즈 B Lb=2ХL1 G1+3dB
렌즈 C Lc=4ХL1 G1+6dB
도 6b를 참고하면, 빔포밍 장치는 안테나 어레이 220를 통해 복수의 빔들, 즉 멀티-빔을 형성할 수 있다. 멀티-빔을 형성하는 신호의 각 빔은 가상 초점으로부터 넓어지며 방사될 수 있다. 멀티-빔은 도 6a의 단일 빔보다 많은 개수의 빔들을 가진다. 즉, 멀티-빔은 단일 빔보다 많은 독립된 경로를 가진다. 렌즈 O 230-4가 도 6b와 같이, 도 6a에 비해 다소 짧은 거리에 배치되더라도, 복수의 빔들(또는 신호 성분)에 의해 증가되는 투영 면적으로 인해, 더 높은 이득이 획득될 수 있다. 예를 들어, 렌즈 O 230-4에서, 각 빔 별 이득은 이하 <표 2>와 같이 표현될 수 있다.
L (렌즈의 유효 거리) 이득
렌즈 O LO=kХL1 G1+10log(k)
렌즈 O 230-4 상의 총 투영 면적이 증가됨에 따라 신호 이득이 빔 개수에 비례하여 증가할 수 있다. 예를 들어, 멀티-빔을 통한 이득은 (G1+10log(k))·N 이내일 수 있다. N은 멀티-빔에 포함된 복수의 빔들의 개수를 나타낸다.
도 6b와 같이 공간적으로 구분되는 빔들, 즉 멀티-빔은 단일 안테나를 이용하는 장치에서 형성되기 어렵다. 복수의 빔들을 형성하기 위해, 안테나 어레이(예: 안테나 어레이 220) 또는 고차 공진 안테나를 구비할 것이 요구된다. 이때, 빔의 방향성 부여, 즉, 빔의 조향(steering) 기능을 고려하면, 안테나 어레이가 사용되는 것이 바람직하다. 즉, 안테나 어레이를 사용하는 경우, 복수의 빔들을 형성하는 빔의 형상은 물론, 빔의 방향성도 제어될 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 12c를 통해, 멀티 빔포밍을 통해 렌즈를 이용한 빔포밍 이득을 개선하기 위한 방안이 구체적으로 서술된다. 다양한 실시 예들에 따라, 멀티-빔을 형성하기 위해 필요한 빔포밍 장치의 동작들, 안테나 어레이 또는 렌즈에 필요한 설정 값들 제어, 또는 렌즈 설계 방식이 서술된다.
도 7은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 렌즈를 이용하여 신호를 방사하기 위한 빔포밍 장치의 흐름도를 도시한다. 다양한 실시 예들에 따라, 빔포밍 장치는 단말 120의 동작 방법을 예시한다.
도 7을 참고하면, 701 단계에서, 빔포밍 장치는 신호들에 복수의 빔들을 형성하기 위한 위상 패턴을 적용함으로써, 빔포밍을 수행할 수 있다. 빔포밍 장치는 멀티-빔포밍을 수행할 수 있다.
빔포밍 장치는 멀티-빔을 형성하기 위한 위상 패턴을 식별할 수 있다. 위상 패턴은 멀티-빔을 형성하기 위해 정의되는 값일 수 있다. 본 개시의 위상 패턴은 채널을 고려한(예: 방향성 부여를 위한 빔포밍)을 위한 위상 값들(예: 아날로그 빔포밍의 위상 값)과 별도의 제어 요인으로서, 렌즈와의 관계에서 정의되는 위상 값들의 조합을 의미한다.
위상 패턴은 멀티-빔의 종류에 따라 정의될 수 있다. 예를 들어, 위상 패턴은 멀티-빔에 포함된 빔들의 개수 별로 정의될 수 있다. 다른 예를 들어, 위상 패턴은 멀티-빔의 형태에 따라 정의될 수 있다. 멀티-빔은 동일한 개수의 빔들을 포함하더라도 다른 형태로 형성될 수 있기 때문이다. 다양한 실시 예들에 따라, 빔포밍 장치는 복수의 위상 패턴들로부터 특정 위상 패턴을 식별할 수 있다. 그러나, 다른 실시 예로서, 빔포밍 장치는 하나의 고정된 위상 패턴만을 식별할 수도 있다.
빔포밍 장치는 식별된 위상 패턴에 포함된 위상 값들이 적용되도록 안테나 어레이를 제어할 수 있다. 빔포밍 장치는, 안테나 어레이를 통해 신호를 방사한다. 안테나 어레이로부터 방사된 신호는 렌즈에 입사된다.
703 단계에서, 빔포밍 장치는 상기 복수의 빔들을 이용하여 렌즈에 입사된 신호들 각각의 위상을 조절하여, 출력 신호를 방사할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 렌즈는 멀티-빔을 형성하기 위한 위상 패턴에 기반한 렌즈일 수 있다.
렌즈는 입사된 신호의 위상을 변환하도록 설정될 수 있다. 렌즈는 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 유닛 셀들은 멀티-빔을 형성하기 위한 위상 패턴에 기반하여 대응하는 위상 변환 값을 가질 수 있다. 유닛 셀들의 위상 변환 값들의 패턴은 위상 마스크로 지칭될 수 있다. 렌즈는 위상 마스크에 따른 위상 변환 값들에 기반하여, 입사되는 신호의 위상을 변환한다. 상기 렌즈에 입사된 신호들에 대한 위상 프로파일 및 상기 위상 변환 값들에 기반하여, 상기 입사된 신호들 각각의 위상이 조절된다. 다양한 실시 예들에 따라, 렌즈의 대칭면 상에 대응하는 위치에 배치된 유닛 셀들은 일정 범위(약 180도 내외) 내 위상 차이를 가질 수 있다. 렌즈의 대칭면 상에 대응하는 위치에 배치된 유닛 셀들은 약 180도의 위상 차이를 가질 수 있다. 예를 들어, 일정 범위는 175도 초과 185도 미만일 수 있다.
렌즈는 안테나 어레이의 신호 방사 방향에 일정 거리를 두고 배치되어 있으며, 이에 따라 위상 패턴 값을 적용받은 넓은 빔의 신호는 렌즈를 통해 무선 채널(즉, air)로 방사된다. 렌즈를 통과함에 따라, 신호의 동위상면이 렌즈 평면과 동일 또는 유사해지고, 결과적으로 신호 이득이 향상될 수 있다.
상술한 바와 같이, 다양한 실시 예에 따른 빔포밍 장치(예: 단말, 기지국)는 안테나 어레이에서 방사되는 신호의 빔들의 개수를 증가시킴으로써, 렌즈의 활용도를 증대시킬 수 있다. 더욱이, 멀티-빔을 형성하는 방안에 의해, 안테나 어레이 및 렌즈 간 거리가 매우 짧아질 수 있으며, 이는 셋 볼륨의 감소를 야기한다. 이하, 도 8a 내지 도 9b는 멀티-빔으로 인한 렌즈의 이득 제어 향상의 효과를 도시한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 듀얼-빔을 통한 렌즈 상의 투영 영역의 면적 및 이득의 예들을 도시한다.
도 8a를 참고하면, 빔포밍 장치는 안테나 어레이 820과 렌즈 830을 포함할 수 있다. 빔포밍 장치는 안테나 어레이 820에서 적어도 하나의 빔을 형성하도록 빔포밍을 수행할 수 있다. 렌즈 830은 안테나 어레이 820에서 빔포밍된 신호들에 대한 위상 값들을 변환시킴으로써, 다른 장치에게 방사되는 신호의 이득을 제어한다.
안테나 어레이 820은 위상 값을 조절할 수 있는 안테나 요소들을 포함할 수 있다. 안테나 요소들 각각은 독립적인 위상 값을 적용하여 위상 상태(phase status)를 제공할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 안테나 어레이 820은, 2D 안테나 어레이로서 고도(elevation)를 달리하여 빔포밍을 수행하는 3D 빔포밍(또는 고도 빔포밍(elevation beamforming))을 제공할 수 있다.
이하 설명에서, 안테나 어레이 820은 2차원(2-dimensinoal, 2D) 안테나 어레이로 예시된다. 2D 안테나 어레이에서, 고도(elevation)에 따른 빔 형상은 행(row)들 간 위상 차이에 의해, 방위(azimuth)에 따른 빔 형상은 열(column)들간 위상 차이에 의해 조절될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 안테나 어레이 820은 32개의 위상 상태를 제공할 수 있다. 안테나 어레이 820은 가로축(또는 방위)으로 8개의 안테나 요소들 및 세로축(또는 고도)으로 4개의 안테나 요소들을 통해, 32개의 위상 상태를 제공할 수 있다. 빔포밍 장치는 가로축 단위 또는 세로축 단위로 각 안테나 요소들의 위상 상태를 제어함으로써, 위상 패턴을 조절할 수 있다. 일 예로, 빔포밍 장치는 세로축 단위로 위상 패턴을 조절할 수 있다. 세로축은 제1 위치(position) 821, 제2 위치 822, 제3 위치 823, 제3 위치 824를 포함할 수 있다. 그러나, 다양한 실시 예들은 4x8 크기의 2D 안테나 어레이에 제한되지 아니한다.
빔포밍 장치는 안테나 어레이 820에서 단일 빔을 형성하거나 멀티-빔의 예로 듀얼-빔을 형성할 수 있다. 여기서, 듀얼-빔이란, 빔포밍 시 방사되는 신호 성분들 간 위상 차이로 인하여 음영 영역이 형성됨으로써, 독립적인 방향성을 갖는 빔들이 2개인 빔을 의미한다. 단일 빔은 음영 영역이 형성되지 않아 독립적인 방향성을 갖는 2개 이상의 빔들이 발생하지 않는 빔이다. 이하, 도 8b를 통해 단일-빔을 통한 이득 향상, 도 8c 내지 도 8d를 통해 듀얼-빔을 통한 이득 향상을 도시한다.
도 8b를 참고하면, 빔포밍 장치는 안테나 어레이 820에서 단일 빔 841을 형성하도록 빔포밍을 수행할 수 있다. 단일 빔 841의 이득은 20.0dBi(decibel with respect to isotropic)이다. 단일 빔 841이 렌즈를 통과함에 따라 빔 851이 방사된다. 도 8c를 참고하면, 빔포밍 장치는 안테나 어레이 820에서 제1 듀얼-빔 842를 형성하도록 빔포밍을 수행할 수 있다. 제1 듀얼-빔 842의 이득은 20.0dBi이다. 제1 듀얼-빔 842이 렌즈를 통과함에 따라 빔 852가 방사된다. 도 8d를 참고하면, 빔포밍 장치는 안테나 어레이 820에서 제2 듀얼-빔 843을 형성하도록 빔포밍을 수행할 수 있다. 제2 듀얼-빔 843의 이득은 20.0dBi이다. 제2 듀얼-빔 843이 렌즈를 통과함에 따라 빔 853이 방사된다. 도 8b 내지 도 8d에서 사용된 렌즈의 유닛 셀들은 하기의 표 3과 같이 구성된다.
ID 단일 빔 제1 듀얼 빔 제2 듀얼 빔
#1 0° 0° 0°
#2 0° 180° 0°
#3 0° 0° 180°
#4 0° 180° 180°
여기서, ID #1은 도 8a의 제1 위치 821에 대한 위상 상태들을 나타낸다. 여기서, ID #2는 도 8a의 제2 위치 822에 대한 위상 상태들을 나타낸다. 여기서, ID #3은 도 8a의 제3 위치 823에 대한 위상 상태들을 나타낸다. 여기서, ID #4는 도 8a의 제4 위치 824에 대한 위상 상태들을 나타낸다.
도 8b 내지 도8d를 통해, 렌즈로 인한 빔포밍 이득의 증가가 확인된다. 도 8b에서, 빔 851의 이득은 25.8dbi로 단일 빔 841 대비 5.8dbi 증가하였다. 도 8c에서, 빔 852의 이득은 30.8dbi로 제1 듀얼-빔 842 대비 10.8dbi 증가하였다 도 8d에서, 빔 853의 이득은 27.6dbi로 제2 듀얼-빔 843 대비 7.6dbi 증가하였다.
도 8b 내지 도8d를 통해, 단일 빔 841, 제1 듀얼 빔 842, 제2 듀얼 빔 843이 렌즈 면에 접촉되는 투영 면적이 달라짐이 확인된다. 또한, 렌즈 상의 투영 면적이 달라짐에 따라, 렌즈로부터 방사되는 신호의 빔포밍 이득 또한 달라진다. 접촉 면적이 증가함에 따라, 단일 빔 841, 제2 듀얼 빔 843, 제1 듀얼 빔 842 순으로, 빔포밍 이득이 25.8 dbi, 27.6 dbi, 30.8 dbi로 증가함이 확인된다.
도 9a 내지 도 9b는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 쿼드-빔을 통한 렌즈 상의 투영 영역의 면적 및 이득의 예들을 도시한다. 여기서, 쿼드-빔이란, 빔포밍 시 방사되는 신호 성분들 간 위상 차이로 인하여 음영 영역이 복수개가 형성됨으로써, 독립적인 방향성을 갖는 빔들이 4개인 빔을 의미한다.
도 9a를 참고하면, 빔포밍 장치는 단일 빔을 형성하는 빔포밍을 수행하고, 단일 빔은 렌즈를 통과하여 이득이 제어된다. 도 9a는 안테나 어레이와 렌즈 간 거리가 약 5cm인 상황에서 측정된 실험 결과를 예시한다. 그래프 911은 렌즈 면에서 단일 빔의 이득을 나타낸다. 그래프 912 및 그래프 913은 각각 렌즈를 통과하여 단일 빔으로부터 형성되는 빔의 E-plane, H-plane에서의 지향도(directivity)를 나타낸다. 여기서 지향도는 각 필드(예: E-field, H-field)에서의 크기를 나타내고, 단위는 dbi이다. 그래프 912 및 그래프 913의 세로축은 지향도, 가로축은 빔의 물리적인 위치를 나타낸다. 그래프 912를 통해 단일 빔의 이득이 28.5 dbi로 확인된다. 도 9a에는 도시되지 않았으나, 안테나 어레이와 렌즈 간 거리가 약 10cm인 상황에서는 렌즈를 통과하여 단일 빔으로부터 형성되는 빔의 이득이 30.5 dbi로 확인된다. 안테나 어레이와 렌즈 간 거리가 증가함에 따라 향상된 이득을 제공된다.
도 9b를 참고하면, 빔포밍 장치는 쿼드-빔을 형성하는 빔포밍을 수행하고, 쿼드-빔은 렌즈를 통과하여 이득이 제어된다. 도 9b는 안테나 어레이와 렌즈 간 거리가 약 5cm인 상황에서 측정된 실험 결과를 예시한다. 그래프 921은 렌즈 면에서 쿼드-빔의 이득을 나타낸다. 그래프 922 및 그래프 923은 렌즈를 통과하여 쿼드-빔으로부터 형성되는 빔의 각각 E-plane, H-plane에서의 지향도를 나타낸다. 여기서 지향도는 각 필드(예: E-field, H-field)에서의 크기를 나타내고 단위는 dbi이다. 그래프 922 및 그래프 923의 세로축은 지향도, 가로축은 빔의 물리적인 위치를 나타낸다. 그래프 922를 통해 단일 빔의 31.6 dbi 이득이 확인된다.
단일 빔이 렌즈를 통과하는 경우보다 쿼드-빔이 렌즈를 통과하는 경우, 신호 이득이 증가됨이 확인될 수 있다. 또한, 약 5cm의 거리를 증가(예: 약 5cm에서 약 10cm)시키는 경우보다, 독립적인 방향성을 갖는 빔들을 형성하는 것이 신호 이득 향상에 더 효과적임이 확인된다. 전술한 바와 같이, 복수의 빔들을 형성됨으로써, 일정 강도 이상의 신호가 렌즈에 접촉되는 면적이 증가되기 때문이다.
도 8a 내지 도 9b를 통해, 멀티-빔을 형성하는 빔포밍을 수행함으로써, 렌즈를 통과하는 신호의 이득 제어 효과가 향상됨이 서술되었다. 안테나 어레이에서 멀티-빔이 형성됨에 따라, 렌즈 상의 투영 면적이 증가한다. 투영 면적이 증가됨에 따라, 렌즈에서의 신호 이득 제어 효과가 향상된다. 한편, 렌즈로 입사되는 빔들의 성분, 즉 개별 방향에 대응하는 신호 성분의 위상을 변환하여 이득을 제어하기 위해서는, 렌즈에 적절한 위상 마스크가 적용될 것이 요구된다. 이하, 도 10a 내지 도 12c를 통해, 멀티-빔에 대한 신호 이득을 제어하기 위한 렌즈 설계 방식이 서술된다.
도 10a 내지 도 10c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 빔 형상에 따른 렌즈의 투영 형태의 예들을 도시한다.
도 10a는 렌즈에 단일 빔이 투영됨을 나타낸다. 안테나 어레이로부터 단일 빔을 이용하여 신호가 방사된다. 렌즈에 입사된 신호는 제1 투영면 1010과 같은 형태로, 렌즈에 투영될 수 있다. 제1 투영면 1010은 제1 사분면 1011, 제2 사분면 1012, 제3 사분면 1013, 제4 사분면 1014을 포함한다. 단일 빔이 렌즈에 입사됨에 따라, 제1 사분면 1011, 제2 사분면 1012, 제3 사분면 1013, 제4 사분면 1014은 모두 상호 대칭일 수 있다. 제1 투영면 1010은 4개의 대칭면들을 포함할 수 있다. 다시 말해, 제1 사분면 1011, 제2 사분면 1012, 제3 사분면 1013, 제4 사분면 1014들에서 대응하는 위치들로 입사되는 신호 성분들은 상호 위상 차이가 존재하지 않거나 0°에 근접할 수 있다. 제1 투영면 1010은 비대칭 사분면을 포함하지 않는다.
도 10b는 렌즈에 듀얼-빔이 투영됨을 나타낸다. 안테나 어레이로부터 듀얼-빔을 이용하여 신호가 방사된다. 렌즈에 입사된 신호는 제2 투영면 1020과 같은 형태로, 렌즈에 투영될 수 있다. 제2 투영면 1020은 제1 사분면 1021, 제2 사분면 1022, 제3 사분면 1023, 제4 사분면 1024를 포함한다. 듀얼- 빔이 렌즈에 입사됨에 따라, 제1 사분면 1021 및 제2 사분면 1022은 제3 사분면 1023 및 제4 사분면 1024와 대칭일 수 있다. 즉, 제1 사분면 1021의 제1 위치에 입사되는 신호 성분은 제3 사분면 1023 또는 제4 사분면 1024에서 상기 제1 위치에 대응되는 위치에 입사되는 신호 성분과 다른 위상 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 사분면 1021의 제1 위치의 신호 성분과 제3 사분면 1023에서 제1 위치에 대응되는 위치의 신호 성분 간 약 180도의 위상 차이가 존재한다. 또한, 제1 사분면 1021의 제1 위치의 신호 성분과 제4 사분면 1024에서 제1 위치에 대응되는 위치의 신호 성분 간 약 180°의 위상 차이가 존재한다. 한편, 제1 사분면 1021과 제2 사분면 1022 간 대응되는 위치들 간 신호 성분의 위상 차이는 존재하지 않거나 0°에 근접할 수 있다. 제2 투영면 1020은, 제1 사분면 1021 및 제4 사분면 1024 또는 제2 사분면 1022 및 제3 사분면 1023과 같은, 비대칭 사분면들을 포함한다.
도 10c는 렌즈에 쿼드-빔이 투영됨을 나타낸다. 안테나 어레이로부터 쿼드-빔을 이용하여 신호가 방사된다. 렌즈에 입사된 신호는 제3 투영면 1030과 같은 형태로, 렌즈에 투영될 수 있다. 제3 투영면 1030은 제1 사분면 1031, 제2 사분면 1032, 제3 사분면 1033, 제4 사분면 1034를 포함한다. 쿼드-빔이 렌즈에 입사됨에 따라, 제1 사분면 1031은 제3 사분면 1033과 대칭일 수 있다. 또한, 제1 사분면 1031은 제2 사분면 1032 및 제4 사분면 1034와 비대칭일 수 있다. 마찬가지로, 제2 사분면 1032는 제4 사분면 1034와 대칭일 수 있다. 또한, 제2 사분면 1032는 제1 사분면 1031 및 제4 사분면 1034와 비대칭일 수 있다. 즉, 제1 사분면 1031은 제2 사분면 1032 또는 제4 사분면 1034와 다른 위상 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 사분면 1031의 제2 위치의 신호 성분과 제2 사분면 1032에서 제2 위치에 대응되는 위치의 신호 성분 간 약 180도의 위상 차이가 존재한다. 또한, 제1 사분면 1031의 제2 위치의 신호 성분과 제4 사분면 1034에서 제2 위치에 대응되는 위치의 신호 성분 간 약 180°의 위상 차이가 존재한다. 한편, 제1 사분면 1031의 제2 위치의 신호 성분과 제3 사분면 1033에서 제2 위치에 대응되는 위치의 신호 성분 간 위상 차이는 존재하지 않거나 0°에 근접할 수 있다.
렌즈는 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 각 유닛 셀은 유전체 기판과 도체부를 포함할 수 있다. 유전체 기판은 유전체를 포함할 수 있다. 도체부는 금속(metal)을 포함할 수 있다. 각 유닛 셀은 입사되는 신호의 위상을 지연시킬 수 있다. 렌즈에 입사되는 신호, 즉 유닛 셀들에 입사되는 신호 성분들 각각의 위상이 동위상으로 변환됨으로써, 무선 채널에 송신되는 신호의 이득이 증가한다. 입사되는 신호 성분들은 렌즈에 대한 위상 프로파일 및 입사되는 신호 성분들의 빔에 대한 위상 프로파일에 기반하여 변환된 뒤, 렌즈로부터 방사된다. 렌즈에 대한 위상 프로파일은 렌즈에 포함된 유닛 셀들 각각의 위상 변환 값에 대한 정보일 수 있다.
안테나 어레이에서 제공되는 빔의 형상에 따라, 렌즈에 투영되는 위상 패턴이 달라진다. 다양한 실시 예들에 따라, 멀티-빔을 형성하는 경우 사분면들 중 비대칭면이 존재한다. 렌즈 상에서 멀티-빔이 투영되는 영역의 비대칭면들에서의 위상 변환을 제어하기 위해, 멀티 빔포밍을 위한 렌즈 내 유닛 셀의 배치 방법이 요구된다. 이하, 도 11을 통해, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 유닛 셀이 서술된다.
도 11은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 멀티-빔포밍 기반 렌즈의 설계를 위한 유닛 셀의 예를 도시한다. 즉, 도 10a 내지 도 10c에서 상술한 바와 같이, 비대칭면들에서 상호 다른 위상을 제어하기 위한 유닛 셀들의 예를 도시한다.
도 11을 참고하면, 다양한 실시 예들에 따른 렌즈는 제1 유닛 셀 1110 및 제2 유닛 셀 1120을 포함할 수 있다. 제1 유닛 셀 1110 및 제2 유닛 셀 1120은 각각 유전체 기판과 도체부를 포함할 수 있다. 유전체 기판은 유전체를 포함할 수 있다. 도체부는 금속(metal)을 포함할 수 있다. 제1 유닛 셀 1110과 제2 유닛 셀 1120은 각각 입사되는 신호 성분의 위상을 지연시킬 수 있다. 제1 유닛 셀 1110은 제1 유닛 셀 1110의 유전체 및 금속을 통해 제1 유전율을 제공하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 제2 유닛 셀 1120은 제2 유닛 셀 1120의 유전체 및 금속을 통해 제2 유전율을 제공하도록 구성될 수 있다.
제1 유닛 셀 1110과 제2 유닛 셀 1120이 지연시키는 위상의 크기는 다를 수 있다. 다시 말해, 제1 유닛 셀 1110의 위상 변환 값과 제2 유닛 셀 1120의 위상 변환 값의 차이는 0이 아닐 수 있다. 제1 유전율을 통해 제공되는 위상 지연은 제2 유전율을 통해 제공되는 위상 지연과 다를 수 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 제1 유닛 셀 1110과 제2 유닛 셀 1120 간 약 180도의 위상 차이가 존재한다. 일 예로, 약 180도는 180도를 기준으로 오차 범위 5도 이내의 각도를 의미할 수 있다. 다른 일 예로, 약 180도는 180도를 기준으로 오차 범위 1도 이내의 각도를 의미할 수 있다. 제1 유닛 셀 1110은, 제1 유닛 셀 1110에 입사된 신호 성분에 대한 위상을 제2 유닛 셀 1120에 입사된 신호 성분에 대한 위상보다 약 180도 빠르게 또는 늦게 지연시킬 수 있다.
멀티-빔포밍을 통해 방사되는 신호의 신호 성분들 각각의 위상을 동위상으로 변환시키기 위하여, 렌즈에는 다양한 위상 변환 값을 제공하는 유닛 셀들이 포함될 것이 요구된다. 다양한 실시 예들에 따라, 상호 180도 간 위상 차이를 제공하는 유닛 셀들을 포함하도록 렌즈가 설계될 수 있다. 도 10a 내지 도 10c에 도시된 바와 같이, 렌즈에 투영되는 신호 성분들의 패턴에 따라 위상 변환 값이 다른 유닛 셀들의 배치의 패턴이 요구된다.
도 11에서 도체부는 사각 루프 또는 사각 패치가 예시되었으나, 삼각, 오각, 및 원형 등 다양한 형상의 유닛 셀이 본 개시의 렌즈에 적용될 수 있다. 또한, 도 11에서는 180도의 위상 차이를 예로 서술하였으나, 본 개시는 이에 제한되지 않는다. 멀티-빔으로써 듀얼-빔이나 쿼드-빔이 아닌 다른 멀티-빔 형성 시, 이용되는 위상 패턴에 따라 180와는 다른 크기의 위상 차이를 갖는 유닛 셀들이 이용될 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 멀티-빔포밍 기반 렌즈의 설계의 예들을 도시한다. 도 12a 내지 도 12c를 통해 3가지 렌즈의 설계의 예들이 도시된다. 단일-빔을 위한 방식과의 비교를 통해, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 멀티-빔을 위한 렌즈의 설계 방식이 서술된다.
도 12a를 참고하면, 제1 설계 방식 1210은 단일 빔 기반 렌즈의 설계 방식을 나타낸다. 도 10a에서 상술된 바와 같이, 렌즈 상의 투영면의 4개의 4분면들 모두가 대칭이므로, 단일 빔 기반 렌즈는 각 사분면에서 위상 차이가 없는 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 즉, 각 사분면에서 상호 대칭되는 위치에 배치된 유닛 셀은 동일한 위상 변환 값을 제공한다. 점선으로 표시된 영역 상의 유닛 셀들의 배치는 동일한 위상 변환 값을 제공하는 유닛 셀들의 배치를 의미한다.
도 12b를 참고하면, 제2 설계 방식 1220은 듀얼-빔 기반 렌즈의 설계 방식을 나타낸다. 도 10b에서 상술된 바와 같이, 렌즈 상의 투영 면들의 4개의 4분면들 중 제1 사분면 및 제2 사분면은, 제3 사분면 및 제4 사분면과 대칭일 수 있다. 즉, 듀얼-빔 기반 렌즈의 4개의 4분면들은 렌즈 중심을 기준으로 선대칭(line symmetry)을 형성할 수 있다. 점선으로 표시된 영역 상의 유닛 셀들의 배치는 동일한 위상 변환 값을 제공하는 유닛 셀들의 배치를 의미한다. 마찬가지로, 실선으로 표시된 영약 상의 유닛 셀들의 배치는 동일한 위상 변환 값을 제공하는 유닛 셀들의 배치를 의미한다.
듀얼-빔 기반 렌즈는 대칭 사분면들의 대응되는 위치들에서 위상 차이가 없는 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 듀얼-빔 기반 렌즈는 대칭 사분면들의 대응되는 위치들에서 위상 차이가 없는 유닛 셀들이 배치되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 듀얼-빔 기반 렌즈의 제1 사분면과 제2 사분면 간 대칭되는 위치에 배치된 유닛 셀들은 동일한 위상 천이 값을 제공할 수 있다. 또한, 듀얼-빔 기반 렌즈의 제3 사분면과 제4 사분면 간 대칭되는 위치에 배치된 유닛 셀은 동일한 위상 천이 값을 제공할 수 있다.
듀얼-빔 기반 렌즈는 비대칭 사분면들의 대응되는 위치들에서 위상 차이가 있는 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 듀얼-빔 기반 렌즈는 비대칭 사분면들의 대응되는 위치들에서 위상 차이가 있는 유닛 셀들이 배치되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 듀얼-빔 기반 렌즈의 제1 사분면과 제4 사분면 간 대칭되는 위치에서 배치된 유닛 셀들은 서로 다른 위상 천이값, 약 180도(즉, π radian)의 위상 천이 값을 제공할 수 있다. 또한, 듀얼-빔 기반 렌즈의 제2 사분면과 제3 사분면 간 대칭되는 위치에 배치된 유닛 셀들은 서로 다른 위상 천이값, 약 180도의 위상 천이 값을 제공할 수 있다. 도 12b에서 점선으로 표시된 영역의 유닛 셀과 실선으로 표시된 영역의 유닛 셀 간 위상 차이는 약 180도일 수 있다.
도 12c를 참고하면, 제3 설계 방식 1230은 쿼드-빔 기반 렌즈의 설계 방식을 나타낸다. 도 10c에서 상술된 바와 같이, 렌즈 상의 투영 영역들의 4개의 4분면들 중 제1 사분면은 제3 사분면과 대칭일 수 있다. 또한, 제1 사분면은 제2 사분면 및 제4 사분면과 비대칭일 수 있다. 마찬가지로, 제2 사분면은 제4 사분면과 대칭일 수 있다. 또한, 제2 사분면은 제1 사분면 및 제3 사분면과 비대칭일 수 있다. 즉, 쿼드-빔 기반 렌즈의 4개의 4분면들은 렌즈 중심을 기준으로 점대칭(point symmetry)을 형성할 수 있다. 점선으로 표시된 영역 상의 유닛 셀들의 배치는 동일한 위상 변환 값을 제공하는 유닛 셀들의 배치를 의미한다. 마찬가지로, 실선으로 표시된 영약 상의 유닛 셀들의 배치는 동일한 위상 변환 값을 제공하는 유닛 셀들의 배치를 의미한다.
쿼드-빔 기반 렌즈는 대칭 사분면들의 대응되는 위치들에서 위상 차이가 없는 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 쿼드-빔 기반 렌즈는 대칭 사분면들의 대응되는 위치들에서 위상 차이가 없는 유닛 셀들이 배치되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 쿼드-빔 기반 렌즈의 제1 사분면과 제3 사분면 간 대칭되는 위치에 배치된 유닛 셀들은 동일한 위상 천이 값을 제공할 수 있다. 또한, 쿼드-빔 기반 렌즈의 제2 사분면과 제3 사분면 간 대칭되는 위치에 배치된 유닛 셀은 동일한 위상 천이 값을 제공할 수 있다.
쿼드-빔 기반 렌즈는 비대칭 사분면들의 대응되는 위치들에서 위상 차이가 있는 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 쿼드-빔 기반 렌즈는 비대칭 사분면들의 대응되는 위치들에서 위상 차이가 있는 유닛 셀들이 배치되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 쿼드-빔 기반 렌즈의 제1 사분면과 제2 사분면(또는 제4 사분면) 간 대칭되는 위치에 배치된 유닛 셀들은 서로 다른 위상 천이값, 약 180도(즉, π radian)의 위상 천이 값을 제공할 수 있다. 또한, 쿼드-빔 기반 렌즈의 제2 사분면과 제3 사분면(또는 제1 사분면) 간 대칭되는 위치에 배치된 유닛 셀들은 서로 다른 위상 천이값, 약 180도의 위상 천이 값을 제공할 수 있다. 도 12c에서 점선으로 표시된 영역의 유닛 셀과 실선으로 표시된 영역의 유닛 셀 간 위상 차이는 약 180도일 수 있다.
렌즈 중심을 기준으로 렌즈 구성 유닛 셀의 배치 조건이 변경됨에 따라 본 개시의 실시 여부가 확인될 수 있다. 유닛 셀 배치 형상으로 멀티 빔 활용의 유무가 확인될 수 있다. 사분면에서 대칭되는 위치에 배치된 유닛 셀들 간 위상 차이에 따라, 본 개시의 렌즈 설계 방식의 실시 여부가 확인될 수 있다. 예를 들어, 제1 사분면과 제4 사분면 간 대칭되는 위치에 배치된 유닛 셀들 간 위상 차이가 약 180도인 경우, 본 개시의 렌즈(예: 쿼드-빔 기반 렌즈)의 설계 방식의 실시 여부가 확인될 수 있다. 또한, 다른 예를 들어, 제1 사분면과 제2 사분면 간 대칭되는 위치에 배치된 유닛 셀들 간 위상 차이가 약 180도인 경우, 본 개시의 렌즈(예: 듀얼-빔 기반 렌즈)의 설계 방식의 실시 여부가 확인될 수 있다.
한편, 도 12a 내지 도 12c에서는 안테나 어레이에서 방사되는 빔의 형상에 따라, 유닛 셀들의 배치를 달리하여 설계하는 방식이 서술되었으나, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 렌즈의 유닛 셀들에서 제공되는 위상 값이 가변적으로 조절되거나 렌즈에 복수의 빔의 형상에 따른 유닛 셀들의 복수의 조합들이 배치될 수도 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 빔포밍 장치는 안테나 어레이에서 제공되는 빔의 형상에 대응하여, 렌즈 내 유닛 셀들 각각에 적응적으로 위상 마스크를 적용할 수 있다. 또한, 다양한 실시 예들에 따라, 빔포밍 장치는 빔의 형상들 각각에 대응하는 복수의 렌즈들 각각을 포함하고, 안테나 어레이에서 형성하는 빔의 형상에 따라 적응적으로 유닛 셀 영역을 식별하여, 신호를 전송할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른, 안테나 어레이에서 빔을 형성하는 방식, 즉 멀티 빔포밍을 통해 렌즈 상의 투영 영역이 증가할 수 있다. 투영 영역의 면적 차이로 인해, 향상되는 이득 변화량이 달라진다. 또한, 다양한 실시 예들에 따른 빔포밍 기반 렌즈를 통해, 멀티 빔포밍을 통해 증가된 투영 영역에서 각 신호 성분의 위상 변환을 수행함으로써 렌즈로 인한 신호 이득 제어의 향상된 효과가 제공된다.
안테나 어레이와 렌즈 간 거리의 제어뿐만 아니라 빔포밍시 생성되는 빔의 형상을 제어함으로써, 물리적인 제약에서 보다 자유로운 형태로 렌즈 기반 빔포밍 장치의 설계가 가능할 수 있다. 빔포밍 장치의 소형화(예: 23.2
Figure pat00003
x 23.2
Figure pat00004
x 26.5
Figure pat00005
에서 16
Figure pat00006
x 20
Figure pat00007
x 5
Figure pat00008
)가 가능할 수 있다. 또한, 렌즈를 통해 멀티 빔포밍을 이용하는 신호의 이득이 제어됨으로써, 방위 커버리지(azimuth coverage)가 변하거나(예: ±17°에서 ±13°) 및/또는 고도 커버리지(elevation coverage)가 변함으로써(예: ±12°에서 ±10°) 렌즈를 통한 빔포밍의 이득이 증가됨이 확인될 수 있다.
본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.
소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.
이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(read only memory, ROM), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(electrically erasable programmable read only memory, EEPROM), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(compact disc-ROM, CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(digital versatile discs, DVDs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.
또한, 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(local area network), WAN(wide area network), 또는 SAN(storage area network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크상의 별도의 저장장치가 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.
상술한 본 개시의 구체적인 실시 예들에서, 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치에 있어서,
    안테나 어레이와(antenna array),
    복수의 빔들을 형성하기 위한 위상 패턴을 적용함으로써 상기 안테나 어레이에 의해 빔포밍을 수행하는 통신부와,
    상기 복수의 빔들을 이용하여 입사된 신호들 각각의 위상을 조절하여, 출력 신호를 방사하는 렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈는 상기 위상 패턴에 대응하는 유닛 셀들(unit cells)을 포함하는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 통신부는 상기 출력 신호의 방향을 제어하기 위한 입력 신호들의 위상 값들에, 상기 위상 패턴을 적용하도록 추가적으로 구성되고,
    상기 위상 패턴은 상기 빔포밍을 통해 형성되는 빔의 형상(shape)을 제어하기 위한 위상 값들을 포함하는 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 위상 패턴은, 상기 통신부 내 위상을 제어하는 요소들(elements) 각각의 초기 설정 값으로 적용되는 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 위상 패턴은,
    상기 안테나 어레이의 제1 열의 안테나 요소들에 대한 제1 위상 값과 상기 안테나 어레이의 제2 열의 안테나 요소들에 대한 제2 위상 값을 포함하고,
    상기 제1 열은, 상기 제2 열과 상기 안테나 어레이의 중심으로부터 대칭이고,
    상기 제1 위상 값과 상기 제2 위상 값의 차이는 179도 초과 181도 미만인 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 입사된 신호는 상기 복수의 빔들을 이용하여 방사되는 신호 성분들을 포함하고,
    상기 신호 성분들 중 신호 성분의 세기가 일정 세기 이상인 영역은 공간적으로 분리되는 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 렌즈는 상기 위상 패턴에 대응하는 위상 마스크(phase mask)가 적용되는 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 유닛 셀들은, 상기 위상 마스크에 기반한 위상 변환 값들을 가지고,
    상기 렌즈는 상기 입사된 신호들에 대한 위상 프로파일 및 상기 위상 변환 값들에 기반하여, 상기 입사된 신호들 각각의 위상을 조절하는 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 위상 변환 값들은, 제1 위상 변환 값과 제2 위상 변환 값을 포함하고,
    상기 제1 위상 변환 값과 상기 제2 위상 변환 값의 차이는 179도 초과 181도 미만인 장치.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 렌즈의 제1 사분면의 제1 위치에 배치된 제1 유닛 셀의 위상 변환 값은,
    상기 렌즈의 제2 사분면에서 상기 제1 위치에 대응하는 위치에 배치된 제2 유닛 셀의 위상 변환 값과 동일하거나 -1 도 초과 1도 미만의 차이를 가지고,
    상기 렌즈의 제3 사분면 또는 제4 사분면에서 상기 제1 위치에 대응하는 위치에 배치된 제3 유닛 셀의 위상 변환 값과 179도 초과 181도 미만의 차이를 가지는 장치.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 렌즈의 제1 사분면의 제2 위치에 배치된 제4 유닛 셀의 위상 변환 값은,
    상기 렌즈의 제2 사분면 또는 제4 사분면에서 상기 제2 위치에 대응하는 위치에 배치된 제5 유닛 셀의 위상 변환 값과 179도 초과 181도 미만의 차이를 가지고,
    상기 렌즈의 제3 사분면에서 상기 제2 위치에 대응하는 위치에 배치된 제6 유닛 셀의 위상 변환 값과 동일하거나 -1 도 초과 1도 미만의 차이를 가지는 장치.
  11. 무선 통신 시스템에서 빔포밍 장치의 동작 방법에 있어서,
    안테나 어레이를 이용하여, 복수의 빔들을 형성하기 위한 위상 패턴을 적용함으로써 빔포밍을 수행하는 과정과,
    상기 복수의 빔들을 이용하여 상기 렌즈에 입사된 신호들 각각의 위상을 조절하여, 출력 신호를 방사하는 과정을 포함하고,
    상기 렌즈는 상기 위상 패턴에 대응하는 유닛 셀들(unit cells)을 포함하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 출력 신호의 방향을 제어하기 위한 입력 신호들의 위상 값들에, 상기 위상 패턴을 적용하는 과정을 더 포함하고,
    상기 위상 패턴은 상기 빔포밍을 통해 형성되는 빔의 형상(shape)을 제어하기 위한 위상 값들을 포함하는 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 위상 패턴은, 상기 빔포밍 장치 내 위상을 제어하는 요소들(elements) 각각을 위한 초기 설정 값으로 적용되는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 위상 패턴은,
    상기 안테나 어레이의 제1 열의 안테나 요소들에 대한 제1 위상 값과 상기 안테나 어레이의 제2 열의 안테나 요소들에 대한 제2 위상 값을 포함하고,
    상기 제1 열은, 상기 제2 열과 상기 안테나 어레이의 중심으로부터 대칭이고,
    상기 제1 위상 값과 상기 제2 위상 값의 차이는 179도 초과 181도 미만인 방법.
  15. 청구항 11에 있어서, 상기 입사된 신호는 상기 복수의 빔들을 이용하여 방사되는 신호 성분들을 포함하고,
    상기 신호 성분들 중 신호 성분의 세기가 일정 세기 이상인 영역은 공간적으로 분리되는 방법.
  16. 청구항 11에 있어서, 상기 렌즈는 상기 위상 패턴에 대응하는 위상 마스크(phase mask)가 적용되는 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 유닛 셀들은, 상기 위상 마스크에 기반한 위상 변환 값들을 가지고,
    상기 렌즈는 상기 입사된 신호들에 대한 위상 프로파일 및 상기 위상 변환 값들에 기반하여, 상기 입사된 신호들 각각의 위상을 조절하는 장치.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 위상 변환 값들은, 제1 위상 변환 값과 제2 위상 변환 값을 포함하고,
    상기 제1 위상 변환 값과 상기 제2 위상 변환 값의 차이는 179도 초과 181도 미만인 방법.
  19. 청구항 17에 있어서, 상기 렌즈의 제1 사분면의 제1 위치에 배치된 제1 유닛 셀의 위상 변환 값은,
    상기 렌즈의 제2 사분면에서 상기 제1 위치에 대응하는 위치에 배치된 제2 유닛 셀의 위상 변환 값과 동일하거나 -1 도 초과 1도 미만의 차이를 가지고,
    상기 렌즈의 제3 사분면 또는 제4 사분면에서 상기 제1 위치에 대응하는 위치에 배치된 제3 유닛 셀의 위상 변환 값과 179도 초과 181도 미만의 차이를 가지는 방법.
  20. 청구항 17에 있어서, 상기 렌즈의 제1 사분면의 제2 위치에 배치된 제4 유닛 셀의 위상 변환 값은,
    상기 렌즈의 제2 사분면 또는 제4 사분면에서 상기 제2 위치에 대응하는 위치에 배치된 제5 유닛 셀의 위상 변환 값과 179도 초과 181도 미만의 차이를 가지고,
    상기 렌즈의 제3 사분면에서 상기 제2 위치에 대응하는 위치에 배치된 제6 유닛 셀의 위상 변환 값과 동일하거나 -1 도 초과 1도 미만의 차이를 가지는 방법.
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