KR20190122442A - 전이중 송수신 장치 및 이를 이용하는 릴레이 - Google Patents

Abstract

밀리미터파를 이용해 복수의 송신 빔 및 복수의 수신 빔을 형성하는 전이중 릴레이 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 릴레이 장치는, 베이스밴드 처리되어 복수 개로 분리된 신호의 위상을 조절하여 복수의 송신 빔을 형성하기 위한 복수의 신호를 안테나로 제공하는 RF(Radio Frequency) 송신기; 안테나로부터 입력되는 신호를 수신하고, 수신한 신호의 위상을 상기 RF 송신기가 출력하는 신호의 위상과 상이하도록 조절하는 RF 수신기; 및 서로 다른 방향으로부터 전력이 인가되는 복수의 패치를 포함하고, 패치 각각이 상기 RF 송신기 및 상기 RF 수신기와 연결되어 복수의 방향성 빔을 형성하는 안테나 배열을 포함할 수 있다.

Description

전이중 송수신 장치 및 이를 이용하는 릴레이{FULL-DUPLEX TRANSCEIVER AND RELAY APPARATUS USING THE TRANSCEIVER}

본 발명은 전이중 송수신 장치 및 전이중 송수신 장치를 이용하는 릴레이에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 밀리미터파를 이용하는 무선통신 시스템의 전이중 송수신 장치 및 상기 전이중 송수신 장치를 이용하는 릴레이에 관한 것이다.

5G 이동통신 구축에 필요한 기술의 하나로서 밀리미터파 대역에서 다수의 안테나 배열(antenna array)을 이용한 빔포밍(beamforming) 기술이 개발되어 왔다. 다른 한편으로 셀 용량을 늘리기 위해 동일대역에서 송신과 수신을 동시에 하는 전이중(full-duplex) 방식이 연구되고 있다. 현재의 빔포밍 기술은 밀리미터파 대역 무선통신에서 발생하는 높은 경로손실(path loss)을 보상하는 효과는 있으나, 기지국과 단말기기간 경로 상에 인체와 같이 전파 투과성이 낮은 물체가 있으면 경로 손실이 20dB 이상 증가하여 수신신호 품질이 떨어지는 문제가 있다. 이러한 신호의 감쇄를 줄이고 셀 반경을 확장하기 위한 방법의 하나로 무선 릴레이(relay) 또는 중계기(repeater)가 사용되고 있으며, 종래 릴레이의 통신 용량을 높이기 위해 전이중(IFD) 방식을 적용하는 연구가 진행 중이다.

전이중 방식은 높은 출력의 송신 신호가 직접 수신부에 인가되어 발생하는 자기 간섭신호(Self-Interference)를 제거하는 기술이 핵심인데, 이를 위해 종래의 기술 중 하나는 전력증폭기(PA) 출력부에 RF FIR(Finite Impulse Response) 필터를 추가하고, 별도의 송신 경로를 추가하여 수신신호에서 송신신호를 차감하는 방식 등을 조합하여 시험용 시스템을 구현하고 있다. 해당 기술은 RF 변조기, DA 변환기 등을 추가로 사용하여 집적회로 칩으로 구현시 면적이 증가하고, 그에 따라 비용 및 소비전력이 증가하여 상용성이 떨어지는 문제가 있다.

또 다른 종래 기술의 예로, 자기간섭 신호를 RF영역에서 일부 제거하기 위해, 다수의 시간 지연(delay) 소자와 전력 분배기, 결합기 등을 포함하여 RF FIR필터를 구성하는 기술을 들 수 있으며, 해당 기술의 경우 트랜시버 칩에 비해 상당히 면적이 커지고, 반송파 주파수가 밀리미터파 대역과 같이 높은 경우 써귤레이터(circulator)와 시간지연 소자의 성능이 저하되는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 전이중 송수신 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 상기 전이중 송수신 장치를 포함하는 릴레이를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 송수신 장치는, 밀리미터파를 이용해 복수의 송신 빔 및 복수의 수신 빔을 형성하며, 베이스밴드 처리되어 복수 개로 분리된 신호의 위상을 조절하여 복수의 송신 빔을 형성하기 위한 복수의 신호를 안테나로 제공하는 RF(Radio Frequency) 송신기; 안테나로부터 입력되는 신호를 수신하고, 수신한 신호의 위상을 상기 RF 송신기가 출력하는 신호의 위상과 상이하도록 조절하는 RF 수신기; 및 서로 다른 방향으로부터 전력이 인가되는 복수의 패치를 포함하고, 패치 각각이 상기 RF 송신기 및 상기 RF 수신기와 연결되어 복수의 방향성 빔을 형성하는 안테나 배열을 포함할 수 있다.

상기 RF 수신기는, 상기 복수의 수신 빔에 대한 위상 천이를 수행하는 수신측 위상천이기 배열을 포함할 수 있고, 상기 수신측 위상천이기 배열의 각 위상천이기는 개별 수신 빔에 대한 위상 천이를 수행할 수 있다.

상기 RF 송신기는, 상기 복수의 송신 빔에 대한 위상 천이를 수행하는 송신측 위상천이기 배열을 포함할 수 있고 상기 송신측 위상천이기 배열의 각 위상천이기는 개별 송신 빔에 대한 위상 천이를 수행할 수 있다.

상기 송신측 위상천이기에 의해 형성되는 신호 및 상기 수신측 위상 천이기에 의해 형성되는 신호는 20°내지 150°의 위상차를 가질 수 있다.

상기 전이중 송수신 장치는, 베이스밴드 신호를 처리하는 베이스밴드 모뎀; 상기 베이스밴드 모뎀으로부터 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 RF 송신기로 제공하는 제1 컨버터; 및 상기 RF 수신기로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 베이스밴드 모뎀으로 제공하는 제2 컨버터를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 컨버터가 출력하는 신호에 대해 자기 간섭 제거를 수행하여 상기 제2 컨버터로 제공하는 아날로그 자기 간섭 제거(SIC) 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 베이스밴드 모뎀은 디지털 자기 간섭 제거 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 안테나 배열은, 상이한 두 방향으로부터 급전되어 이중 편파 신호를 생성하는 복수의 패치 안테나를 포함할 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 리렐이 장치는, 통신 모듈; 및 기지국의 위치 및 단말의 위치에 따라 다운링크의 송신 빔 및 업링크의 수신 빔의 방향을 결정하고, 결정된 방향에 따라 빔이 형성되도록 상기 통신 모듈을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.

상기 통신 모듈은, 베이스밴드 처리되어 복수의 신호로 분리된 신호의 위상을 조절하여 복수의 송신 빔 형성하기 위한 신호를 안테나로 제공하는 RF(Radio Frequency) 송신기; 상기 안테나로부터 입력되는 신호를 수신하고, 수신한 신호의 위상을 상기 RF 송신기가 출력하는 신호의 위상과 상이하도록 조절하는 RF(Radio Frequency) 수신기; 및 서로 다른 방향으로부터 전력이 인가되는 복수의 패치를 포함하고, 패치 각각이 상기 RF 송신기 및 상기 RF 수신기와 연결되어 복수의 방향성 빔을 형성하는 안테나 배열을 포함할 수 있다.

상기 프로세서는 상기 통신 모듈 내 RF 수신부의 위상천이기 제어에 의해 형성되는 수신 빔의 입사 방향과 상기 통신 모듈 내 RF 송신부의 위상천이기에 의해 형성되는 송신 빔의 방사 방향이 다르도록 각 위상천이기를 제어할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 밀리미터파 대역 무선통신에서 발생하는 인체 등에 의한 전파 감쇄 (human blockage)와 전파 음영지역 문제의 해결을 위해 무선 릴레이를 효율적으로 구현할 수 있는 RF 구조를 제공할 수 있다.

또한, 종래의 릴레이 또는 Wi-Fi 확장기가 가지는 주파수 이용 효율 감소 문제와 이중대역 트랜시버를 사용하는 데 따르는 칩 면적 및 비용 증가 문제를 해결할 수 있는 전이중 방식 릴레이 또는 중계기를 낮은 복잡도와 비용으로 구현할 수 있다.

도 1은 일반적인 전이중 송수신 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 송수신 장치의 세부블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 릴레이 장치에 포함되는 안테나 패치 배열을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 장치가 이용되는 통신 시스템에서의 송수신을 위해 형성되는 빔의 형상을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 장치가 활용되는 통신 시스템의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 장치의 블록 구성도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

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.

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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 일반적인 전이중 송수신 장치의 블록 구성도이다.

도 1에 도시된 전이중 송수신 장치는, 메인TX 베이스밴드 프로세서(10) 및 보조 TX 베이스밴드 프로세서(20)로부터 시작하는 2 가지 경로의 송신 처리 요소들을 포함한다.

우선, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 데이터가 송신기 베이스밴드 프로세서(10)에 제공된다. 이 신호는 낮은 결합(low coupling)으로 송신 안테나와 수신 안테나 사이에서 전파되는 1 차 송신 신호의 기초를 형성하게 된다. TX베이스밴드 프로세서(10)는 송신을 위한 OFDM 심볼을 생성하여 전처리 유닛(11)으로 전달한다. 전처리 유닛(11)은 OFDM 심볼을 전달 함수(H2)로 곱하여 출력한다. 이 신호는 시간 도메인 신호로 변환되고 디지털-아날로그 컨버터(12)를 거치게 된다. 디지털-아날로그 컨버터(12)로부터 출력된 신호는 RF 변조기(13)에 의해 RF 신호로 변환되고, 전력 증폭기(14)에 의해 증폭되어 최종적으로 안테나(30)를 거쳐 송신된다.

한편, 보조 송신 채널과 관련하여, OFDM 데이터가 보조 TX베이스밴드 프로세서(20)에 제공된다. 메인 송신 체인과 유사하게, 보조 전처리기(21)는 전달 함수(-H1)에 의해 OFDM 심볼을 변경할 수 있다. 보조 전처리기(21)의 출력은 디지털-아날로그 변환기(22)에 제공되고, RF 변조기(23)를 거쳐 자기-간섭 소거 신호를 생성한다.

송수신 단을 통해 입력되는 신호에 포함된 자기-간섭 신호는 RF 가산기(41)에 의해 자기-간섭 제거 신호와 결합한다. 자기-간섭 신호는 RF 가산기(41)에 의한 자기-간섭 제거 신호의 부정적인 기여에 의해 실질적으로 감소된다. 이후 해당 신호는 RF 복조기(42)를 거치고 아날로그-디지털 변환기 (43)에 의해 샘플링된다. 샘플링된 신호는 RX 베이스밴드 프로세서(44)에 의해 처리된다. RX 베이스밴드 프로세서(45)는 FFT를 수행하여 OFDM 심볼을 생성한다.

도 1을 통해 살펴본 바와 같이 일반적인 전이중 송수신 방식에 사용되는 자기간섭제거(SIC; Self Intererence Cancellation)는 송수신 간 결합도가 낮은 대칭형 안테나 등의 블록(30)과 송신 신호를 복제해서 변조(23)한 후 수신 신호와 합치는 블록(41) 등을 이용해 구현된다. 즉, 전력증폭기(14)에서 출력되는 강한 송신 신호가 수신부에 직접 입력되어 수신부 저잡음 증폭기 등의 감도를 떨어뜨리지 않도록 저잡음 증폭기 전단에서 송신 신호의 일부를 제거한다.

일반적인 전이중 송수신 장치는 또한, RF 변조기(13), DA 변환기(12) 등을 추가로 사용해야 하기 때문에 집적회로 칩으로 구현할 경우 칩 면적이 증가하고, 이에 따라 비용과 소비전력 또한 증가하는 문제점이 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 송수신 장치의 세부블록 구성도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 송수신 장치 또는 릴레이 장치는 저복잡도 구조를 이용해, 빔포밍 안테나를 사용하는 시스템에서 송신 빔과 수신 빔을 분리하고 자기간섭 신호를 효과적으로 제거할 수 있다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 송수신 장치(100)는 크게, 베이스밴드 모뎀(110), 빔포밍(BF) 트랜시버(130), 임피던스 제어기(140), 및 패치 안테나 배열(150)을 포함할 수 있다. 전이중 송수신 장치(100)는 추가적으로 ADC(123), DAC(121), 아날로그 SIC(Self Intererence Cancellation) 모듈(122)을 포함할 수 있다.

빔포밍 트랜시버(130)는 RF 송신부, RF 수신부, 및 PLL(Phase Locked Loop)주파수 합성기를 포함하여 구성될 수 있다.

RF 송신부는 상향변환기(Tx up-converter)(131), 전력분배기(132), RF 가변증폭기(133a), 위상천이기 배열(134a), PA 배열(135a)을 포함할 수 있다. 각 PA의 출력은 안테나 배열(150)을 구성하는 개별 패치 안테나와 연결된다. 또한, RF 수신부는 4개 이상 다수의 LNA(Low Noise Amplifier)가 병렬로 배치된 LNA 배열(135b)과 위상천이기 배열(134b), RF 가변증폭기(133b), 결합기(combiner)(137), 및 하향변환기(136)를 포함하여 구성될 수 있다.

RF수신부의 하향변환기(Rx down-converter)(136)는 세부적으로는 하향변환 믹서(mixer)와 아날로그 채널 필터, 가변증폭기(VGA; variable-gain amplifier)를 포함할 수 있고, 선택한 IF(Intermediate Frequency) 주파수가 수 GHz 이상인 경우에는 추가적인 하향변환 믹서 및 필터를 포함할 수 있다. 송신부의 상향변환기(131)는 세부적으로는 아날로그 채널 필터와 상향변환 믹서로 구성되며, 수신부와 마찬가지로 선택한 IF 주파수에 따라 상향변환 믹서가 한 단계(stage) 더 추가될 수 있다.

본 발명에서는 수신부의 위상천이기(134b) 제어에 의해 형성되는 수신 빔의 입사 방향과 송신부의 위상천이기(134a)에 의해 형성되는 송신 빔의 방사 방향이 다르도록 각각의 위상천이기가 제어된다. 수신부의 위상천이기(134b)에 의해 형성되는 수신 빔과 송신부의 위상천이기(134a)에 의해 형성되는 송신 빔은 예를 들어, 20°내지 150°의 위상차를 가질 수 있다.

따라서 전이중 방식에 의해 송신기와 수신기가 동일 주파수 대역에서 동작해도 각각의 PA 출력이 수신부의 위상천이기(134b)를 거치면서 송신 경로 및 수신 경로의 위상(phase)이 달라 결합기(combiner)(137)의 출력이 20dB 이상 감소한다.

또한, 도 2를 참조하면, 안테나(150)는 다수의 소형 패치 안테나의 배열(151) 및 개별 안테나의 임피던스를 조정하는 개별 임피던스 조절기(152)를 포함하여 구성될 수 있다. 임피던스 제어기(140)는 개별 임피던스 조절기(152)를 통해 각 안테나의 임피던스를 제어한다.

이러한 본 발명에 따른 안테나의 구성예로, 밀리미터파 대역 안테나에 대한 일 실시예가 도 3을 통해 도시된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 릴레이 장치에 포함되는 안테나 패치 배열을 도시한다.

도 3의 안테나 구조는, 특히 4개의 패치 배열(안테나 패치11, 안테나 패치 12, 안테나 패치 21, 안테나 패치 22)로 구성된 안테나(200)의 예를 도시한다. 각각의 패치는 패치의 중심 간 간격이 예를 들어, 5.26mm가 되도록 거리를 두고 배치될 수 있다. 도 3과 같은 안테나 구조를 상하 좌우로 반복적으로 배치하면 임의의 N개의 패치로 구성된 안테나를 구성할 수도 있다.

패치 안테나는 FR4등으로 구성된 다층 PCB(Printed Circuit Board)의 상위 금속층(top metal layer)에 패턴(201)을 형성하고, 후면 금속층(bottom metal layer)에 접지면(202)을 형성하여 구현할 수 있다. 안테나에 대한 급전(feeding)은 각 패치 엘리먼트(element)마다 X방향(203)과 Y방향(204)의 두 방향에서 인가되어 이중 편파(dual-polarization) 신호를 생성한다. 이러한 안테나 패치의 각 단자(port)들은 빔포밍 트랜시버(130)의 PA(135a)의 출력 및 LNA(135b)의 입력단에 연결된다.

여기서, FR-4는 내화성(자기 소화성)인 에폭시 수지 바인더가 포함된 직조된 유리섬유 천으로 구성된 복합 재료로서, 유리 강화 에폭시 라미네이트 소재에 대한 NEMA 등급 지정(grade designation)을 나타낸다. "FR"은 난연제(flame retardant)를 의미한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서 안테나 배열(151)을 구성하는 각 패치 안테나는 이중편파 구조이므로 송신 PA(135a) 출력이 수신부 LNA(135b)로 인가될 때 약 30 ~ 40dB 정도의 신호 감쇄가 발생한다. 따라서 RF에서 전체적으로 약 50 ~ 60dB 정도의 자기간섭신호 제거율을 얻을 수 있다.

추가적으로, 전이중 방식에서 수신 감소 성능 저하를 최소화하려면 일반적으로 100dB 이상의 자기간섭신호 제거율이 요구된다. 이를 위해 본 발명에서 도 2에 도시된 바와 같이, ADC(123) 전단에 아날로그 SIC(122)을 추가하거나 베이스밴드 모뎀(110)에 디지털 SIC 블록을 추가로 포함할 수 있다. 아날로그 SIC(122)는 RF 트랜시버(130) 외부에 별도의 모듈로 구현할 수 있어서 기존 RF 칩의 설계 변경을 요구하지 않는다. 이와 같이, 종래의 기술은 자기간섭 제거를 위해 별도의 송신 경로를 두거나 PA 출력단에 RF FIR 필터 회로를 추가해야 하지만, 본 발명에서는 일반적인 빔포밍 트랜시버 칩(130)을 그대로 사용하면서 자기간섭제거 효과를 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 장치가 이용되는 통신 시스템에서의 송수신을 위해 형성되는 빔의 형상을 나타낸 도면이다.

본 발명에서 고려되는 무선통신 네트워크는 밀리미터파를 이용하고 기지국 또는 AP(400), 릴레이(100), 및 단말(300)을 포함할 수 있다. 도 4는 본 발명에 따른 릴레이 장치의 자기간섭제거 효과 및 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이의 동작 과정을 설명하기 위한 것이다.

기지국(base station, BS)은 진보된 기지국(advanced base station, ABS), 고신뢰성 기지국(high reliability base station, HR-BS), 노드B(node B), 고도화 노드B(evolved node B, eNodeB), 접근점(access point, AP), 무선 접근국(radio access station, RAS), 송수신 기지국(base transceiver station, BTS), MMR(mobile multihop relay)-BS, 기지국 역할을 수행하는 중계기(relay station, RS), 기지국 역할을 수행하는 중계 노드(relay node, RN), 기지국 역할을 수행하는 진보된 중계기(advanced relay station, ARS), 기지국 역할을 수행하는 고신뢰성 중계기(high reliability relay station, HR-RS), 소형 기지국[펨토 기지국(femotoBS), 홈 노드B(home node B, HNB), 홈 eNodeB(HeNB), 피코 기지국(pico BS), 메트로 기지국(metro BS), 마이크로 기지국(micro BS) 등] 등을 지칭할 수도 있고, ABS, 노드B, eNodeB, AP, RAS, BTS, MMR-BS, RS, RN, ARS, HR-RS, 소형 기지국 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.

또한 기지국은 셀의 형태에 따라 매크로(Macro) 셀, 원격무선(remote radio head, RRH) 셀, 피코(Pico) 셀, 마이크로(Micro) 셀, 펨토(Femto) 셀 등의 기지국을 지칭할 수 있다.

단말(terminal)은 이동 단말(mobile terminal, MT), 이동국(mobile station, MS), 진보된 이동국(advanced mobile station, AMS), 고신뢰성 이동국(high reliability mobile station, HR-MS), 가입자국(subscriber station, SS), 휴대 가입자국(portable subscriber station, PSS), 접근 단말(access terminal, AT), 사용자 장비(user equipment, UE) 등을 지칭할 수도 있고, MT, MS, AMS, HR-MS, SS, PSS, AT, UE 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.

기지국(또는 AP)과 단말 간의 통신은 다양한 RAT(radio access technology)(예를 들어, 4G 통신 기술, 5G 통신 기술, WiBro(wireless broadband) 기술, WLAN(wireless local area network) 기술, WPAN(wireless personal area network) 기술 등)에 기초하여 수행될 수 있다.

도 4를 참조하면, 릴레이(100)는 기지국 또는 AP(access point)(400) 가 송신하는 신호를 수신하고, 기지국(400)와 단말(300) 사이의 건물이나 인간 장애물(human blockage)에 의해 전파 감쇄가 심한 경우, SNR(Signal to Noise Ratio) 저하 없이 기지국으로부터 수신한 신호를 재생하여 증폭하고 단말로 재전송한다.

종래의 릴레이 또는 Wi-Fi 확장기(Extender)는 AP(400)와 릴레이 간의 링크 에 사용되는 주파수 대역와 단말(300)과 릴레이 간의 링크에 사용되는 주파수 대역을 달리하는 방식을 사용하였고, 이로 인해 주파수 효율이 1/2로 감소하는 결과를 가져왔다. 또한, 동시에 두 대역의 신호를 처리하기 위해 RF 트랜시버도 각각의 주파수 대역 별로 송수신부가 구성된 이중대역 구조를 가져야 하므로 칩 면적이 2배로 증가하고 이에 따라 비용이 높아지는 문제가 있다.

반면에, 본 발명에 따른 릴레이는 하향링크에서 기지국(400)으로부터 릴레이로 전송되는 빔의 방향과 릴레이(100)에서 단말(300)로 전송되는 빔의 방향을 다르게 설정한다. 또한, 본 발명에 따르면 송신 처리 및 수신 처리에서의 편파 방향을 달리하여 동일 주파수에서 송수신이 동시에 동작할 수 있다. 이는 신호가 위상배열 RF 수신기(도 2의 133b, 134b, 135b, 137)를 통과하는 과정에서 수신 빔 대비 송신 빔의 감쇄가 크게 나타나고 이중편파 안테나에 의해 추가적인 감쇄가 발생하여 전이중 방식에서 요구하는 자기간섭 제거율을 얻을 수 있기 때문이다.

발명의 또 다른 실시예에 따르면, 베이스밴드 모뎀(110) 없이 상술한 구조와 신호처리 방식의 RF 트랜시버(130) 및 안테나 배열(150)만으로 구성된 빔포밍 기반 무선 중계기(repeater)를 구성함으로써 보다 저가의 시스템을 구현할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 장치가 활용되는 통신 시스템의 개념도이다.

도 5는 무선 릴레이를 적용한 밀리미터파 대역의 대표적인 응용 예를 도시한다. 도 5를 참조하면, 일반적인 AP 또는 소형셀 기지국(400)은 하향링크에서 메인 송신기(main transmitter) 로 동작할 수 있다. 사용자의 VR(Virtual Reality) HMD(Head Mount Display) 장치가 단말로 동작할 수 있다.

본 발명에 따른 무선 릴레이(100-1, 100-2)는 기지국(400)의 송신 신호를 수신하여 전파 음영 지역에 있는 단말로 신호를 재전송할 수 있다. 릴레이를 통해 단말로 전달되는 신호는 단말이 기지국으로부터 직접 신호를 수신하는 경우에 비해 지연이 발생하는데, 예를 들어, 1ms 이내의 지연이 발생할 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이 릴레이가 단말로 신호를 송신하는 하향링크는 메인 송신기가 릴레이로 신호를 송신하는 하향링크와 다른 방향인 것이 바람직하다. 즉, 릴레이의 송신 빔 및 수신 빔의 방향을 다르게 설정하여 릴레이의 송수신이 동시에 이루어지는 데 보다 적합한 환경이 제공된다.

밀리미터파 대역에서는 전파의 직진성과 인체에 의한 전파 감쇄가 강하여 실내(Indoor) 환경에서도 전파 음영지역이 많이 발생하는데, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 저가격의 무선 릴레이를 적절한 위치에 배치하면 이러한 전파 음영지역 문제를 해결할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 장치의 블록 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 장치는 프로세서(610), 메모리(620), 및 통신 모듈(630)을 포함하여 구성될 수 있다.

통신 모듈(630)은 앞서 살펴본 본 발명의 일 실시예에 따른 전이중 송수신 장치와 동일한 블록들을 포함하고 동일한 동작을 수행할 수 있다.

구체적으로 통신 모듈(630)은, 밀리미터파를 이용해 복수의 송신 빔 및 복수의 수신 빔을 형성하며, 베이스밴드 처리되어 복수의 신호로 분리된 신호의 위상을 조절하여 복수의 송신 빔 형성하기 위한 신호를 안테나로 제공하는 RF(Radio Frequency) 송신기; 안테나로부터 입력되는 신호를 수신하고, 수신한 신호의 위상을 상기 RF 송신기가 출력하는 신호의 위상과 상이하도록 조절하는 RF(Radio Frequency) 수신기; 및 서로 다른 방향으로부터 전력이 인가되는 복수의 패치를 포함하고, 패치 각각이 상기 RF 송신기 및 상기 RF 수신기와 연결되어 복수의 방향성 빔을 형성하는 안테나 배열을 포함할 수 있다.

또한, 프로세서(610)는 기지국/AP의 위치 및 단말의 위치에 따라 다운링크의 송신 빔 및 업링크의 수신 빔의 방향을 결정하고, 결정된 방향에 따라 빔이 형성되도록 통신 모듈(630)을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로 프로세서(610)는 통신 모듈(630) 내 RF수신부의 위상천이기 제어에 의해 형성되는 수신 빔의 입사 방향과 통신 모듈(630) 내 RF 송신부의 위상천이기에 의해 형성되는 송신 빔의 방사 방향이 다르도록 각각의 위상천이기를 제어할 수 있다. 예를 들어, 수신 빔과 송신 빔은 예를 들어, 20°내지 150°의 위상차를 가질 수 있다.

메모리(620)는 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령 및 명령 수행의 결과를 저장할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.

실시예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 필드 프로그머블 게이트 어레이는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 전이중 송수신 장치/릴레이 110: 베이스밴드 모뎀
130: BF 트랜시버 140: 임피던스 제어기
150: 안테나 200: 패치 안테나
300: 단말 400: 기지국/AP

Claims (10)

1. 밀리미터파를 이용해 복수의 송신 빔 및 복수의 수신 빔을 형성하는 전이중 송수신 장치로서,
   베이스밴드 처리되고 복수 개로 분리된 신호의 위상을 조절하여 복수의 송신 빔을 형성하기 위한 신호를 안테나로 제공하는 RF(Radio Frequency) 송신기;
   안테나로부터 입력되는 신호를 수신하고, 수신한 신호의 위상을 상기 RF 송신기가 출력하는 신호의 위상과 상이하도록 조절하는 RF 수신기; 및
   서로 다른 방향으로부터 전력이 인가되는 복수의 패치를 포함하고, 패치 각각이 상기 RF 송신기 및 상기 RF 수신기와 연결되어 복수의 방향성 빔을 형성하는 안테나 배열을 포함하는, 전이중 송수신 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 RF 수신기는,
   상기 복수의 수신 빔에 대한 위상 천이를 수행하는 수신측 위상천이기 배열을 포함하고,
   상기 수신측 위상천이기 배열의 각 위상천이기는 개별 수신 빔에 대한 위상 천이를 수행하는, 전이중 송수신 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 RF 송신기는,
   상기 복수의 송신 빔에 대한 위상 천이를 수행하는 송신측 위상천이기 배열을 포함하고,
   상기 송신측 위상천이기 배열의 각 위상천이기는 개별 송신 빔에 대한 위상 천이를 수행하는, 전이중 송수신 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 송신측 위상천이기에 의해 형성되는 신호 및 상기 수신측 위상 천이기에 의해 형성되는 신호는 20°내지 150°의 위상차를 갖는, 전이중 송수신 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   베이스밴드 신호를 처리하는 베이스밴드 모뎀;
   상기 베이스밴드 모뎀으로부터 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 RF 송신기로 제공하는 제1 컨버터; 및
   상기 RF 수신기로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 베이스밴드 모뎀으로 제공하는 제2 컨버터를 더 포함하는, 전이중 송수신 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1 컨버터가 출력하는 신호에 대해 자기 간섭 제거를 수행하여 상기 제2 컨버터로 제공하는 아날로그 자기 간섭 제거(SIC) 모듈을 더 포함하는, 전이중 송수신 장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 베이스밴드 모뎀은 디지털 자기 간섭 제거 모듈을 더 포함하는, 전이중 송수신 장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 안테나 배열은,
   상이한 두 방향으로부터 급전되어 이중 편파 신호를 생성하는 복수의 패치 안테나를 포함하는, 전이중 송수신 장치.
9. 통신 모듈; 및
   기지국의 위치 및 단말의 위치에 따라 다운링크의 송신 빔 및 업링크의 수신 빔의 방향을 결정하고, 결정된 방향에 따라 빔이 형성되도록 상기 통신 모듈을 제어하는 프로세서를 포함하는 전이중 릴레이 장치로서,
   상기 통신 모듈은,
   베이스밴드 처리되어 복수의 신호로 분리된 신호의 위상을 조절하여 복수의 송신 빔 형성하기 위한 신호를 안테나로 제공하는 RF(Radio Frequency) 송신기;
   상기 안테나로부터 입력되는 신호를 수신하고, 수신한 신호의 위상을 상기 RF 송신기가 출력하는 신호의 위상과 상이하도록 조절하는 RF(Radio Frequency) 수신기; 및
   서로 다른 방향으로부터 전력이 인가되는 복수의 패치를 포함하고, 패치 각각이 상기 RF 송신기 및 상기 RF 수신기와 연결되어 복수의 방향성 빔을 형성하는 안테나 배열을 포함하는, 전이중 릴레이 장치.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 통신 모듈 내 RF수신부의 위상천이기 제어에 의해 형성되는 수신 빔의 입사 방향과 상기 통신 모듈 내 RF 송신부의 위상천이기에 의해 형성되는 송신 빔의 방사 방향이 다르도록 각 위상천이기를 제어하는, 전이중 릴레이 장치.
    

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