KR20230056932A - 전파 증폭 중계 장치 및 시스템 - Google Patents

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KR20230056932A KR1020210140768A KR20210140768A KR20230056932A KR 20230056932 A KR20230056932 A KR 20230056932A KR 1020210140768 A KR1020210140768 A KR 1020210140768A KR 20210140768 A KR20210140768 A KR 20210140768A KR 20230056932 A KR20230056932 A KR 20230056932A
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Abstract

본 발명은 전파 증폭 중계 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 공간 다중화(spatial muxing) 환경에서 각 다중화 채널에 대한 증폭비 제어를 통해 중계 효율을 개선하고 통신 용량을 증대할 수 있는 전파 증폭 중계 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는, 무선으로 전송되는 신호를 수신하는 복수(=M개)의 안테나를 포함하는 제1 안테나부; 상기 제1 안테나부에서 수신되는 복수(=M개)의 하향 링크 신호를 각각 증폭하는 제1 신호 증폭부; 디지털 신호로 변환된 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 신호 처리를 통해, 상기 제1 신호 증폭부에서의 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어해 각 송출 전력을 조절하는 디지털 신호 처리부; 및 상기 증폭된 복수의 하향 링크 신호를 각각 송출하는 복수(=M개)의 안테나를 포함하는 제2 안테나부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 장치를 개시한다.

Description

전파 증폭 중계 장치 및 시스템 {Apparatus and system for amplifying and repeating radio signal}
본 발명은 전파 증폭 중계 장치 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 공간 다중화(spatial muxing) 환경에서 각 다중화 채널에 대한 증폭비 제어를 통해 중계 효율을 개선하고 통신 용량을 증대할 수 있는 전파 증폭 중계 장치 및 시스템에 관한 것이다.
최근 무선 통신 시스템에서 사용하는 주파수 대역은 사용 가능한 광대역 통신 환경을 확보하기 위해 지속적으로 고주파 대역으로 이동하고 있는 추세이다.
예를 들어, 최근 5G 통신 시스템에서는 3.5GHz에서 28GHz 주파수 대역까지 사용하고 있으며, 이를 통해 100MHz 내지 800MHz까지 광대역의 주파수 대역을 활용할 수 있게 되었다.
그런데, 위와 같이 전송 주파수가 고주파 대역으로 이동하는 경우 광대역 서비스가 가능하다는 장점을 가지지만, 반면 전송 거리가 짧아지면서 특히 건물 내부에서의 통신 환경이 악화되는 문제가 따르게 된다.
이에 따라, 건물 내부 등에 대한 무선 통신 커버리지를 확장하기 위하여 다양한 기술이 시도되고 있다.
상기 무선 커버리지 확장 기술로는 크게 유선으로 통신 신호를 수신하는 방식과 무선으로 통신 신호를 수신하는 방식이 있다.
보다 구체적으로, 유선으로 통신 신호를 수신하는 방식으로서, 분산 안테나 시스템(Distributed Antenna System, DAS)과 광중계기 등을 들 수 있다.
상기 분산 안테나 시스템(DAS)는 3G, 4G, 5G 등의 매크로망 통신 신호를 비롯한 다양한 통신 신호를 입력받아 증폭기를 거쳐 건물 내부에 구축되어 있는 통신 케이블을 통해 건물 내부에서의 통신 서비스를 제공하게 된다. 이때 기존에 구축되어 있는 통신 케이블을 활용할 수 있고, 다양한 통신 서비스를 동시에 제공할 수 있다는 장점이 있으나, 통신 케이블의 신호 감쇄로 인해 전송 거리가 제한되고, 모든 통신 신호가 동일한 케이블을 통해 전송되므로 PIMD(Passive Intermodulation Distortion)으로 인한 통신 신호 품질 열화가 발생할 수 있다.
또한, 광중계기는 매크로망 아날로그 기지국 신호를 디지털 신호로 변환하고 광케이블을 통해 건물 내부에 구축되는 안테나를 통해 통신 서비스를 제공하게 된다. 이때 디지털로 변환된 신호를 사용하여 신호 감쇄를 방지할 수 있고 광케이블로 전송하기 때문에 통신 서비스 품질이 우수하지만, 제한된 통신 시스템만 지원 가능하고 사용되는 부품, 광케이블, 안테나 등이 고가이므로 시스템 구축 및 운용 비용이 높다는 문제가 따른다.
반면, 무선으로 통신 신호를 수신하는 방식으로는 대표적으로 RF(Radio Frequency) 중계기를 들 수 있다.
일반적인 RF 중계기는 건물 외부에 구비되는 도너(donor) 안테나를 통해 매크로망 기지국 신호를 수신하고 증폭한 후 건물 내부에 포설되어 있는 RF 케이블을 통해 전송하고 종단의 서비스(service) 안테나 등을 통해 단말로 송출하여 통신 서비스를 제공하게 된다. 그런데, 상기 RF 중계기의 경우 다양한 매크로망 신호를 최적 품질로 수신할 수 있도록 도너 안테나의 위치, 각도 등을 설치하는 것이 매우 어렵다는 제약이 따른다.
이외에 홈 ICS(Interference Cancellation System) 리피터를 들 수 있다. ICS 중계기는 무선 매크로망의 커버리지를 확장하는 솔루션 중 하나로, RF 중계기와는 달리 도너 안테나와 서비스 안테나를 독립하여 구비하지 않고 하나의 장치에 함께 장착하면서 수신된 매크로망 신호를 증폭하여 송신하게 된다. 이때, 도너 안테나와 서비스 안테나가 매우 근접 배치되어 송수신 신호간 자기 간섭(self-interference)가 피드백(feedback)되면서 품질 열화가 발생할 수 있으며, 이를 줄이기 위하여 아날로그 또는 디지털 신호처리를 통해 간섭 신호를 제거할 수도 있다. 이중 홈 ICS 리피터는 댁내 또는 건물 내부로 매크로망 신호를 증폭시켜주기 위한 장치로 설치 및 유지보수가 편리하다는 장점을 가지나, 다수의 홈 ICS 리피터가 사용되는 경우 홈 ICS 리피터가 수신된 신호 전체를 증폭시키면서 노이즈도 증폭되어 신호의 SINR(Signal-to-Interference and Noise Ratio) 특성이 열화되는 문제가 따를 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0111986호(2009년 10월 28일 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 공간 다중화(spatial muxing) 환경에서 각 다중 경로 채널에 대한 증폭비 제어를 통해 중계 효율을 개선하고 통신 용량을 증대할 수 있는 전파 증폭 중계 장치 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 공간 다중화에 사용되는 다수 안테나 간의 간섭을 최소화하여 통신 용량을 개선할 수 있는 전파 증폭 중계 장치 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 아래에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술 분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 전파 증폭 중계 장치는, 무선으로 전송되는 신호를 수신하는 복수(=M개)의 안테나를 포함하는 제1 안테나부; 상기 제1 안테나부에서 수신되는 복수(=M개)의 하향 링크 신호를 각각 증폭하는 제1 신호 증폭부; 디지털 신호로 변환된 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 신호 처리를 통해, 상기 제1 신호 증폭부에서의 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어해 각 송출 전력을 조절하는 디지털 신호 처리부; 및 상기 증폭된 복수의 하향 링크 신호를 각각 송출하는 복수(=M개)의 안테나를 포함하는 제2 안테나부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 디지털 신호 처리부는, 상기 복수의 하향 링크 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 AD 변환부; 변환된 상기 디지털 신호를 수신하여 상기 제1 신호 증폭부에서의 각 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어할 수 있도록 상기 디지털 신호를 처리하는 송출 전력 제어부; 및 상기 송출 전력 제어부에서 처리된 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 DA 변환부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 디지털 신호 처리부에서는, 상기 제1 신호 증폭부에 대하여 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 증폭비 중 하나 이상을 상이한 증폭비로 제어할 수 있다.
또한, 상기 디지털 신호 처리부에서는, 상기 제2 안테나부에서 송출되는 복수의 하향 링크 신호의 송출 전력이 미리 정해진 범위 내에서 균일하게 송출되도록 각 증폭비를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제1 신호 증폭부는, 상기 제1 안테나부를 통해 수신되는 복수(=M개)의 하향 링크 신호를 증폭하여 상기 디지털 신호 처리부로 전달하는 전단 증폭부; 및 상기 디지털 신호 처리부에서 출력되는 복수(=M개)의 하향 링크 신호를 증폭하여 상기 제2 안테나부로 전달하는 후단 증폭부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 안테나부에서 수신된 복수(=M개)의 상향 링크 신호를 각각 증폭하는 제2 신호 증폭부;를 더 포함하며. 상기 디지털 신호 처리부에서는 상기 제2 신호 증폭부에 대하여 상기 복수의 상향 링크 신호에 대한 증폭비 중 하나 이상을 상이한 증폭비로 제어하여 각 송출 전력을 조절할 수 있다.
이때, 상기 디지털 신호 처리부에서는, 상기 제2 안테나부를 통해 수신되는 복수(=M개)의 상향 링크 신호의 특성을 고려하여, 상기 제2 안테나부의 복수의 안테나로 출력되는 각 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어할 수 있다.
또한, 상기 디지털 신호 처리부에서는, 상기 하향 링크 신호와 상기 상향 링크 신호를 모두 고려하여 상호 간의 간섭을 제거할 수 있다.
또한, 상기 제1 안테나부의 복수의 안테나 또는 상기 제2 안테나부의 복수의 안테나 중 일부 또는 전부는 서로 동작 주파수의 반 파장에 해당하는 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 전파 증폭 중계 시스템은, 무선으로 전송되는 신호를 수신하는 제1 안테나; 상기 제1 안테나에서 수신되는 하향 링크 신호를 증폭하는 제1 신호 증폭부; 디지털 신호로 변환된 상기 하향 링크 신호에 대한 신호 처리를 통해, 상기 제1 신호 증폭부에서의 상기 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어해 송출 전력을 조절하는 디지털 신호 처리부; 및 상기 증폭된 하향 링크 신호를 송출하는 제2 안테나;를 포함하는 단위 전파 증폭 중계기를 복수개 적층하여 구성되며, 상기 적층된 각 단위 전파 증폭 중계기의 제1 안테나 간 또는 상기 각 단위 전파 증폭 중계기의 제2 안테나 간 거리는 서로 동작 주파수의 반 파장에 해당하는 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전파 증폭 중계 시스템은, 무선으로 전송되는 신호를 수신하는 제1 안테나; 상기 제1 안테나에서 수신되는 하향 링크 신호를 증폭하는 제1 신호 증폭부; 디지털 신호로 변환된 상기 하향 링크 신호에 대한 신호 처리를 통해, 상기 제1 신호 증폭부에서의 상기 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어해 송출 전력을 조절하는 디지털 신호 처리부; 및 상기 증폭된 하향 링크 신호를 송출하는 제2 안테나;를 포함하는 단위 전파 증폭 중계기를 복수 이격 배치하여 구성되며, 상기 각 단위 전파 증폭 중계기의 제1 안테나 간 또는 상기 각 단위 전파 증폭 중계기의 제2 안테나 간 거리는 서로 동작 주파수 파장의 두 배에 해당하는 거리 이상 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치 및 시스템에서는, 공간 다중화(spatial muxing) 환경에서 각 다중 경로 채널에 대한 증폭비 제어를 통해 중계 효율을 개선하고 통신 용량을 증대할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치 및 시스템에서는, 공간 다중화에 사용되는 다수 안테나 간의 간섭을 최소화하여 통신 용량을 개선할 수 있게 된다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)의 구조를 예시하는 블록도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)의 구체적인 구성 및 동작을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 신호 처리부(130)에 대한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2x2 편파 안테나를 사용하는 전파 증폭 중계 장치(100)에 대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 전파 증폭 중계기(200)에 대한 블록도이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 시스템을 예시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100) 및 시스템에 대한 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 차례로 설명한다.
먼저, 도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)의 구조를 예시하는 블록도가 예시되어 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)는, 무선으로 전송되는 신호를 수신하는 복수(=M개)의 안테나를 포함하는 제1 안테나부(110), 상기 제1 안테나부(110)에서 수신되는 복수(=M개)의 하향 링크 신호를 각각 증폭하는 제1 신호 증폭부(120), 디지털 신호로 변환된 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 신호 처리를 통해, 상기 제1 신호 증폭부(120)에서의 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어해 각 송출 전력을 조절하는 디지털 신호 처리부(130) 및 상기 증폭된 복수의 하향 링크 신호를 각각 송출하는 복수(=M개)의 안테나를 포함하는 제2 안테나부(150)를 포함할 수 있다.
또한, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)에는, 상기 제2 안테나부(150)에서 수신된 복수(=M개)의 상향 링크 신호를 각각 증폭하는 제2 신호 증폭부(140)가 포함될 수 있으며, 이때 상기 디지털 신호 처리부(130)에서는 상기 제2 신호 증폭부(140)에 대하여 상기 복수의 상향 링크 신호에 대한 증폭비 중 하나 이상을 상이한 증폭비로 제어하여 각 송출 전력을 조절할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)에서는 공간 다중화(spatial muxing) 환경에서 각 다중 경로 채널에 대한 증폭비 제어를 통해 중계 효율을 개선하고 통신 용량을 증대할 수 있으며, 나아가 공간 다중화에 사용되는 다수 안테나 간의 간섭을 최소화하여 통신 용량을 개선할 수 있게 된다.
또한, 도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)의 구체적인 구성 및 동작을 설명하고 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)에 대하여 각 구성 요소 별로 나누어 보다 자세하게 살핀다.
먼저, 상기 제1 안테나부(110)는 무선으로 전송되는 신호를 수신하는 복수(=M개)의 안테나를 포함하여 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 안테나부(110)에서는 3G, 4G, 5G 등 다양한 무선 통신 시스템의 기지국 안테나(10) 등으로부터 송출되는 다양한 무선 통신 신호를 수신할 수 있다.
이때, 상기 제1 안테나부(110)는 모노폴 안테나, 다이폴 안테나, 패치 안테나 등 다양한 종류의 안테나를 사용하여 구성될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 신호 증폭부(120)에서는 상기 제1 안테나부(110)에서 수신되는 복수(=M개)의 하향 링크 신호를 각각 증폭하게 된다.
보다 구체적으로, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 신호 증폭기(120)는 상기 제1 안테나부(110)를 통해 수신되는 복수(=M개)의 하향 링크 신호를 증폭하여 상기 디지털 신호 처리부(130)로 전달하는 전단 증폭부(120a) 및 상기 디지털 신호 처리부(130)에서 출력되는 복수(=M개)의 하향 링크 신호를 증폭하여 상기 제2 안테나부(150)로 전달하는 후단 증폭부(120b)를 포함할 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 전단 증폭부(120a)는 LNA(Low Noise Amplifier) 등을 이용하여 구현될 수 있고, 상기 후단 증폭부(120b)는 PA(Power Amplifier) 등을 이용하여 구현될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전단 증폭부(120a)에는 상기 복수(M개)의 하향 링크 신호에 대응하여 복수(M개)의 증폭기가 구비될 수 있고, 후단 증폭부(120b)에도 상기 복수(M개)의 하향 링크 신호에 대응하여 복수(M개)의 증폭기가 구비될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 단수 혹은 복수의 증폭기를 공유하면서 주파수 또는 시간 분할하여 상기 복수(M개)의 하향 링크 신호를 각각 증폭할 수도 있다.
또한, 상기 디지털 신호 처리부(130)에서는, 디지털 신호로 변환된 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 신호 처리를 통해, 상기 제1 신호 증폭부(120)에서의 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어해 각 송출 전력을 조절하게 된다.
보다 구체적으로, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 디지털 신호 처리부(130)는, 상기 복수의 하향 링크 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 AD 변환부(131), 변환된 상기 디지털 신호를 수신하여 상기 제1 신호 증폭부에서의 각 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어할 수 있도록 상기 디지털 신호를 처리하는 송출 전력 제어부(132) 및 상기 송출 전력 제어부(132)에서 처리된 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 DA 변환부(133)를 포함하여 구성될 수 있다.
이에 따라, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 전단 증폭기(120a)에서 출력되는 복수(M개)의 하향 링크 신호는 상기 AD 변환부(131)를 거쳐 복수의 디지털 신호로 변환되고, 상기 송출 전력 제어부(132)로 전달될 수 있다.
이에 따라, 상기 송출 전력 제어부(132)에서는 복수의 하향 링크 신호에 대한 각 디지털 신호를 처리하여 디지털 신호를 증감시켜 줄 수 있고, 이어서 상기 디지털 신호가 다시 DA 변환부(133)를 거쳐 상기 후단 증폭부(120b)로 전달되어 증폭되면서 각 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 조절할 수 있게 된다.
이때, 상기 디지털 신호 처리부(130)에서는, 상기 제2 안테나부(150)에서 송출되는 복수의 하향 링크 신호의 송출 전력이 미리 정해진 범위 내에서 균일하게 송출되도록 각 증폭비를 제어함으로써, 특정한 하향 링크의 신호가 약하거나 다른 이유로 효율이 떨어지면서 중계 성능이 저하되는 경우를 방지할 수 있게 된다.
나아가, 상기 디지털 신호 처리부(130)에서는, 상기 제1 신호 증폭부(120)에 대하여 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 증폭비 중 하나 이상을 상이한 증폭비로 제어하도록 하여, 상기 하나 이상의 하향 링크 신호에 대한 신호 강도를 증감시켜 공간 다중화(spatial muxing)에 따른 중계 성능을 개선하고 통신 용량을 중대할 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 제2 안테나부(150)에서는 상기 증폭된 복수의 하향 링크 신호를 각각 송출하는 복수(=M개)의 안테나를 포함할 수 있다.
이에 따라, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제2 안테나부(150)에서는 3G, 4G, 5G 등 다양한 무선 통신 시스템의 단말(20) 등으로부터 증폭된 하량 링크 신호를 송출할 수 있다.
이때, 상기 제2 안테나부(150)는 모노폴 안테나, 다이폴 안테나, 패치 안테나 등 다양한 종류의 안테나를 사용하여 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2에서 상기 기지국 안테나(10)에서 송출된 전파가 상기 전파 증폭 중계 장치(100)를 거쳐 상기 단말(20) 측으로 송출되는 과정을 수식을 사용하여 모델링하면 아래와 같다.
즉, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, n개의 기지국 안테나(10)에서 송출된 전파가 m개의 도너(donor) 안테나(=제1 안테나부(110))로 수신되는 하향 링크 신호를 수식으로 표현하며 아래 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, x는 기지국 안테나(10)에서 송출되는 신호, H는 상기 각 기지국 안테나(10)에서 상기 각 도너 안테나까지 전송되는 채널의 전달 함수, n은 잡음 신호에 해당한다.
이에 따라, 상기 도너 안테나에서 수신된 신호 r은 상기 전파 증폭 중계 장치(100)를 거치면서 아래 수학식 2와 같이 각 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어하여 증폭되어 단말(20) 측의 서비스(service) 안테나(=제2 안테나부(150))로 출력될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, 대각 행렬 P는 각 서비스 안테나에 대한 증폭비를 의미하며, 상기 디지털 신호 처리부(130)의 송출 전력 제어부(132)에 의하여 결정될 수 있으며, 상기 각 서비스 안테나에 대한 할당 전력의 합은 총 전력 PTot로 제한될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 송출 전력 제어부(132)에서는 다양한 상황에 맞추어 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 각 증폭비를 제어할 수 있다.
보다 구체적인 예를 들어, 상기 송출 전력 제어부(132)에서는 아래 수학식 3과 같이 상기 각 도너 안테나에서 수신된 전력에 비례하여 각 서비스 안테나로 송출되는 전력을 할당할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, pi는 각 서비스 안테나에 대하여 할당되는 전력을 의미하고, ri는 각 도너 안테나에서 수신되는 전력을 의미한다.
따라서, 상기 송출 전력 제어부(132)에서는 상기 제1 전력 증폭부(120) 또는 상기 제2 전력 증폭부(140)의 최대 전력을 넘지 않도록 상기 각 도너 안테나에서 수신된 전력에 비례하여 각 서비스 안테나로 송출되는 전력을 증폭하게 된다.
또한, 상기 송출 전력 제어부(132)에서는 아래 수학식 4와 같이 상기 각 도너 안테나에서 수신된 전력에 대하여 전력 비율을 조절하여 각 서비스 안테나에서 송출되는 전력이 균일하도록 할당할 수도 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
여기서, pi는 각 서비스 안테나에 대하여 할당되는 전력을 의미하고, ri는 각 도너 안테나에서 수신되는 전력을 의미하고, m은 도너 안테나의 개수를 의미한다.
따라서, 상기 송출 전력 제어부(132)에서는 상기 제1 전력 증폭부(120) 또는 상기 제2 전력 증폭부(140)의 최대 전력을 넘지 않는 선에서 상기 각 도너 안테나에서 수신된 전력에 대하여 증폭비를 조절하여 각 서비스 안테나에서 송출되는 전력이 균일하도록 조절하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)에서는 다중 안테나를 사용하여 무선 신호를 증폭하여 중계함에 있어서, 기지국 안테나(10) 등으로부터 수신된 신호에 대한 증폭비를 제어하여 증폭하면서 각 서비스 안테나에 대한 송출 전력 계수를 조절하여 안테나 이득 및 신호대 잡음비(SNR)를 개선할 수 있게 된다.
나아가, 샤논(Shannon) 이론에서 볼 수 있는 바와 같이 채널 용량은 랭크(rank)과 신호대 잡음비(SNR)의 로그값에 비례할 수 있는데, 종래 중계기에서는 통상적으로 증폭기가 신호 뿐만 아니라 잡음도 증폭하게 되므로 신호대 잡음비(SNR)을 개선하기 어려우나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)에서는 단말(20) 등에서 체감하게 되는 다중 안테나의 랭크(rank)를 증가시켜 공간 다중화(spatial muxing)에서 다중 레이어(layer)로 서로 독립된 데이터를 전송할 수 있게 되어 무선 통신 용량을 효과적으로 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 2 x 2 편파 안테나를 사용하는 전파 증폭 중계 장치(100)를 예시하고 있다.
도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 안테나부(110) 또는 상기 제2 안테나부(150)는 2 x 2 편파(polarization) 안테나를 이용하여 구현될 수 있으며, 이때 편파(polarization)kf π/2 (90˚) 차이가 나는 듀얼폴(dual-pole) 안테나 2개가 교차하도록 함으로써, 서로 독립성이 유지되어 2개의 서로 다른 신호를 송출할 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)에서, 상기 제1 안테나부(110)의 복수의 안테나 또는 상기 제2 안테나부(150)의 복수의 안테나 중 일부 또는 전부는 서로 동작 주파수의 반 파장에 해당하는 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 안테나부(110)의 복수의 안테나 또는 상기 제2 안테나부(150)의 복수의 안테나를 서로 λ/2 간격으로 이격하여 배치하면 상기 이격된 안테나에서 송출되는 신호는 상호간의 간섭이 최소화되면서 각 안테나가 다시 서로 다른 신호를 송출할 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)에서는, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 2 x 2 편파 안테나 등 복수의 안테나를 서로 λ/2 간격으로 이격 배치하여 통신 용량을 반복하여 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)에는, 상기 제2 안테나부(150)에서 수신된 복수(=M개)의 상향 링크 신호를 각각 증폭하는 제2 신호 증폭부(140)가 더 포함될 수 있으며, 이때 상기 디지털 신호 처리부(130)에서는 상기 제2 신호 증폭부(140)에 대하여 상기 복수의 상향 링크 신호에 대한 증폭비 중 하나 이상을 상이한 증폭비로 제어하여 각 송출 전력을 조절할 수 있다.
이때, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 디지털 신호 처리부(130)는, 상기 복수의 상향 링크 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 AD 변환부(134), 변환된 상기 디지털 신호를 수신하여 상기 제2 신호 증폭부(140)에서의 각 상향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어할 수 있도록 상기 디지털 신호를 처리하는 송출 전력 제어부(135) 및 상기 송출 전력 제어부(135)에서 처리된 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 DA 변환부(136)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 신호 증폭부(140)는, 상기 제2 안테나부(150)를 통해 수신되는 복수(=M개)의 상향 링크 신호를 증폭하여 상기 디지털 신호 처리부(130)로 전달하는 전단 증폭부(140a) 및 상기 디지털 신호 처리부(130)에서 출력되는 복수(=M개)의 상향 링크 신호를 증폭하여 상기 제1 안테나부(110)로 전달하는 후단 증폭부(140b)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 디지털 신호 처리부(130)에서는 상기 제2 신호 증폭부(140)에 대하여 상기 복수의 상향 링크 신호에 대한 증폭비 중 하나 이상을 상이한 증폭비로 제어할 수 있으며, 또한 상기 디지털 신호 처리부(130)에서는 상기 제1 안테나부(110)에서 송출되는 복수의 상향 링크 신호의 송출 전력이 미리 정해진 범위 내에서 균일하게 송출되도록 각 증폭비를 제어할 수도 있다.
나아가, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 디지털 신호 처리부(130)에는 상기 하향 링크 신호와 상기 상향 링크 신호를 모두 고려하여 상호 간의 간섭을 제거하는 간섭 제거부(137)가 구비될 수도 있다.
보다 구체적으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)의 동작을 구체적으로 살펴보면, 먼저 기지국 안테나(10) 등에서 송출된 신호는 상기 제1 안테나부(110)를 통해 수신되어 제1 신호 증폭부(120)의 전단 증폭부(120a)를 거쳐 1차 증폭된 후, 디지털 신호 처리부(130)에서 디지털 신호로 변환되고, 단말(20) 측으로 송신되는 신호가 상기 제2 안테나부(150)를 통해 피드백되는 간섭 신호를 간섭 제거부(137)를 통해 제거하고, (하향 링크) 송출 전력 제어부(132)를 통해 제2 안테나부(150)의 각 안테나로 송출되는 전력을 결정한 후, 다시 아날로그 신호로 변환해 후단 증폭부(120b)를 거쳐 2차 증폭하여 단말(20)로 송출하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100)에서는 복수의 신호를 디지털 신호로 변환하고 각 디지털 신호를 처리하여 아날로그 신호에 대한 증폭비를 제어하고 각 안테나로 송출되는 전력을 할당하여 무선 통신 용량을 증가시킬 수 있게 된다.
이때, 상기 제1 안테나부(110)의 안테나 개수와 상기 제2 안테나부(120)의 안테나 개수는 상기 단말(20)의 안테나 개수와 동일하게 설계될 수 있으며, 이때 단말(20)에서 공간 다중화(spatial muxing)로 수용할 수 있는 레이어 수와 동일하게 되어, 기지국 측에서 단말(20)로 각 레이어 별로 데이터를 송신할 수 있도록 하고, 이를 통해 단말(20)에서의 무선 통신 용량이 레이어 개수만큼 향상될 수 있게 된다.
또한, 도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 전파 증폭 중계기(200)를 예시하고 있으며, 도 6 및 도 7에서는 상기 단위 전파 증폭 중계기(200)를 사용한 전파 증폭 중계 시스템을 예시하고 있다.
상기 단위 증폭 중계기(200) 및 이를 사용하는 전파 증폭 중계 시스템에 대해서는, 앞서 자세히 설명한 전파 증폭 중계 장치(100)의 설명을 참고하여 이해하고 구현할 수 있으므로, 아래에서는 상기 단위 증폭 중계기(200) 및 이를 사용하는 전파 증폭 중계 시스템의 핵심적 구성 및 요지를 중심으로 간략히 설명한다.
먼저, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 전파 증폭 중계기(200)는 제1 안테나(210), 제1 신호 증폭부(220), 디지털 신호 처리부(230), 제2 신호 처리부(240) 및 제2 안테나(250)를 포함할 수 있다.
또한, 도 6 을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 시스템은 상기 단위 전파 증폭 중계기(200)를 적층하여 구성될 수 있으며, 보다 구체적으로, 무선으로 전송되는 신호를 수신하는 제1 안테나(210), 상기 제1 안테나(210)에서 수신되는 하향 링크 신호를 증폭하는 제1 신호 증폭부(220), 디지털 신호로 변환된 상기 하향 링크 신호에 대한 신호 처리를 통해, 상기 제1 신호 증폭부(220)에서의 상기 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어해 송출 전력을 조절하는 디지털 신호 처리부(230) 및 상기 증폭된 하향 링크 신호를 송출하는 제2 안테나(250)를 포함하는 단위 전파 증폭 중계기를 복수개 적층하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 적층된 각 단위 전파 증폭 중계기(200)의 제1 안테나(210) 간 또는 상기 각 단위 전파 증폭 중계기(200)의 제2 안테나(250) 간 거리는 서로 동작 주파수의 반 파장에 해당하는 거리만큼 이격되어 배치되는 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 전파 증폭 중계기(200) 및 전파 증폭 중계 시스템에는, 상기 제2 안테나(250)에서 수신된 상향 링크 신호를 증폭하는 제2 신호 증폭부(240)가 더 포함될 수 있다.
이에 따라, 상기 복수의 단위 전파 증폭 중계기(200)가 적층되어 구성되는 전파 증폭 중계 시스템에서는, 적층된 각 단위 전파 증폭 중계기(200)의 제1 안테나(210) 간 또는 상기 각 단위 전파 증폭 중계기(200)의 제2 안테나(250) 간 거리를 서로 동작 주파수의 반 파장에 해당하는 거리만큼 이격되어 배치되도록 함으로써, 간단한 적층 작업 만으로 각 단위 전파 증폭 중계기(200)가 서로 독립된 경로로 전파를 송수신할 수 있으며, 공간 다중화(spatial muxing)을 위한 다중 레이어를 구성할 수 있게 된다.
나아가, 상기 복수의 단위 전파 증폭 중계기(200)에서는 유선 또는 무선 통신을 통해 상호 데이터를 교환하면서 각 신호에 대한 증폭비 및 각 안테나에서 송출되는 전력을 결정하고 할당할 수도 있다.
또한, 도 7 을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 시스템은 상기 단위 전파 증폭 중계기(200)를 이격 배치하여 구성될 수 있으며, 보다 구체적으로, 무선으로 전송되는 신호를 수신하는 제1 안테나(210), 상기 제1 안테나(210)에서 수신되는 하향 링크 신호를 증폭하는 제1 신호 증폭부(220), 디지털 신호로 변환된 상기 하향 링크 신호에 대한 신호 처리를 통해, 상기 제1 신호 증폭부(220)에서의 상기 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어해 송출 전력을 조절하는 디지털 신호 처리부(230) 및 상기 증폭된 하향 링크 신호를 송출하는 제2 안테나(250)를 포함하는 단위 전파 증폭 중계기(200)를 복수 이격 배치하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 각 단위 전파 증폭 중계기(200)의 제1 안테나(210) 간 또는 상기 각 단위 전파 증폭 중계기(200)의 제2 안테나(250) 간 거리는 서로 동작 주파수 파장의 두 배에 해당하는 거리 이상 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 전파 증폭 중계기(200) 및 전파 증폭 중계 시스템에는, 상기 제2 안테나(250)에서 수신된 상향 링크 신호를 증폭하는 제2 신호 증폭부(240)가 더 포함될 수 있다.
이에 따라, 상기 복수의 단위 전파 증폭 중계기(200)가 이격 배치되어 구성되는 전파 증폭 중계 시스템에서는, 이격 배치된 각 단위 전파 증폭 중계기(200)의 제1 안테나(210) 간 또는 상기 각 단위 전파 증폭 중계기(200)의 제2 안테나(250) 간 거리를 서로 동작 주파수의 두 배 이상의 거리에 배치되도록 함으로써, 상호 간의 간섭을 억제하여 각 단위 전파 증폭 중계기(200)가 서로 독립된 경로로 전파를 송수신할 수 있으며, 공간 다중화(spatial muxing)을 위한 다중 레이어를 구성할 수 있게 된다.
나아가, 상기 복수의 단위 전파 증폭 중계기(200)에서는 유선 또는 무선 통신을 통해 상호 데이터를 교환하면서 각 신호에 대한 증폭비 및 각 안테나에서 송출되는 전력을 결정하고 할당할 수도 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100) 및 시스템에서는, 공간 다중화(spatial muxing) 환경에서 각 다중 경로 채널에 대한 증폭비 제어를 통해 중계 효율을 개선하고 통신 용량을 증대할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 증폭 중계 장치(100) 및 시스템에서는, 공간 다중화에 사용되는 다수 안테나 간의 간섭을 최소화하여 통신 용량을 개선할 수 있게 된다.
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 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 기지국 안테나
20 : 단말
100 : 전파 증폭 중계 장치
110 : 제1 안테나부
120 : 제1 신호 증폭부
120a : 전단 증폭부
120b : 후단 증폭부
130 : 디지털 신호 처리부
131 : AD 변환부
132 : 송출 전력 제어부
133 : DA 변환부
134 : AD 변환부
135 : 송출 전력 제어부
136 : DA 변환부
137 : 간섭 제거부
140 : 제2 신호 증폭부
140a : 전단 증폭부
140b : 후단 증폭부
150 : 제2 안테나부
200 : 단위 전파 증폭기
210 : 제1 안테나
220 : 제1 증폭부
230 : 디지털 신호 처리부
240 : 제2 증폭부
250 : 제2 안테나

Claims (11)

  1. 무선으로 전송되는 신호를 수신하는 복수(=M개)의 안테나를 포함하는 제1 안테나부;
    상기 제1 안테나부에서 수신되는 복수(=M개)의 하향 링크 신호를 각각 증폭하는 제1 신호 증폭부;
    디지털 신호로 변환된 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 신호 처리를 통해, 상기 제1 신호 증폭부에서의 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어해 각 송출 전력을 조절하는 디지털 신호 처리부; 및
    상기 증폭된 복수의 하향 링크 신호를 각각 송출하는 복수(=M개)의 안테나를 포함하는 제2 안테나부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부는,
    상기 복수의 하향 링크 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 AD 변환부;
    변환된 상기 디지털 신호를 수신하여 상기 제1 신호 증폭부에서의 각 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어할 수 있도록 상기 디지털 신호를 처리하는 송출 전력 제어부; 및
    상기 송출 전력 제어부에서 처리된 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 DA 변환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부에서는,
    상기 제1 신호 증폭부에 대하여 상기 복수의 하향 링크 신호에 대한 증폭비 중 하나 이상을 상이한 증폭비로 제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부에서는,
    상기 제2 안테나부에서 송출되는 복수의 하향 링크 신호의 송출 전력이 미리 정해진 범위 내에서 균일하게 송출되도록 각 증폭비를 제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호 증폭부는,
    상기 제1 안테나부를 통해 수신되는 복수(=M개)의 하향 링크 신호를 증폭하여 상기 디지털 신호 처리부로 전달하는 전단 증폭부; 및
    상기 디지털 신호 처리부에서 출력되는 복수(=M개)의 하향 링크 신호를 증폭하여 상기 제2 안테나부로 전달하는 후단 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 안테나부에서 수신된 복수(=M개)의 상향 링크 신호를 각각 증폭하는 제2 신호 증폭부;를 더 포함하며.
    상기 디지털 신호 처리부에서는 상기 제2 신호 증폭부에 대하여 상기 복수의 상향 링크 신호에 대한 증폭비 중 하나 이상을 상이한 증폭비로 제어하여 각 송출 전력을 조절하는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부에서는,
    상기 제2 안테나부를 통해 수신되는 복수(=M개)의 상향 링크 신호의 특성을 고려하여,
    상기 제2 안테나부의 복수의 안테나로 출력되는 각 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어하는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부에서는,
    상기 하향 링크 신호와 상기 상향 링크 신호를 모두 고려하여 상호 간의 간섭을 제거하는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나부의 복수의 안테나 또는 상기 제2 안테나부의 복수의 안테나 중 일부 또는 전부는 서로 동작 주파수의 반 파장에 해당하는 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 장치.
  10. 무선으로 전송되는 신호를 수신하는 제1 안테나;
    상기 제1 안테나에서 수신되는 하향 링크 신호를 증폭하는 제1 신호 증폭부;
    디지털 신호로 변환된 상기 하향 링크 신호에 대한 신호 처리를 통해, 상기 제1 신호 증폭부에서의 상기 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어해 송출 전력을 조절하는 디지털 신호 처리부; 및
    상기 증폭된 하향 링크 신호를 송출하는 제2 안테나;를 포함하는 단위 전파 증폭 중계기를 복수개 적층하여 구성되며,
    상기 적층된 각 단위 전파 증폭 중계기의 제1 안테나 간 또는 상기 각 단위 전파 증폭 중계기의 제2 안테나 간 거리는 서로 동작 주파수의 반 파장에 해당하는 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 시스템.
  11. 무선으로 전송되는 신호를 수신하는 제1 안테나;
    상기 제1 안테나에서 수신되는 하향 링크 신호를 증폭하는 제1 신호 증폭부;
    디지털 신호로 변환된 상기 하향 링크 신호에 대한 신호 처리를 통해, 상기 제1 신호 증폭부에서의 상기 하향 링크 신호에 대한 증폭비를 제어해 송출 전력을 조절하는 디지털 신호 처리부; 및
    상기 증폭된 하향 링크 신호를 송출하는 제2 안테나;를 포함하는 단위 전파 증폭 중계기를 복수 이격 배치하여 구성되며,
    상기 각 단위 전파 증폭 중계기의 제1 안테나 간 또는 상기 각 단위 전파 증폭 중계기의 제2 안테나 간 거리는 서로 동작 주파수 파장의 두 배에 해당하는 거리 이상 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 전파 증폭 중계 시스템.
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