WO2014204070A1 - 안테나 배열에서 빔 형성 방법 및 장치 - Google Patents

안테나 배열에서 빔 형성 방법 및 장치 Download PDF

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WO2014204070A1
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antenna
antennas
multiband
array
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이경행
박성호
경수철
강지원
고현수
김수남
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엘지전자 주식회사
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    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
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    • H04B—TRANSMISSION
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    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/10—Polarisation diversity; Directional diversity

Definitions

  • the present invention relates to an antenna array, and more particularly to a method of forming a beam in an antenna array.
  • next generation mobile communication system aims to provide a high speed link service between a base station and a plurality of users.
  • Gbps gigabits per second
  • Beamforming is an antenna technology in which energy radiated from an antenna is concentrated in a specific direction in space.
  • the purpose of beamforming is to receive a stronger signal from the desired direction or to deliver a signal with more concentrated energy in the desired direction.
  • the beamforming system is required to implement various types of beams of high gain for high speed and high capacity of the wireless communication system.
  • the beamforming system may be used in high path loss bands such as high-speed transmission / reception communication of a large amount of data to a large number of users, various satellite air communication using a smart antenna such as satellite, aviation, and the like. Accordingly, beamforming communication is being studied in various fields such as next generation mobile communication and various radar, military and aerospace communication, indoor and building high speed data communication, wireless local area network (WLAN), and wireless personal area network (WPAN). .
  • WLAN wireless local area network
  • WPAN wireless personal area network
  • An object of the present invention is to provide a method for controlling the beam width for each band in the antenna array.
  • Another object of the present invention is to provide an antenna array for controlling the beam width for each band.
  • the multiband antenna set includes a plurality of multiband antennas operating in a plurality of bands including the first band, and the antenna array includes a distance between the plurality of single band antennas and the plurality of multiband antennas. It can be arranged in a two-dimensional plane to be constant.
  • the base station is a radio frequency (RF) unit and the RF implemented to transmit and receive a radio signal
  • RF radio frequency
  • a processor that is selectively connected to the unit, wherein the processor forms a first beam pattern based on a single band antenna set and a multi band antenna set in a first band, and the multi band in another band except the first band.
  • the single band antenna set includes a plurality of single band antennas operating only in the first band
  • the multi-band antenna set includes the first band
  • a plurality of multi-band antennas operating in a plurality of bands wherein the antenna array comprises: Of the distance between the single band antenna and the plurality of multi-band antennas to be constant it may be arranged in a two dimensional plane.
  • Radiating beams having different beam widths for each band in an antenna array having a plurality of operating frequency bands overcomes performance degradation due to interference between cells as well as inter-cell interference caused by 3D (dimension) beamforming
  • a phenomenon in which a terminal falls into a null may be overcome.
  • an antenna array may be implemented to effectively form a link between a terminal and a base station in a line of sight (LOS) environment or other non-line of sight (NLOS).
  • LOS line of sight
  • NLOS non-line of sight
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a structure of an antenna array of a conventional base station / terminal.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an antenna resonance circuit.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an antenna tilting method.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating an active antenna system.
  • 5 is a conceptual diagram illustrating a 3D beamforming method.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a beamforming operation of an antenna.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating an antenna array and a beamforming shape according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the arrangement of an antenna in an antenna arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating the arrangement of antennas in an antenna array according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating the arrangement of an antenna in an antenna arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating an antenna arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram illustrating a band antenna operating in band A according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a multi-band antenna also operating in band B according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating a multi-band antenna also operating in band C according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a block diagram showing a wireless communication system according to an embodiment of the present invention.
  • the user equipment may be fixed or mobile, and may include a mobile station (MS), a mobile terminal (MT), a user terminal (UT), a subscriber station (SS), a wireless device, and a personal digital assistant (PDA). It may be called other terms such as digital assistant, wireless modem, handheld device.
  • MS mobile station
  • MT mobile terminal
  • UT user terminal
  • SS subscriber station
  • PDA personal digital assistant
  • a base station generally refers to a fixed station communicating with a terminal, and may be referred to as other terms such as an evolved-NodeB (eNB), a base transceiver system (BTS), and an access point.
  • eNB evolved-NodeB
  • BTS base transceiver system
  • access point an access point
  • An antenna array is a collection of several physical antennas.
  • an antenna array may be arranged in a space, and many small antennas may be used in the array.
  • Array antennas based on multiple small antennas can solve the mechanical problem of a single large antenna by an electrical problem of feeding a small antenna.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a structure of an antenna array of a conventional base station / terminal.
  • the structure of the antenna form or the antenna array 100 of the existing base station / terminal largely uses a uniform linear array (ULA) scheme.
  • the ULA may be arranged in a linear array structure while maintaining a constant distance between the antenna having the same resonance frequency and each single antenna 150.
  • the arrangement is usually made of the same elements arranged regularly, and may have a structure in which a plurality of antennas 150 are constantly arranged in a space and a plurality of antennas 150 are connected to each other to obtain a directed radiation pattern. .
  • a technique for performing modem signal processing using a plurality of antennas 150 is called a multiple antenna (antenna array) communication technique in a mobile communication system.
  • Determining the performance of the antenna array 100 may be determined by the operation characteristics and the type of the single antenna 150 implementing the antenna array 100, the resonance frequency and current distribution and emission of the single antenna 150 operates
  • the operating band and characteristics of the antenna array 100 may be determined according to the pattern. Equation 1 below represents an electric field characteristic of the antenna array 100.
  • Equation 1 Is the array feed coefficients, Is the intrinsic impedance, r is the transmit / receive distance, Et is the total electric radiated field, k is the Boltzmann constant value, Is an amplitude excitation of the antenna element, B is a reference to the central point of the array (excitation phase), and d is a distance between antennas. That is, referring to Equation 1, it can be seen that the characteristics of the antenna array 100 are determined by the characteristics of the single antenna constituting the antenna array 100, the number of antenna arrays, and the distance between antennas.
  • Equation 1 representing the total electric field generated in the antenna array 100 may be expressed as a product of an element factor and an array factor (hereinafter, AF) of the single antenna 150.
  • the element factor of the single antenna 150 is characteristic information of the single antenna 150
  • AF is an element that determines information on the entire radiation beam pattern radiated from the antenna array 100 when the antennas included in the array are combined. Can be.
  • the entire electric field of the antenna array 100 is based on the electric field and AF of the single antenna 150 located at the origin. Can be determined. Therefore, the total electric field of the antenna array 100 may be determined depending on the characteristics of each individual single antenna 150 and the number of antennas.
  • the radiation pattern of the antenna array 100 is determined by the shape of each individual antennas, their direction, their position in space, and the magnitude and phase of the feeding current, and the beam width emitted is determined by the single antenna 150. It is dependent on the number, and the larger the number, the finer the beam steering and the beam width can be. Therefore, as the number of single antennas 150 having the same shape and characteristics is increased, the beamforming may be more precise. A beam with a very narrow beam width is called a pencil beam.
  • a base station / terminal may use an antenna array 100 having a ULA structure, and a plurality of single antennas having the same characteristics to have the same radiation beam pattern in all mobile communication service bands. It can be implemented by arranging 150.
  • the antenna can be operated only if it is designed to fit the wireless communication service band to be used, and in order to fit the operating band, the antenna can be transmitted and received in a specific frequency band only when resonance occurs.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an antenna resonance circuit.
  • FIG. 2 shows a primary resonance equivalent circuit of an antenna operating in a single band.
  • the first resonance equivalent circuit of the antenna operates in a single band by an inductor and a capacitor, which are reactance components, and the radiation pattern may be independent according to the designed antenna type.
  • the single band has not overcome the disadvantages of the narrow operating band and the difficulties of the ultra wide band (UWB) design.
  • UWB ultra wide band
  • a multi-band antenna has been developed. In the case of the antenna used in the existing base station, as the service band gradually increases, the operating band required for the antenna also increases, and a multi-band antenna having a plurality of operating bands of the antenna begins to be used.
  • Multiband antennas are antennas in which resonance occurs in a plurality of bands.
  • Multi-band antennas can be configured by synthesizing a plurality of antennas having a normal half-wave length.
  • Reactance components that cause resonance may be implemented based on a combination of transmission lines.
  • the antenna may be implemented by combining various types of antennas or a combination of transmission lines, or may be implemented by using a meander type antenna. The radiation pattern of the antenna is changed according to the designed antenna shape.
  • a patch antenna In the case of a multi-band antenna, in most cases, a patch antenna, a planar antenna, a loop antenna, a monopole antenna, a dipole antenna, and a meta-material antenna It is implemented by an antenna and the like, their radiation form is characterized by having a common omni-directional radiation form.
  • an antenna array structure capable of beamforming may be implemented by arranging a plurality of antennas having omni-directional characteristics.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an antenna tilting method.
  • FIG. 3 shows that the antenna tilting is not performed, the middle of FIG. 3 shows mechanical tilting, and the bottom of FIG. 3 shows electrical tilting.
  • a base station operates an antenna based on mechanical tilting or electrical tilting.
  • inter-cell interference may be reduced and signal to interference-plus-noise ratio (SINR) of terminals in a cell may be improved.
  • SINR signal to interference-plus-noise ratio
  • the beam direction is fixed at the initial installation, and the mechanical tilting angle is determined according to the height of the building in which the base station is installed and the height of the support, so that the radiation beam width width should be wide.
  • the tilting angle can be changed using an internal phase shift module, but in fact, only a very limited vertical beamforming is possible due to cell fixed tilting.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating an active antenna system.
  • an active antenna system is an antenna system having a feature in which a radio frequency (RF) module 400 is coupled to each of the antenna 450, which is a passive element, unlike an existing passive antenna system. Can be.
  • RF radio frequency
  • the active antenna system includes an RF module 400, that is, an active element, in each antenna 450, so that power and phase adjustment for each antenna module is possible.
  • the active antenna system not only improves antenna performance issues (smaller antenna effective length increase, increased bandwidth, less mutual coupling between array elements and improved noise component, higher transmit power efficiency, etc.), but also MIC ( High integration is possible in conjunction with microwave integrated circuit (MMIC) and monolithic microwave integrated circuit (MMIC) technologies.
  • MMIC microwave integrated circuit
  • MMIC monolithic microwave integrated circuit
  • the active antenna system is a form in which the RF module 450 is coupled to each antenna 450 included in the active antenna system. Therefore, the antenna can be controlled for each port so that the antenna can adjust the phase and output to suit the communication environment and situation.
  • 5 is a conceptual diagram illustrating a 3D beamforming method.
  • the MIMO antenna structure which has been generally considered in the past, is considered to be linear, that is, one-dimensional antenna arrangement like a uniform linear array (ULA).
  • ULA uniform linear array
  • the one-dimensional antenna array structure beams that can be generated by beamforming may have a pattern radiated in a two-dimensional plane.
  • the power energy output from the antenna is not concentrated to one point, the shape of the beam is changed according to the arrangement position, antenna type, etc. of the antenna.
  • the ULA structure is also applied to the passive antenna system (PAS) based MIMO structure of the base station.
  • the PAS base station also had vertical and horizontal antennas, but the vertical antennas were tied to one RF module, which prevented beamforming in the vertical direction, and only the above-described mechanical tilting was possible.
  • each RF module is installed independently in the vertical antennas, so that beamforming is possible not only in the horizontal direction but also in the vertical direction.
  • Such vertical beamforming is also referred to as elevation beamforming.
  • 3D beamforming is a beamforming capable of elevation beamforming, in which a beam may be radiated into a three-dimensional space in a vertical direction and a horizontal direction.
  • the 3D beamforming may be enabled by evolving from the 1D antenna array structure to the planar 2D antenna array structure.
  • the antenna array does not have to have a planar shape, but a three-dimensional array structure in the form of a conformal (ring) array is possible.
  • What is important about 3D beamforming is that MIMO processing is performed in three-dimensional space due to various types of antenna arrangements rather than the existing linear arrangements.
  • the beam may be transmitted to the terminal through beamforming not only when the terminal moves left and right, but also when the terminal moves back and forth.
  • the shape of the beam output from the base station configured by the antenna array with AAS maintains a constant half power beam width (HPBW), and precisely operates with a narrow HPBW.
  • HPBW half power beam width
  • the antenna operates in a narrow HPBW, if the LOS environment is not formed between the terminal and the base station, an accurate link is not established between the terminal and the base station, and thus has a disadvantage in that communication is not performed smoothly.
  • an embodiment of the present invention proposes an antenna structure that can adjust the beamforming beam width transmitted from the base station for each band in an environment in which beamforming is difficult to be performed between the terminal and the base station.
  • the base station enables 3D beamforming due to the development of AAS, and the shape of the beam radiated from the antenna used in the base station / terminal can be more precise according to the increasing number of antennas.
  • elevation beamforming or vertical beamforming
  • the base station can minimize the inter-cell interference through the transmission range control in the cell.
  • the base station / terminal can effectively form a link and perform data transmission and reception in a situation where beamforming is not secured (eg, when a line of sight (LOS) is not secured).
  • LOS line of sight
  • an embodiment of the present invention discloses a change in antenna arrangement structure and an antenna arrangement operating with different beam widths in different bands in AAS.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a beamforming operation of an antenna.
  • FIG. 6 a beamforming shape of an antenna array implemented with a plurality of single band antennas operating in a single band is shown.
  • the array antenna implemented with a plurality of single band antennas is capable of beamforming, and can perform elevation beamforming (vertical beamforming) by an RF module composed of active devices by integrating AAS.
  • the multi-band antenna may perform beamforming based on beams having the same beam width in each operating band. Since the HPBW of the beam and the AF of the antenna array depend on the number of antennas, in the case of a multiband antenna array, the antenna array is implemented for each operating band. When the antenna array including the multi-band antenna operates based on the AAS, the characteristics of the AAS system may be equally used for each band.
  • 3D beamforming is a beamforming method that is most optimized for LOS environments. If the number of antennas included in the antenna array increases and the HPBW of the beam becomes very narrow, the probability of the terminal becoming null increases. If the synchronization between the base station and the terminal is not easily formed and the link is not established due to the inaccuracy of the beam tilting angle, the movement of the terminal, or the interference, the terminal is null. In addition, the base station and the terminal may not be linked with each other due to the difference in the configuration and size of the antenna array and / or the difference in the elevation beam control range due to the position and altitude difference. Therefore, in certain cases, it is necessary to form a wide beam.
  • the base station finds the terminal, when the transmission and reception of a small amount of data is performed or when the base station and the terminal are synchronized, and the beam width can be adjusted for each band, not only the inter-cell interference by 3D beamforming but also other The performance deterioration due to interference with the terminals can be overcome, and the phenomenon in which the terminal falls into a null can be overcome.
  • the inter-cell interference due to 3D beamforming occurs by adjusting the beam width for each band in the antenna array, the performance deterioration due to the interference occurring with other terminals, or the terminal falls into a null. It discloses a method for solving the problem.
  • the antenna that can adjust the beam width for each band so that the UE can effectively form a link with the base station in the LOS environment or other NLOS Disclosed is an alignment technique. By using this transmission method, an effective and high data transmission rate can be provided.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating an antenna array and a beamforming shape according to an embodiment of the present invention.
  • the base station may adjust the beam width for each band based on an antenna array structure in which the single band antenna 700 and the multi band antenna 750 are mixed.
  • the antenna arrangement may include a single band antenna 700 and a multi band antenna 750.
  • a wide beam width can be formed in a specific band.
  • the antenna array may include a first antenna 750 and a second antenna 700.
  • the first antenna 750 may be an antenna operating in bands A and B and the second antenna 700 may be an antenna operating in band B.
  • the width of the beam corresponding to the band B formed in the antenna array may have a narrow width
  • the width of the beam corresponding to the band B formed in the band antenna may have a wide width. That is, the antenna array according to the embodiment of the present invention may be implemented such that the antenna array emits beams with different beam widths for each band.
  • beamforming is performed at the base station.
  • beamforming may also be performed at the terminal. That is, the base station and / or the terminal may adjust the beam width for each band based on an antenna array structure in which a single band antenna and a multi band antenna are mixed.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the arrangement of an antenna in an antenna arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna array is based on a ULA structure by mixing a plurality of (for example, eight) single band antennas 800 and a plurality of (for example, eight) multiband antennas 850. It can be implemented with one 16 antennas.
  • the multi band antenna 850 may be the same kind of antenna as the single band antenna 800.
  • the multi band antenna 850 operating in the multi band may also implement an antenna array using a patch antenna having the same characteristics. That is, the multi band antenna 850 may be an antenna of the same type as that of the single band antenna 800 and may operate in the same band as the operating band in which the single band antenna 800 operates.
  • the single band antenna 800 may be a resonant antenna including reactance elements operating in band A.
  • the multi-band antenna 850 may be a secondary resonance antenna having reactance elements operating in the A band and reactance elements operating in the band B. have.
  • both the multi band antenna 850 and the single band antenna 800 are antennas operating in band A.
  • the antenna array may be assumed to be an antenna array including 16 antennas operating in band A in which the single band antenna 800 and the multi band antenna 850 are formed of reactance elements of the same size. If the operating bands and the types of antennas of the multi band antenna 850 and the single band antenna 800 included in the antenna array are different from each other, the characteristics of the antenna may change, and thus the beamforming may not be formed like the antenna array. However, when the single band antenna 800 and the multi band antenna 850 are the same type and operate in the same band, beamforming operations such as the existing 3D beamforming are possible, and the characteristics of the multi band antenna 850 The change is not great.
  • the characteristic impedance values are the same, so that the coupling effect occurring between the antennas can be attenuated. Because. At this time, since the band B of the multi-band antenna 850 is composed of reactance components different from the band A, the signal of the band A does not pass and acts as a resistance component causing power loss.
  • an antenna array may be implemented so that a wide radiation beam is formed in a specific band such as band B so that a base station and a terminal can quickly form a link.
  • an antenna space, physical distance between antennas, and the number of antennas that operate in a specific band may be determined.
  • the distance between antennas included in the antenna array is a very important factor for determining the characteristics of the antenna array.
  • characteristics of the antenna array are determined by the distance between the antennas.
  • the factors that determine the radiation pattern in the antenna array may be, for example, the shape of each antenna element, the direction of each antenna element, the position (interval) of the antenna elements in space, the magnitude and phase of the current supplied to the antenna element Can be.
  • the width of the beam formed when the antenna array is operated in a specific band is formed on the basis of the position of the antenna elements in the space (ie, the distance between the antennas), the magnitude and the phase of the current supplied to the antenna elements.
  • the distance between the antennas may indicate a distance between each antenna antenna included in the antenna array.
  • the distance between antennas in an antenna array can determine a large portion of the antenna array performance to design.
  • Various beam patterns may be generated in the antenna array based on the distance between the antennas.
  • the beam width may be determined by the distance between the antennas included in the antenna array.
  • the characteristics of the beam for example, the beam width
  • Equation 2 is an equation representing the AF of the antenna array.
  • the AF may be an element for determining information on the entire radiation pattern radiated from the antenna array when the antennas included in the array are combined.
  • I represents the magnitude of the current delivered by the transmission path of the antenna
  • N represents the number of antenna arrays.
  • Equation 3 shows that AF is normalized and calculated.
  • Equation 3 The maximum value of AF based on Equation 3 may be the same as Equation 4 below.
  • d is the interval, Represents the length of the wavelength.
  • the beam width formed by the antenna array can be changed based on the antenna spacing d. That is, by adjusting the antenna spacing included in the antenna array operating in a specific band as in the embodiment of the present invention, the AF can be varied and thus the beam width of the antenna array formed in the specific band in the antenna can be varied.
  • the AF value may change even when the number of antennas operating in a specific band is changed. If the number of antennas operating in a specific band among antennas included in the antenna array is relatively small, the value of AF may be reduced in a band in which a relatively small number of antennas operate. The beam width in a specific band can be widened according to the value of AF. This will be described later in detail.
  • the value of AF attenuated by using a power amplifier module (PAM) is compensated for the value of I0 applied to each antenna operating in the corresponding band.
  • PAM power amplifier module
  • the beam width may be differently formed for each band, but the gain attenuation may be compensated using the AAS.
  • the structure of the antenna array for forming a band width in which a specific band (B band) is wider than the A band may be determined by the interval and / or the number of antennas operating in the specific band. Since both the single band antenna 800 and the multi band antenna 850 operate in band A, antenna arrays 800 and 850 operating in band A may have a constant antenna spacing. Therefore, the value of AF can be maximized and transmitted. In contrast, in the band B, only the multi-band antenna 850 operates and the spacing between the antennas included in the antenna array may be irregular and have a large value.
  • the output energy which is an advantage of the antenna arrangement, is not concentrated to a specific point.
  • a beam width wider than the beam width formed at A can be formed.
  • HPBW can be used as a parameter that represents the radiation characteristics of the antenna array.
  • HPBW represents the angle between two points at which the radiation intensity is half of the maximum in the plane including the maximum direction of the beam. The more antennas you use, the sharper the HPBW will look. For example, when using hundreds of antenna structures such as Massive MIMO, pin point beamforming may be performed.
  • the beam width formed by changing the HPBW may be determined by adjusting the number of antennas used in a specific band of the antenna array.
  • Equation 5 is a formula generally used when obtaining HPBW.
  • HPBW may be determined by the number of antennas (N) and the antenna separation distance (d). As can be seen in Equation 5, assuming that the separation distance d of the antenna is constant, an element capable of varying the HPBW of the antenna is the number of antennas. In the antenna array method according to an exemplary embodiment of the present invention, since the number N of antennas and the antenna separation distance d are different for each band in which HPBWs may operate, HPBWs may have different values.
  • Table 1 below shows the calculated HPBW that can be formed in the antenna array.
  • the HPBW may have different values depending on the number N of antennas and the distance d between the antennas in the antenna array.
  • interference by a single band antenna operating only in band A may be minimized by adjusting the output power and phase of the antenna operating in band B.
  • the wireless transmission / reception of the band A may simultaneously perform beamforming, and the band B may perform an operation of forming a wide radiation beam.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating the arrangement of antennas in an antenna array according to an embodiment of the present invention.
  • a multi-band antenna having at least one different operating band is arranged to represent an antenna array.
  • the antenna arrangement may be implemented with a first multi band antenna 900 and a second multi band antenna 950.
  • the first multi-band antenna 900 and the second multi-band antenna 950 are the same kind of antenna, and the first multi-band antenna 900 and the second multi-band antenna 950 have at least one or more of the same resonant frequencies. Should have
  • an antenna array including a multi-band antenna operating in a plurality of wireless communication service bands, beamforming is possible for each band and the beam width emitted for each band can be adjusted.
  • the multi-band antenna is arranged in the antenna array, it is possible to include antennas having the same operating characteristics and antennas of the same kind. Based on each operating band, a multi-band antenna may have a random arrangement in which a spacing between antennas is not constant in a specific band.
  • the first multiband antenna 900 may be a multiband antenna operating in bands A and B
  • the second multiband antenna 950 may be a multiband antenna operating in bands A, band B, and band C. have. Both the first wide band antenna 900 and the second multi band antenna 950 can operate in bands A and B.
  • the second multi-band antenna 950 may operate in band C.
  • it is assumed that the beam generated in the band B is generated only by one multiband antenna of the first multiband antenna 900 or the second multiband antenna 950.
  • an antenna array structure may be formed based on the ULA structure in order to form precise beamforming.
  • an array of multi-band antennas operating in bands B and C may have a wider antenna spacing than band A.
  • the number of antennas operating in the bands B and C may have a smaller value than the number of antennas operating in the band A.
  • the antenna array structure including the multi-band antenna according to the embodiment of the present invention can adjust the width of the beam generated in a specific band by differently setting the array of the multi-band antenna operating for each band.
  • the beam width generated by the multi-band antenna for each band it is possible to perform the beamforming for each band according to the situation.
  • the NLOS environment it is difficult to establish a link between the terminal and the base station by setting a wide beam width formed in a specific band, and thus, the channel computation amount required for the terminal to feed back to the base station can be solved.
  • the base station can only form a beamformed precise beam, and only the same beamforming for each band, the terminal can easily solve the problem that the null state.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating the arrangement of an antenna in an antenna arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 discloses a multi-band antenna operating for each band in the antenna array disclosed in FIG. 9.
  • band B it is assumed that only one multi-band antenna of one of the first multi-band antenna and the second multi-band antenna is used.
  • only one multiband antenna of the first multiband antenna or the second multiband antenna may form a beam based on the switching.
  • band A 1020 a band in which both the first multi-band antenna and the second multi-band antenna operate. Accordingly, from the viewpoint of the band A 1020, the first multi-band antenna and the second multi-band antenna may be arranged with a ULA structure having the same spacing between the antenna arrays. That is, in band A 1020, precise beamforming may be performed based on an antenna array including a resonance circuit including the same reactance components.
  • the multi-band antenna operating in each band is different, and the interval between the antennas may have a non-uniform value.
  • the number of multi-band antennas that operate in comparison with the band A 1020 may have a small value.
  • the AF values of the antenna array are reduced in bands B 1040 and C 1060, and precise beamforming as in band A 1020 is not formed, and a beam width wider than that in band A 1020. It can have a radiation pattern of.
  • the beam formed in the band B 1040 has an AF value smaller than the AF value formed in the band C 1060.
  • a beam width wider than the width can be formed.
  • the antenna array of band C 1060 may be arranged so as not to overlap with the antenna array position operating in band B 1040. Since all 16 antennas do not operate in band B 1040 and band C 1060 and only some antennas operate, the antenna radiation gain is reduced compared to band A 1020 in which 16 antennas operate. However, the attenuated radiation gain can be compensated for using the AAS system.
  • the beam width can be adjusted for each band by changing the number of antennas, the arrangement position, and the resonant order operating in the multiple bands.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating an antenna arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna arrangement includes a single band antenna 1100 operating in band A, a first multi band antenna 1120 operating in bands A and B, and a second multi band operating in bands A and C. It may be implemented as an antenna 1140.
  • the single band antenna 1100, the first multi band antenna 1120, and the second multi band antenna 1140 may all operate to form a beam pattern.
  • the first multi-band antenna 1120 may operate to form a beam pattern.
  • the second multi-band antenna 1140 may operate to form a beam pattern.
  • the band B Compared with the band A, in the case of the band B, a small number of antennas operate to form a beam pattern, and in the case of the band C, a smaller number of antennas than the band B may operate with a wide antenna spacing.
  • the beam patterns generated in the bands B and C may have a wider beam pattern than the beam patterns generated in the band A.
  • FIG. 12 to 14 disclose antenna arrays operating in respective bands A, B, and C.
  • FIG. 12 to 14 disclose antenna arrays operating in respective bands A, B, and C.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram illustrating a band antenna operating in band A according to an embodiment of the present invention.
  • band A all antennas included in the 4x4 antenna array may be used to perform beamforming. Since band A of bands A, B, and C uses the largest number of antennas in a given structure, the HPBW formed may have the smallest value.
  • the spacing between the antennas may be implemented to have a length of half wavelength of the operating frequency of band A. That is, the parameters a1, a2, and a3 representing the distance between antennas may have a value of 0.5 ⁇ . For example, if the operating frequency of the antenna operating in band A is 1.8GHz It may have a size of. here 1 is a wave length when the operating frequency is 1.8 GHz.
  • the visible range of the antenna is determined.
  • the visible range determines the maximum allowable angle of the region where the grating lobe does not appear in the AF element formed by the antenna array, and the maximum allowable angle is 180 degrees ( ⁇ ). Equation for determining the visible range is shown in Equation 6 below.
  • a scan range of the antenna array may be determined.
  • FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a multi-band antenna also operating in band B according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna array actually includes 4x4 antennas, but all antennas do not operate in band B. Therefore, the antenna intervals b1 and b2 in the band B are disclosed based only on the multi-band antenna that also operates in the band B.
  • Multiband antennas that also operate in band B may be multiband (multi-resonant) antennas operating in bands A and B.
  • Multiband antennas that operate in band B must be antennas of the same type as the type of antenna that operates in band A, and must also operate in band A and also in band B.
  • the multi band antenna may be implemented based on a lower operating frequency among a plurality of operating frequencies in which the multi band antenna operates. For example, when band A is 1.8 GHz (eg, LTE band) and band B is 900 MHz (eg, GSM band), a multi-band antenna can be designed according to 900 MHz. The spacing between the antennas is proportional to the wavelength. The lower the frequency, the longer the wavelength. Therefore, when designing a multiband antenna, the antenna is designed for a longer wavelength.
  • Multiband antennas which also operate in band B, operate at 1.8 GHz (LTE band) / 900 MHz (GSM band, legacy communication band). Can be. here, Has a wavelength of 900 MHz. By calculating HPBW using Equation 4, 0.443 can be obtained.
  • the interval between the antenna operating in band A and the multi-band antenna operating in band B may have the same interval.
  • the multi-band antenna has to be designed to fit the lower frequency of the operating frequency, there is a difficulty in determining the interval in consideration of the high frequency.
  • the antenna that operates in band A Since the same length as, the 4x4 antenna, which is an antenna array when operating in band A, may operate as a uniform linear array (ULA).
  • FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating a multi-band antenna also operating in band C according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a multi-band antenna that also operates in band C.
  • FIG. Multiband antennas that also operate in band C are multiband (multi-resonant) antennas operating in two operating bands.
  • the multiband antenna, which also operates in band C may be implemented in an array structure of four antennas. That is, the multiband antenna, which also operates in band C, is an antenna array structure consisting of four (2x2) antennas that operate as part of a sixteen (4x4) antenna structure operating in band A.
  • Multiband antennas that also operate in band C shall be antennas that also operate in band A.
  • the multiband antenna, which also operates in band C may be implemented to a wavelength corresponding to the smaller operating frequency of the two operating frequencies.
  • a multi-band antenna operating in band C should be the same antenna type as the antenna operating in band A. Therefore, 16 antennas included in the antenna array disclosed in FIG. 11 basically use the same antenna type.
  • a multi-band antenna which also operates in band C, operates in band A (eg, 1.8 GHz (LTE band) and band C (700 MHz (disaster broadcast band)).
  • band A eg, 1.8 GHz (LTE band)
  • band C 700 MHz (disaster broadcast band)
  • the gap between the antennas It can have a value of.
  • ⁇ 3 is the wavelength generated at the operating frequency of 700 MHz.
  • the HPBW may be changed for each operating band while maintaining the ULA structure of the nxn antenna (for example, the 4x4 antenna).
  • the nxn antenna for example, the 4x4 antenna.
  • Intervals for example, (b1, b2), (c1, c2)
  • 15 is a block diagram showing a wireless communication system according to an embodiment of the present invention.
  • the base station 1500 includes a processor 1510, a memory 1520, and an RF unit 1530.
  • the memory 1520 is connected to the processor 1510 and stores various information for driving the processor 1510.
  • the RF unit 1520 is connected to the processor 1510 and transmits and / or receives a radio signal.
  • the processor 1510 implements the proposed functions, processes, and / or methods. In the above-described embodiment, the operation of the base station may be implemented by the processor 1510.
  • the processor 1510 includes a wireless device 1550 including a processor 1560, a memory 1570, and an RF unit 1580.
  • the memory 1570 is connected to the processor 1560 and stores various information for driving the processor 1560.
  • the RF unit 1580 is connected to the processor 1560 to transmit and / or receive a radio signal.
  • Processor 1560 implements the proposed functions, processes, and / or methods. In the above-described embodiment, the operation of the wireless device may be implemented by the processor 1560.
  • the processor 1510 forms a first beam pattern based on a single band antenna set and a multi band antenna set in the first band for beam forming in the antenna array, and multibands in other bands except the first band. It may be implemented to form another beam pattern based on the antenna set.
  • the single band antenna set includes a plurality of single band antennas operating only in the first band
  • the multi band antenna set includes a plurality of multiband antennas operating in a plurality of bands including the first band
  • the antenna arrangement includes a plurality of antennas.
  • the distance between the single band antenna and the plurality of multi band antennas may be arranged in a two-dimensional plane so as to be constant.
  • the processor may include application-specific integrated circuits (ASICs), other chipsets, logic circuits, and / or data processing devices.
  • the memory may include read-only memory (ROM), random access memory (RAM), flash memory, memory card, storage medium and / or other storage device.
  • the RF unit may include a baseband circuit for processing a radio signal.
  • the above-described technique may be implemented as a module (process, function, etc.) for performing the above-described function.
  • the module may be stored in memory and executed by a processor.
  • the memory may be internal or external to the processor and may be coupled to the processor by various well known means.

Landscapes

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Abstract

안테나 배열에서 빔 형성 방법 및 장치가 개시되어 있다안테나 배열에서 빔 형성 방법은 제1 대역에서 단일 대역 안테나 집합 및 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 제1 빔 패턴을 형성하는 단계, 제1 대역을 제외한 다른 대역에서 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 다른 빔 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 단일 대역 안테나 집합은 제1 대역에서만 동작하는 복수의 단일 대역 안테나를 포함하고, 다중 대역 안테나 집합은 제1 대역을 포함하는 복수의 대역에서 동작하는 복수의 다중 대역 안테나를 포함하고, 안테나 배열은 복수의 단일 대역 안테나 및 복수의 다중 대역 안테나 사이의 거리가 일정하도록 2차원 평면에서 배열될 수 있다.

Description

안테나 배열에서 빔 형성 방법 및 장치
본 발명은 안테나 배열에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안테나 배열에서 빔을 형성하는 방법에 관한 것이다.
최근 차세대 이동 통신 및 대용량 데이터 통신에 대한 요구가 증가하면서 고품질의 고속 멀티미디어 통신 서비스가 점차 요구되고 있다. 특히 차세대 이동 통신 시스템에서는 기지국과 다수의 사용자 간의 고속의 링크 서비스를 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 또한, 디지털 영상 미디어 기술의 발전과 고속 무선 전송에 대한 요구가 증가함에 따라 실내 외 근거리 고속 무선 데이터 통신에서 수 Gbps(giga bit per second) 급의 무선 전송을 현실화하려는 시도가 세계적인 기술 선진국들을 중심으로 진행되고 있다. 이는 원하는 신호를 고속으로 추적하고, 통신 간 높은 이득을 가지는 빔 포밍(beam forming)시스템이 점차 요구되고 있다는 것을 의미한다.
빔포밍이란 안테나에서 방사된 에너지가 공간에서 특정한 방향으로 집중되는 안테나 기술이다. 빔포밍의 목적은 원하는 방향으로부터 보다 세기가 강한 신호를 수신하거나 원하는 방향으로 보다 집중된 에너지를 가지는 신호를 전달하는 것이다. 특히, 빔 포밍 시스템은 무선 통신 시스템의 고속화 및 대용량화를 위해 높은 이득의 다양한 형태의 빔을 구현하는 것이 요구된다.
예를 들어, 빔 포밍 시스템은 다수 사용자에 대한 대용량 데이터의 고속 송수신 통신, 위성, 항공 등 스마트 안테나를 사용하는 각종 위성 항공 통신 등과 같은 높은 패스 로스(path loss) 대역에서의 통신 등에 사용될 수 있다. 따라서, 빔포밍 통신은 차세대 이동 통신 및 각종 레이더, 군사 및 항공 우주 통신, 실내 및 건물 간 고속 데이터 통신, WLAN(wireless local area network), WPAN(wireless personal area network) 등의 다양한 분야에서 연구되고 있다.
본 발명의 목적은안테나 배열에서 빔 폭을 대역 별로 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 빔 폭을 대역 별로 제어하는 안테나 배열을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 안테나 배열에서 빔 형성 방법은 제1 대역에서 단일 대역 안테나 집합 및 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 제1 빔 패턴을 형성하는 단계, 상기 제1 대역을 제외한 다른 대역에서 상기 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 다른 빔 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있되, 상기 단일 대역 안테나 집합은 상기 제1 대역에서만 동작하는 복수의 단일 대역 안테나를 포함하고, 상기 다중 대역 안테나 집합은 상기 제1 대역을 포함하는 복수의 대역에서 동작하는 복수의 다중 대역 안테나를 포함하고, 상기 안테나 배열은 상기 복수의 단일 대역 안테나 및 상기 복수의 다중 대역 안테나 사이의 거리가 일정하도록 2차원 평면에서 배열될 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 무선 통신 네트워크에서 동작하는 기지국에 있어서, 상기 기지국은 무선 신호를 송신 및 수신하기 위해 구현된 RF(radio frequency)부와 상기 RF부와 선택적으로 연결되는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 제1 대역에서 단일 대역 안테나 집합 및 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 제1 빔 패턴을 형성하고, 상기 제1 대역을 제외한 다른 대역에서 상기 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 다른 빔 패턴을 형성하도록 구현될 수 있되, 상기 단일 대역 안테나 집합은 상기 제1 대역에서만 동작하는 복수의 단일 대역 안테나를 포함하고, 상기 다중 대역 안테나 집합은 상기 제1 대역을 포함하는 복수의 대역에서 동작하는 복수의 다중 대역 안테나를 포함하고, 상기 안테나 배열은 상기 복수의 단일 대역 안테나 및 상기 복수의 다중 대역 안테나 사이의 거리가 일정하도록 2차원 평면에서 배열될 수 있다.
복수의 동작 주파수 대역을 가지는 안테나 배열에서 각 대역 별로 서로 다른 빔 폭을 가지는 빔을 방사함으로써 3D(dimension) 빔포밍에 의한 셀 간 간섭뿐만 아니라 다른 단말들과 발생하는 간섭에 의한 성능 열화 현상을 극복할 수 있으며, 단말이 널(null)에 빠지는 현상도 극복을 할 수 있다. 또한, 특정 대역의 빔 폭을 넓힘으로써 LOS(line of sight) 환경 또는 그 외 NLOS(non-line of sight)에서 단말과 기지국이 효과적으로 링크를 형성할 수 있도록 안테나 배열을 구현할 수 있다.
도 1은 기존 기지국/단말이 가지는 안테나 배열의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 2는 안테나 공진 회로를 나타낸 개념도이다.
도 3은 안테나 틸팅(tilting) 방법을 나타낸 개념도이다.
도 4는 능동 안테나 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 5는 3D(dimensional) 빔포밍 방법을 나타낸 개념도이다.
도 6은 안테나의 빔포밍 동작을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열 및 빔포밍 형상을 나타낸 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열에서 안테나의 배열을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열에서 안테나의 배열을 나타낸 개념도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열에서 안테나의 배열을 나타낸 개념도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열을 나타낸 개념도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 대역 A에서 동작하는 배역 안테나를 나타낸 개념도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 대역 B에서도 동작하는 다중 대역 안테나를 나타낸 개념도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나를 나타낸 개념도이다.
도 15은 본 발명의 실시예에 따른 무선통신 시스템을 나타낸 블록도이다.
단말(User Equipment, UE)은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, MS(mobile station), MT(mobile terminal), UT(user terminal), SS(subscriber station), 무선기기(wireless device), PDA(personal digital assistant), 무선 모뎀(wireless modem), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.
기지국은 일반적으로 단말과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 말하며, eNB(evolved-NodeB), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.

안테나 배열(antenna array)는 물리적 안테나 여러개를 모아 놓은 형태로, 지향 방사 패턴을 얻기 위해 안테나를 공간에 배치하고, 배열 내에 많은 소형 안테나를 사용할 수 있다. 복수개의 소형 안테나를 기반으로 구현되는 어레이 안테나는 단일 대형 안테나에서 발생하는 기계적 문제를 소형 안테나를 급전하는 전기적인 문제로 해결할 수 있다.
도 1은 기존 기지국/단말이 가지는 안테나 배열의 구조를 나타낸 개념도이다.
기존 기지국/단말이 갖는 안테나 형태 또는 안테나 배열(100)의 구조는 크게 ULA(Uniform Linear Array) 방식을 이용한다. ULA는 동일한 공진 주파수를 갖는 안테나와 각 단일 안테나(150) 간의 간격을 일정하게 유지하면서 선형 배열 구조로 나열하는 형태를 가질 수 있다. 배열은 보통, 규칙적으로 배열된 동일 소자들로 이루어질 수 있으며, 지향 방사 패턴을 얻기 위해 복수개의 안테나(150)를 공간에 일정하게 배치하고 복수의 안테나(150)들이 서로 접속하는 구조를 가질 수 있다. 복수개의 안테나(150)를 사용하여 모뎀 신호 처리를 수행하는 기술을 이동 통신 시스템에서는 다중 안테나(안테나 배열) 통신 기술이라 한다. 안테나 배열(100)의 성능을 결정짓는 것은 안테나 배열(100)를 구현하는 단일 안테나(150)의 동작 특성 및 종류에 의해서 결정될 수 있으며, 단일 안테나(150)가 동작하는 공진 주파수와 전류 분포 및 방사 패턴에 따라서 안테나 배열(100)의 동작 대역 및 특성이 결정될 수 있다. 아래의 수학식 1은 안테나 배열(100)의 전계 특성을 나타내는 수학식이다.
<수학식 1>
Figure PCTKR2013012046-appb-I000001

수학식 1에서
Figure PCTKR2013012046-appb-I000002
는 어레이 피드 계수(array feed coefficients),
Figure PCTKR2013012046-appb-I000003
은 고유 임피던스(intrinsic impedance), r은 송신/수신 거리(transmit/receive distance), Et는 전체 전계 방사 필드(total electric radiated field), k는 볼츠만 상수값(boltzmann constant value),
Figure PCTKR2013012046-appb-I000004
는 안테나의 진폭 여기값(amplitude excitation of the antenna element), B는 어레이 중심점에 대한 레퍼런스(reference to the central point of the array (excitation phase)), d는 안테나 사이의 거리를 나타낼 수 있다. 즉, 수학식 1을 참조하면, 안테나 배열(100)의 특성은 안테나 배열(100)를 구성하는 단일 안테나의 특성과 안테나 배열의 수, 안테나 간 간격 등에 의해서 결정됨을 알 수 있다.
안테나 배열(100)에서 발생되는 전체 전계를 나타내는 수학식 1은 단일 안테나(150)의 요소 팩터(element factor)와 어레이 팩터(array factor, 이하, AF)의 곱으로 표현될 수 있다. 단일 안테나(150)의 요소 팩터는 단일 안테나(150)의 특성 정보이고, AF는 어레이에 포함된 안테나가 결합될 경우, 안테나 배열(100)에서 방사되는 전체 방사 빔 패턴에 대한 정보를 결정하는 요소일 수 있다.
즉, 복수개의 동일한 안테나(150)가 단일 배열(uniform array)로 안테나 배열(100)를 구성할 경우, 안테나 배열(100)의 전체 전계는 원점에 위치한 단일 안테나(150)의 전계와 AF를 기반으로 결정될 수 있다. 따라서, 안테나 배열(100)의 전체 전계는 각 개별 단일 안테나(150)의 특성과 안테나 수에 종속적으로 결정될 수 있다.
안테나 배열(100)의 방사 패턴은 각 개별 안테나들의 형태, 그들의 방향, 공간에서의 위치, 그리고 급전하는 전류의 크기와 위상에 따라 결정되며 방사되는 빔 폭(beam width)은 단일 안테나(150)의 개수에 의존적이며, 그 수가 많을수록 빔 조향 및 빔 폭이 정밀해질 수 있다. 따라서 동일한 형태, 특성을 갖는 단일 안테나(150)를 무수히 많이 사용할수록 빔포밍은 더욱 정밀해질 수 있다. 매우 협소한 빔 폭을 갖는 빔을 펜슬 빔(pencil beam)이라고 한다. 도 1과 같이 기존 셀룰러 시스템에서 기지국/단말은 ULA 구조의 안테나 배열(100)를 사용할 수 있으며, 모든 이동 통신 서비스 대역에서 동일한 방사 빔 패턴(radiation beam pattern)을 갖도록 동일한 특성을 갖는 복수개의 단일 안테나(150)를 배열하여 구현할 수 있다.
무선 통신 기기의 보급과 다양한 분야에서 무선 통신 기술을 응용한 서비스들이 늘어남에 따라 다양한 형태의 안테나에 대한 필요 또한 높아지고 있다. 안테나는 이용하고자 하는 무선 통신 서비스 대역에 맞도록 설계를 해야만 동작할 수 있고, 동작 대역을 맞추기 위해서는 공진이 이루어져야만 안테나는 특정 주파수 대역에서 데이터 송수신이 가능해 진다.

도 2는 안테나 공진 회로를 나타낸 개념도이다.
도 2의 상단은 단일 대역(single band)에서 동작하는 안테나의 1차 공진 등가 회로를 나타낸다.
안테나의 1차 공진 등가 회로는 리액턴스(reactance) 성분인 인덕터(Inductor)와 커패시터(capacitor)에 의해서 단일 대역(single band)에서 동작하고, 방사 패턴은 설계한 안테나 종류에 따라서 독립적일 수 있다. 급속도로 성장하는 무선 통신 서비스망의 요구를 충족하기에 단일 대역은 동작 대역이 협소한 단점과, UWB(Ultra wide band) 설계의 난관을 극복하지 못하였다. 이러한 단일 대역 안테나의 단점을 극복하기 위해 다중 대역 안테나(multi-band antenna)개발이 이루어졌다. 기존의 기지국에 사용된 안테나의 경우, 서비스 대역이 점차 증가하면서 안테나에 요구되는 동작 대역도 증가하기 시작하고 안테나의 동작 대역이 복수개인 다중 대역 안테나가 사용되기 시작하였다.
도 2의 하단은 안테나의 n차 공진 회로를 나타낸다. 다중 대역 안테나는 복수개의 대역에서 공진이 이루어지는 현상의 안테나이다. 다중 대역 안테나는 보통 반파장 길이를 가지는 복수개의 안테나를 합성하여 구성될 수 있다. 공진을 일으키는 리액턴스(reactance) 성분은 전송 라인(transmission line)의 조합을 기반으로 구현할 수 있다. 다중 대역 안테나의 경우, 다양한 종류의 안테나의 합성 또는 전송 라인의 조합에 의해서 구현이 되거나 미엔더 타입(meander type)의 안테나를 이용하여 구현될 수도 있다. 안테나의 방사 패턴은 설계한 안테나의 형태에 따라서 변형되게 된다. 다중 대역 안테나의 경우, 대부분, 패치 안테나(patch antenna), 플래너 안테나(planar antenna), 루프 안테나(loop antenna), 모노폴 안테나(monopole antenna), 다이폴 안테나(dipole antenna), 메타 메터리얼 안테나(meta-material antenna) 등에 의해서 구현이 되고, 이들의 방사 형태는 공통적으로 무지향(omni-directional)한 방사 형태를 가지는 특징이 있다.
기지국에서 사용되는 다중 대역에서 동작하는 안테나의 경우, 무지향(omni-directional)한 특성을 갖는 안테나를 복수개 배열하여 빔포밍이 가능한 안테나 배열 구조를 구현할 수 있다.

도 3은 안테나 틸팅(tilting) 방법을 나타낸 개념도이다.
도 3의 상단은 안테나 틸팅을 수행하지 않은 것을 나타내고, 도 3의 중간은 기계적 틸팅(mechanical tilting), 도 3의 하단은 전기적 틸팅(electrical tilting)을 수행한 것을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 기존 셀룰러 시스템에서 기지국은 기계적 틸팅 또는 전기적 틸팅을 기반으로 안테나를 동작시켰다. 이러한 안테나 틸팅을 수행함으로써 셀 간 간섭을 줄어들고, 셀 내 단말들의 SINR(signal to interference-plus-noise ratio)을 향상될 수 있었다. 하지만, 기계적 틸팅의 경우, 초기 설치시 빔 방향이 고정되는 단점이 있고, 기지국을 설치하는 건물의 높이, 지지대의 높이에 따라서 기계적 틸팅각(mechanical tilting angle)이 결정되기 때문에 방사 빔 폭(radiation beam width)을 넓게 형성해야 한다. 전기적 틸팅의 경우, 내부 위상 쉬프트(phase shift) 모듈을 이용하여 틸팅 각(tilting angle)을 변경할 수 있으나, 사실상 셀 고정적 틸팅으로 인하여 매우 제약적인 수직 빔포밍(vertical beamforming)만 가능한 단점이 있다.

도 4는 능동 안테나 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 4를 참조하면, 능동 안테나 시스템(AAS, Active Antenna System)은 기존 수동 안테나 시스템과 달리 수동 소자인 안테나(450) 각각에 RF(radio frequency) 모듈(400)이 결합되는 특징을 가진 안테나 시스템일 수 있다.
능동 안테나 시스템은 안테나(450) 각각에 RF 모듈(400), 즉 능동 소자를 포함하고 있어, 안테나 모듈 각각에 대한 전력 및 위상 조절이 가능하다. 능동 안테나 시스템은 안테나 성능들과 관련된 사항들(소형 아테나 유효 길이 증가, 대역폭 증가, 배열 소자들 사이의 상호 커플링 감소 및 잡음 성분 개선, 송신 전력 효율 증대 등)을 개선시켜 줄 뿐만 아니라, MIC(microwave Integrated Circuit) 및 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 기술과 연관되어 고집적화가 가능하다. 특히, 능동 안테나 시스템이 밀리미터파 대역 통신 시스템들에 사용될 경우 전송선에 의한 높은 손실, 제한된 소스 전력, 안테나 효율 감소 및 우수한 성능의 위상 변위기 결여 등으로 인한 단점을 극복할 수 있는 특징이 있다. 능동 안테나 시스템은 능동 안테나 시스템에 포함되는 각 안테나(450) 별로 RF 모듈(450)이 결합되어 있는 형태이다. 따라서, 안테나를 포트 별로 제어가 가능하여 안테나를 통신 환경 및 상황에 맞도록 위상 및 출력을 조절할 수 있는 특징이 있다.

도 5는 3D(dimensional) 빔 포밍 방법을 나타낸 개념도이다.
기존에 일반적으로 고려하던 MIMO(multiple input multiple output) 안테나 구조는 ULA(uniform linear array)와 같이 선형적인, 즉 1차원의 안테나 배치를 고려하였다. 이러한 1차원 안테나 배열 구조에서 빔포밍으로 생성이 가능한 빔들은 2차원 평면에서 방사되는 패턴을 가질 수 있다. 또한, ULA와 같은 1차원 배열 구조를 사용할 경우, 안테나에서 출력되는 전력 에너지가 하나의 지점으로 집중되지 않으며, 안테나의 배열 위치, 안테나 형태 등에 따라서 빔의 형상이 변화하게 된다. 기지국의 패시브 안테나 시스템(passive antenna system, PAS) 기반 MIMO 구조에도 ULA 구조가 적용된다. PAS 기지국에도 수직 안테나 및 수평 안테나들이 있었으나 수직 안테나들은 하나의 RF 모듈에 묶여있어 수직 방향으로 빔포밍이 불가능했고 전술한 기계적 틸팅 정도만이 가능했다.
기지국의 안테나 구조가 AAS로 진화하면서 수직 방향의 안테나들에게도 각각 RF 모듈이 독립적으로 설치됨에 따라 수평 방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 빔포밍이 가능해졌다. 이러한 수직 방향의 빔포밍을 엘리베이션 빔포밍(elevation beamforming)이라고도 한다.
도 5를 참조하면, 3D 빔포밍은 엘리베이션 빔 포밍이 가능한 빔포밍으로써 수직 방향 및 수평 방향인 3차원 공간으로 빔이 방사될 수 있다. 1차원 안테나 배열 구조에서 평면 형태의 2차원 안테나 배열 구조로 진화하며 3D 빔포밍이 가능해질 수 있다. 3D 빔포밍을 수행하기 위해 안테나 어레이가 플레너(planar) 형상을 지녀야만 하는 것은 아니고 컨포멀(링) 배열(conformal(ring) array) 형태로 3차원 형태의 배열 구조도 가능하다. 3D 빔포밍이 의미하는 중요한 점은 기존 일직선 상의 안테나 배치가 아닌 다양한 형태의 안테나 배치로 인해 MIMO 프로세싱이 3차원 공간상에서 이루어 진다는 것이다.
AAS에서는 3D 빔포밍을 사용할 수 있다. 따라서 단말이 기지국 좌우로 움직일 경우뿐만 아니라 단말이 앞뒤로 움직이는 경우까지 빔포밍을 통해 단말로 빔을 전송할 수 있다. 하지만, AAS로 안테나 배열이 구성된 기지국에서 출력되는 빔의 형상은 일정한 HPBW(Half Power Beam Width)를 유지하며, 협소한 HPBW로 정밀하게 동작하게 된다. 안테나가 협소한 HPBW로 동작하는 경우, 단말과 기지국 간에 LOS 환경이 형성되지 않는다면 단말과 기지국 사이에서 정확한 링크가 맺어지지 않으며, 그에 따라 통신이 원활하게 이루어지지 않는 단점을 가지고 있다.
능동 안테나 기반의 2차원 안테나 어레이를 기반로 통신을 수행시 실제 셀 환경을 고려할 경우, 기존 무선 채널 환경과는 많이 다른 채널 특성을 고려할 필요가 있다. 예를 들어, 높이 차이에 따른 음영/경로 손실 변화, LoS(line of sight)/NLoS(non line of sight), DoA(direction of arrival) 등을 포함한 페이딩 특성 변화 등과 같은 채널 환경 특성을 고려하여 2차원 안테나 어레이를 기반으로 한 전송을 수행할 필요가 있다.
예를 들어, 어레이 안테나에서 펜슬 빔포밍(pencil beamforming)과 같은 정밀한 빔을 이용한 송신이 이루어질 경우, 단말의 위치에 따라 3D 빔포밍이 유용한 경우와 3D 빔포밍이 유용하지 않은 경우가 발생할 수 있다. 능동 안테나 기반의 2차원 안테나 어레이를 이용한 전송을 수행할 경우, 단말은 채널 특성에 대한 정보 추정이 더욱 복잡해지고, 단말과 기지국간에 복잡도(link complexity)가 증가하고, 단말의 계산 복잡도가 증가하게 된다. 특히, 정밀한 빔 조향을 위해 어레이 안테나의 규모가 증가될수록 단말의 계산 복잡도뿐만 아니라 피드백 정보량, 구현 복잡도도 급격히 증가하게 된다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 단말과 기지국 사이에 빔포밍이 수행되기 어려운 환경에서 기지국에서 전송되는 빔포밍 빔 대역폭(beamforming beam width)을 대역 별로 조절할 수 있는 안테나 구조에 대해 제안한다.
전술한 바와 같이 AAS의 발달로 인하여 기지국은 3D 빔포밍이 가능하며, 기지국/단말에서 사용되는 안테나에서 방사되는 빔의 형태는 증가하는 안테나 수에 따라서 더욱 더 정밀해질 수 있다. 또한 AAS의 도입으로 인한 3D 빔포밍이 가능해 짐에 따라 엘리베이션 빔포밍(또는 수직 빔포밍) 동작이 가능해 질 수 있다. 엘리베이션 빔포밍을 기반으로 기지국은 셀 내에서 전송 범위 제어를 통한 셀 간 간섭을 최소화할 수 있다. 빔포밍에서 빔 폭을 조절함으로써 기지국/단말은 빔포밍되지 않는 상황(예를 들어, LOS(line of sight)가 확보되지 않는 상황)에서 효과적으로 링크를 형성하고 데이터 송신 및 수신을 수행할 수 있다. 이하, 본 발명의 실시예에서는 안테나 배열 구조의 변화와 AAS에서 서로 다른 대역에서 서로 다른 빔 폭을 가지고 동작하는 안테나 배열에 대해서 개시한다.

도 6은 안테나의 빔 포밍 동작을 나타낸 개념도이다.
도 6의 상단을 참조하면, 단일 대역에서 동작하는 복수개의 단일 대역 안테나로 구현된 안테나 배열의 빔포밍 형상을 나타낸다. AAS를 기반으로 한 기지국 안테나에서 형성되는 방사 빔(radiation beam)의 빔 패턴이다. 복수개의 단일 대역 안테나로 구현된 어레이 안테나는 빔포밍이 가능하며, AAS를 집적화하여 능동 소자로 이루어진 RF 모듈에 의한 엘리베이션 빔포밍(수직 빔포밍)을 수행할 수 있다.
도 6의 하단은 다중 대역에서 동작하는 복수개의 다중 대역 안테나로 구현된 안테나 배열의 빔포밍 형상을 나타낸다. 다중 대역 안테나는 각 동작 대역에서 동일한 빔 폭을 갖는 빔을 기반으로 빔포밍을 수행할 수 있다. 빔의 HPBW 및 안테나 배열의 AF는 안테나의 수에 의존적이기 때문에, 다중 대역 안테나 배열의 경우 각 동작 대역 별로 안테나 배열이 구현된 것과 동일하다. 다중 대역 안테나를 포함하는 안테나 배열이 AAS을 기반으로 동작하는 경우, AAS 시스템의 특성을 각 대역 별로 동일하게 사용할 수 있다.
3D 빔포밍은 LOS 환경에 가장 최적화가 되는 빔포밍 방식이다. 안테나 배열에 포함되는 안테나의 개수가 증가하면서 빔의 HPBW가 매우 협소해지면, 단말이 널(null) 상태가 될 확률이 증가하게 된다. 만약, 기지국과 단말 간의 동기가 쉽게 형성이 안되고, 빔 틸팅 각(beam tilting angle)의 부정확성, 단말의 이동, 간섭 등으로 인해 링크가 잡히지 않을 경우, 단말은 널(null) 상태가 된다. 또한, 안테나 배열의 구성 및 크기의 차이 및/또는 위치 및 고도 차이로 인한 엘리베이션 빔 제어 범위의 차이 및 환경으로 인해 기지국과 단말이 서로 링크가 형성되지 않을 수 있다. 따라서, 특정한 경우, 빔의 폭을 넓게 형성할 필요가 있다. 예를 들어, 기지국이 단말을 찾는 경우, 데이터의 양이 적은 송수신이 이루어지는 경우 또는 기지국과 단말이 동기를 맞추는 경우 등에서 빔 폭을 대역 별로 조절할 수 있다면, 3D 빔포밍에 의한 셀 간 간섭뿐만 아니라 다른 단말들과 발생하는 간섭에 의한 성능 열화 현상을 극복 할 수 있으며, 단말이 널에 빠지는 현상도 극복을 할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에서는 안테나 배열에서 대역 별로 빔 폭을 조절하여 3D 빔포밍에 의한 셀 간 간섭이 발생하는 현상, 다른 단말들과 발생하는 간섭에 의한 성능 열화 현상 또는 단말이 널에 빠지는 현상 등을 해결하기 위한 방법에 대해 개시한다.
본 발명에서는 2D 안테나 배열을 기반으로 대역 별로 빔 폭을 조절하여 특정 대역의 빔 폭을 넓힘으로써 LOS 환경 또는 그 외 NLOS에서 단말이 기지국과 효과적으로 링크를 형성할 수 있도록 대역 별로 빔 폭을 조절 가능한 안테나 배열 기술에 대해 개시한다. 이러한 전송 방법을 사용함으로써 효과적이고 높은 데이터 전송율을 제공할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열 및 빔포밍 형상을 나타낸 개념도이다.
도 7을 참조하면, 기지국이 단일 대역 안테나(700)와 다중 대역 안테나(750)를 혼합한 안테나 배열 구조를 기반으로 대역 별로 빔 폭을 조절할 수 있다. 예를 들어, 안테나 배열은 단일 대역 안테나(700)와 다중 대역 안테나(750)를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 특정 대역에서 넓은 빔 폭이 형성될 수 있다. 예를 들어, 안테나 배열은 제1 안테나(750)와 제2 안테나(700)를 포함하여 구현될 수 있다. 제1 안테나(750)는 대역 A와 대역 B에서 동작하는 안테나이고 제2 안테나(700)는 대역 B에서 동작하는 안테나일 수 있다. 이러한 경우, 안테나 배열에서 형성되는 대역 A에 대응되는 빔의 좁은 폭을 가질 수 있고, 배역 안테나에서 형성되는 대역 B에 대응되는 빔의 폭은 넓은 폭을 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열은 대역 별로 서로 다른 빔 폭으로 안테나 배열이 빔을 방사하도록 구현될 수 있다.
도 7에서는 기지국에서 수행되는 빔포밍을 가정하였으나, 단말에서도 역시 빔포밍이 수행될 수 있다. 즉, 기지국 및/또는 단말은 단일 대역 안테나와 다중 대역 안테나를 혼합한 안테나 배열 구조를 기반으로 대역별 빔 폭을 조절할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열에서 안테나의 배열을 나타낸 개념도이다.
도 8을 참조하면, 안테나 배열은 복수개(예를 들어, 8개)의 단일 대역 안테나(800)와 복수개(예를 들어, 8개)의 다중 대역 안테나(850)를 혼합하여 ULA 구조를 기반으로 한 16개 안테나로 구현될 수 있다.
단일 대역 안테나(800)와 다중 대역 안테나(850)를 혼합하여 안테나 배열을 구현함으로써 특정 대역에 대한 빔 폭을 조절할 수 있다. 다중 대역 안테나(850)는 단일 대역 안테나(800)와 동일한 종류의 안테나일 수 있다. 예를 들어, 단일 대역 안테나(800)로써 패치(patch) 안테나를 사용할 경우, 다중 대역에서 동작하는 다중 대역 안테나(850)도 동일한 특성을 갖는 패치 안테나를 사용하여 안테나 배열을 구현할 수 있다. 즉, 다중 대역 안테나(850)는 단일 대역 안테나(800)와 동일한 종류의 안테나로써 단일 대역 안테나(800)가 동작하는 동작 대역과 동일한 대역에서도 동작하는 안테나일 수 있다.
단일 대역 안테나(800)의 동작 주파수 대역을 대역 A라고 하면, 단일 대역 안테나(800)는 대역 A에서 동작하는 리액턴스 소자로 이루어진 공진형 안테나일 수 있다. 다중 대역 안테나(850)의 동작 주파수를 대역 A 및 대역 B라고 하는 경우, 다중 대역 안테나(850)는 A 대역에서 동작하는 리액턴스 소자 및 대역 B에서 동작하는 리액턴스 소자를 가지는 2차 공진형 안테나일 수 있다.
우선, 대역 A를 기준으로 보면, 다중 대역 안테나(850) 및 단일 대역 안테나(800)가 모두 대역 A에서 동작하는 안테나이다. 따라서, 안테나 배열은 단일 대역 안테나(800)와 다중 대역 안테나(850)가 동일한 크기의 리액턴스 소자로 이루어진 대역 A에서 동작하는 16개 안테나를 포함하는 안테나 배열로 가정할 수 있다. 만약 안테나 배열에 포함되는 다중 대역 안테나(850)와 단일 대역 안테나(800)의 동작 대역과 안테나의 종류가 다르다면 안테나의 특성이 변화하여 안테나 배열처럼 빔포밍이 형성되지 않는다. 하지만, 단일 대역 안테나(800)와 다중 대역 안테나(850)가 동일한 종류이고, 동일한 대역에서 동작할 경우, 기존의 3D 빔포밍과 같은 빔포밍 동작이 가능하며, 다중 대역 안테나(850)에 의한 특성 변화는 크지 않다. 왜냐하면 안테나가 동일한 종류이고, 동일한 대역에서 동작할 경우, 공진 주파수가 동일하고, 안테나의 공진을 일으키는 리액턴스 성분이 동일하기 때문에, 특성 임피던스 값이 동일하여 안테나 간에 발생하는 커플링 영향이 감쇠될 수 있기 때문이다. 이때, 다중 대역 안테나(850)의 대역 B는 대역 A와 다른 리액턴스 성분으로 구성되기 때문에 대역 A의 신호가 통과하지 않고, 전력 손실을 일으키는 저항 성분으로 작용하게 된다.
다음으로 대역 B를 기준으로 보면, 안테나 배열에 포함된 16개의 안테나 중 대역 A뿐만 아니라 대역 B에서도 동작하는 8개의 다중 대역 안테나(850)가 대역 B에서도 방사 패턴을 형성할 수 있다. 본 발명이 실시예에서는 대역 B와 같은 특정한 대역에서는 넓은 방사빔이 형성되도록 안테나 배열을 구현하여 기지국과 단말이 빠르게 링크를 형성하도록 할 수 있다. 안테나 배열에서 특정한 대역에서 형성되는 방사 빔을 넓게 형성하기 위해서 특정한 대역에서 동작하는 안테나 간의 거리(antenna space, physical distance between antennas), 안테나의 개수 등을 결정할 수 있다.
안테나 배열에 포함되는 안테나 간의 거리는 안테나 배열의 특성을 결정하기 위해 매우 중요한 요소이다. 특히, 안테나 배열처럼 복수개의 안테나가 나열된 구조에서는 안테나 간의 거리에 의해서 안테나 배열의 특성이 결정되게 된다. 안테나 배열에서 방사 패턴을 결정하는 요소는 예를 들어, 각 안테나 소자들의 형태, 각 안테나 소자들의 방향, 공간에서의 안테나 소자들의 위치(간격), 안테나 소자에 급전되는 전류의 크기와 위상 등이 있을 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 공간에서의 안테나 소자들의 위치(즉, 안테나 간의 거리), 안테나 소자에 급전되는 전류의 크기와 위상을 기반으로 안테나 배열이 특정한 대역에서 동작시 형성되는 빔의 폭이 넓게 형성되도록 설정할 수 있다.
안테나 간의 거리는 안테나 배열에 포함되는 각 안테나 안테나 사이의 간격을 나타낼 수 있다. 안테나 배열에서 안테나 간의 거리는 설계하는 안테나 배열 성능의 큰 부분을 결정할 수 있다. 안테나 간의 거리를 기반으로 안테나 배열에서 다양한 빔 패턴이 생성될 수 있다. 안테나 배열은 안테나 배열에 포함되는 안테나 간의 거리에 의해서 빔 폭이 결정될 수 있다. 이하에서는 안테나 배열에 포함되는 안테나 간의 거리에 의해 결정되는 빔의 특성(예를 들어, 빔 폭)에 대해 구체적으로 개시한다.
아래의 수학식 2는 안테나 배열의 AF를 나타내는 수학식이다. AF는 어레이에 포함된 안테나가 결합될 경우, 안테나 배열에서 방사되는 전체 방사 패턴에 대한 정보를 결정하는 요소일 수 있다.
<수학식 2>
Figure PCTKR2013012046-appb-I000005
수학식 2에서 I는 안테나의 전송로에 의해서 전달되는 전류의 크기를 나타내고,
Figure PCTKR2013012046-appb-I000006
는 안테나 사이의 간격과 위상을 나타낸다. N은 안테나 배열의 개수를 나타낸다.
아래의 수학식 3은 AF를 정규화하여 계산한 것을 나타낸다.
<수학식 3>
Figure PCTKR2013012046-appb-I000007

수학식 3을 기반으로 AF의 값이 최대가 되는 값은 아래의 수학식 4와 같은 값일 수 있다.
<수학식 4>
Figure PCTKR2013012046-appb-I000008
수학식 4에서
Figure PCTKR2013012046-appb-I000009
는 위상 차, d는 간격,
Figure PCTKR2013012046-appb-I000010
는 파장의 길이를 나타낸다. 즉, AF를 최대로 하기 위해서는
Figure PCTKR2013012046-appb-I000011
의 값을 조절해야 한다. 안테나 배열에서
Figure PCTKR2013012046-appb-I000012
는 고정이기 때문에 변할 수 없고, 위상을 이용하여 특정한 방향으로 빔을 조향하기 때문에
Figure PCTKR2013012046-appb-I000013
도 사실상 변경할 수 없는 파라메터이다. 따라서 d인 안테나 간격을 기반으로 안테나 배열이 형성하는 빔 폭을 변화시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예와 같이 특정한 대역에서 동작하는 안테나 배열에 포함된 안테나 간격을 조절함으로써 AF를 가변시킬 수 있고 그에 따라 안테나에서 특정 대역에서 형성되는 안테나 배열의 빔 폭을 가변시킬 수 있다.
또한, 수학식 2를 참조하면 특정 대역에서 동작하는 안테나의 개수가 변하는 경우에도 AF의 값이 변할 수 있다. 안테나 배열에 포함된 안테나 중 특정 대역에서 동작하는 안테나의 개수가 상대적으로 작아지는 경우, 상대적으로 작은 개수의 안테나가 동작하는 대역에서 AF의 값이 작아질 수 있다. AF의 값에 따라 특정 대역에서의 빔 폭이 넓어질 수 있다. 이에 대해서는 구체적으로 후술한다.
특정 대역에서 AF가 작아지는 경우에도 액티브 안테나(active antenna) 구조를 이용할 경우, 해당 대역에서 동작하는 각 안테나에 인가되는 I0값을 PAM(Power Amplifier Module)을 이용함으로써 감쇠된 AF의 값을 보상할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 빔 폭의 크기는 대역 별로 다르게 형성하면서도 이득 감쇠는 AAS를 이용하여 보상할 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 특정 대역(B 대역)이 A 대역보다 넓은 대역 폭을 형성하기 위한 안테나 배열의 구조가 특정 대역에서 동작하는 안테나의 간격 및/또는 안테나 개수에 의해 결정될 수 있다. 단일 대역 안테나(800) 및 다중 대역 안테나(850) 모두 대역 A에서 동작하므로, 대역 A에서 동작하는 안테나 배열(800, 850)는 안테나 간격이 일정할 수 있다. 따라서, AF의 값은 최대가 되어 전송이 될 수 있다. 반대로 대역 B에서는 다중 대역 안테나(850)만이 동작하고 안테나 배열에 포함된 안테나 간의 간격이 불규칙하고 큰 값을 가질 수 있다. 이러한 이유로 전술한 바와 같이 대역 B에서 동작하는 다중 대역 안테나(850)의 경우, 다중 대역 안테나(850) 간의 간격이 일정하지 않기 때문에 안테나 배열의 이점인 출력 에너지가 특정한 한 지점으로 집중되지 않게 되어 대역 A에서 형성되는 빔 폭보다 넓은 빔 폭을 형성할 수 있다.
안테나 배열이 각 대역에서 생성하는 빔 폭의 변화에 대해서 구체적으로 살펴보면 아래와 같다.
안테나 배열의 방사 특징을 나타내는 변수로 HPBW가 사용될 수 있다. HPBW는 빔의 최대 방향을 포함하는 평면에서 방사 세기가 최대치의 반이 되는 두 지점 사이의 각을 나타낸다. 안테나를 많이 사용할수록 HPBW는 샤프(sharp)한 형태를 갖게 된다. 예를 들어, 매시브 MIMO(Massive MIMO)처럼 수백 개가 넘는 안테나 구조를 사용하는 경우, 핀 포인트 빔포밍(pin point beamforming)을 수행할 수 있다. 안테나 배열의 특정 대역에서 사용되는 안테나의 개수를 조절함으로써 HPBW를 변화시켜 형성되는 빔 폭이 결정될 수 있다.
아래의 수학식 5는 HPBW를 구할 때 일반적으로 사용되는 수식이다.
<수학식 5>
Figure PCTKR2013012046-appb-I000014
수학식 5에서 HPBW는 안테나의 개수(N)과 안테나 이격 거리(d)에 의해 결정될 수 있다. 수학식 5에서 볼 수 있듯이, 안테나의 이격 거리 d가 일정하다고 가정할 경우, 안테나의 HPBW를 가변할 수 있는 요소는 안테나의 개수가 된다. 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열 방법의 경우, 안테나의 개수(N)과 안테나 이격 거리(d)가 동작하는 대역 별로 다르기 때문에 HPBW가 모두 다른 값을 가질 수 있다.
도 8의 경우, 대역 A의 경우, 16개의 안테나가 모두 동작한다. 따라서, 대역 A의 경우 안테나 구조는 ULA 구조를 갖기 때문에 N=16, 안테나 이격 거리(d)는 일정한 값을 가진다. 반면에 대역 B의 경우, 10개의 안테나가 동작한다. 또한, 안테나 이격 거리(d)는 대역 A에 비하여 크고 불규칙한 값을 가지게 된다.
아래의 표 1은 안테나 배열에서 형성될 수 있는 HPBW를 계산한 값을 나타낸 것이다.
<표 1>
Figure PCTKR2013012046-appb-I000015
표 1을 참조하면, 안테나 배열에서 안테나의 개수(N)과 안테나 사이의 이격 거리(d)에 따라 HPBW가 다른 값을 가질 수 있다. 안테나의 개수가 많을수록 또한 안테나 간격이 작을수록 HPBW는 큰 값을 가지게 되고 형성되는 빔 폭이 커질 수 있다. 즉, 도 8의 대역 B에서와 같이 다중 대역 안테나를 무작위하게 배열(random array)할 경우, AF는 작은 값을 갖게 되어 안테나 배열의 특성이 줄고, HPBW가 넓은 방사 빔이 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 AAS 시스템에서 대역 B에서 동작하는 안테나의 출력 전력 및 위상을 조절하여 대역 A에서만 동작하는 단일 대역 안테나가 미치는 간섭은 최소화될 수 있다. 또한, 동작 대역이 서로 다르기 때문에 동시에 대역 A의 무선 송수신은 빔포밍을 수행하고 대역 B는 넓은 방사 빔이 형성하는 동작을 수행할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열에서 안테나의 배열을 나타낸 개념도이다.
도 9의 상단을 참조하면, 서로 다른 동작 대역을 적어도 하나 가지는 다중 대역 안테나가 배열되어 구현된 안테나 배열을 나타낸다. 예를 들어, 안테나 배열은 제1 다중 대역 안테나(900) 및 제2 다중 대역 안테나(950)로 구현될 수 있다. 제1 다중 대역 안테나(900)와 제2 다중 대역 안테나(950)는 동일한 종류의 안테나이고, 제1 다중 대역 안테나(900)와 제2 다중 대역 안테나(950)는 최소 1개 이상의 동일한 공진 주파수를 가져야 한다.
복수의 무선 통신 서비스 대역에서 동작하는 다중 대역 안테나를 포함하는 안테나 배열을 구성함으로써, 각 대역 별로 빔포밍이 가능하고 또한 대역 별로 방사되는 빔 폭을 조절할 수 있다. 안테나 배열에서 다중 대역 안테나를 배열할 때는 동일한 동작 특성을 가진 안테나, 동일한 종류의 안테나를 포함시킬 수 있다. 각 동작 대역을 기준으로 다중 대역 안테나는 특정 대역에서 안테나 간 간격이 일정하지 않은 랜덤한 배열을 가질 수 있다.
도 9에서 제1 다중 대역 안테나(900)는 대역 A 및 대역 B에서 동작하는 다중 대역 안테나이고, 제2 다중 대역 안테나(950)는 대역 A, 대역 B 및 대역 C에서 동작하는 다중 대역 안테나일 수 있다. 제1 대중 대역 안테나(900)와 제2 다중 대역 안테나(950)는 모두 대역 A와 대역 B에서 동작할 수 있다. 제2 다중 대역 안테나(950)는 대역 C에서 동작할 수 있다. 도 9에서는 대역 B에서 생성되는 빔은 제1 다중 대역 안테나(900) 또는 제2 다중 대역 안테나(950) 중 하나의 다중 대역 안테나에서만 생성되는 것으로 가정한다.
대역 A를 기준으로 보면, 공진 주파수가 동일한 대역 A에서는 정밀한 빔포밍을 형성하기 위해 ULA 구조를 기본으로 하여 안테나 배열 구조를 형성할 수 있다. 대역 B 및 대역 C를 기준으로 보면 대역 B 및 대역 C에서 동작하는 다중 대역 안테나의 배열은 대역 A와 비교하여 넓은 안테나 간격을 가질 수 있다. 또한, 대역 B 및 대역 C를 기준으로 보면 대역 B 및 대역 C에서 동작하는 안테나의 개수가 대역 A에서 동작하는 안테나의 개수보다 작은 값을 가질 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 안테나를 포함하는 안테나 배열 구조는 대역 별로 동작하는 다중 대역 안테나의 배열을 다르게 설정하여 특정 대역에서 생성되는 빔의 폭을 조절할 수 있다. 즉, 대역 별로 다중 대역 안테나에서 생성되는 빔 폭을 조절하여 상황에 맞는 대역 별 빔포밍을 수행할 수 있다. 특정 대역에서 형성되는 빔 폭을 넓게 설정함으로써 NLOS 환경인 경우, 단말과 기지국이 링크를 맺기가 어려워지고, 단말이 기지국에게 피드백해야 하는 채널 연산량이 매우 복잡해지는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, NLOS환경에서 기지국이 빔포밍된 정밀한 빔 밖에 형성을 못하고, 대역 별로 동일한 빔포밍 밖에 되지 않을 경우, 단말은 쉽게 널 상태가 되는 문제점도 해결할 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열에서 안테나의 배열을 나타낸 개념도이다.
도 10에서는 도 9에서 개시된 안테나 배열에서 각 대역 별로 동작하는 다중 대역 안테나에 대해 개시한다. 도 10에서 대역 B의 경우, 제1 다중 대역 안테나 또는 제2 다중 대역 안테나 중 하나의 다중 대역 안테나만이 사용하는 대역으로 가정한다. 예를 들어, 대역 B의 경우, 스위칭을 기반으로 제1 다중 대역 안테나 또는 제2 다중 대역 안테나 중 하나의 다중 대역 안테나만이 빔을 형성할 수 있다.
구체적으로 대역 A(1020)의 경우, 제1 다중 대역 안테나와 제2 다중 대역 안테나가 모두 동작하는 대역이다. 따라서, 대역 A(1020)의 관점에서는 제1 다중 대역 안테나와 제2 다중 대역 안테나가 안테나 배열 사이에서 간격이 동일한 ULA 구조를 가지면서 배열될 수 있다. 즉, 대역 A(1020)에서는 동일한 리액턴스 성분으로 이루어진 공진 회로로 구성되는 안테나 배열을 기반으로 정밀한 빔포밍을 수행할 수 있다.
반면, 대역 B(1040) 및 대역 C(1060)의 경우, 각 대역에서 동작하는 다중 대역 안테나가 서로 다르고, 그 안테나간 간격이 일정하지 않은 값을 가질 수 있다. 또한, 대역 A(1020)와 비교하여 동작하는 다중 대역 안테나의 개수가 작은 값을 가질 수 있다. 이러한 경우, 대역 B(1040) 및 대역 C(1060)에서 안테나 배열의 AF 값이 감소하게 되고, 대역 A(1020)에서와 같은 정밀한 빔포밍이 형성되지 않고, 대역 A(1020)보다 넓은 빔 폭의 방사 패턴을 가질 수 있다.
대역 C(1060)의 경우 대역 B(1040)에서 동작하는 안테나보다 적은 수량으로 배열되어 있기 때문에 대역 C(1060)에서 형성되는 AF 값보다 작은 AF 값을 갖게 되어 대역 B(1040)에서 형성되는 빔 폭보다 넓은 빔 폭이 형성될 수 있다. 예를 들어, 대역 C(1060)의 안테나 배열은 대역 B(1040)에서 동작하는 안테나 배열 위치와 겹치지 않게 배열될 수 있다. 16개 모든 안테나가 대역 B(1040) 및 대역 C(1060)에서 동작하지 않고, 일부 안테나만 동작하기 때문에 16개의 안테나가 동작하는 대역 A(1020)에 비해 안테나 방사 이득이 감소하게 된다. 하지만, AAS 시스템을 이용하여 감쇠된 방사 이득이 보상될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 다중 대역에서 동작하는 안테나 수, 배열 위치, 공진 차수를 변경함으로써 대역 별로 빔 폭을 조절할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서는 다중 대역 안테나를 포함하는 안테나 배열의 안테나의 배열에 대해 구체적으로 개시한다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 배열을 나타낸 개념도이다.
도 11을 참조하면, 안테나 배열은 대역 A에서 동작하는 단일 대역 안테나(1100), 대역 A 및 대역 B에서 동작하는 제1 다중 대역 안테나(1120), 대역 A 및 대역 C에서 동작하는 제2 다중 대역 안테나(1140)로 구현될 수 있다.
대역 A를 기준으로 보면, 단일 대역 안테나(1100), 제1 다중 대역 안테나(1120), 제2 다중 대역 안테나(1140)가 모두 동작하여 빔 패턴을 형성할 수 있다.
대역 B를 기준으로 보면, 제1 다중 대역 안테나(1120)가 동작하여 빔 패턴을 형성할 수 있다.
대역 C를 기준으로 보면, 제2 다중 대역 안테나(1140)가 동작하여 빔 패턴을 형성할 수 있다.
대역 A와 비교하여 대역 B의 경우, 작은 개수의 안테나가 동작하여 빔 패턴을 형성하고, 대역 C의 경우, 대역 B보다 더 작은 개수의 안테나가 넓은 안테나 간격을 가지고 동작할 수 있다.
이러한 경우, 전술한 바와 같이 대역 B 및 대역 C에서 생성되는 빔 패턴은 대역 A에서 생성되는 빔 패턴보다 넓은 빔 패턴을 가질 수 있다.
도 12 내지 도 14에서는 각각의 대역(A, B, C)에서 동작하는 안테나 배열에 대해 개시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 대역 A에서 동작하는 배역 안테나를 나타낸 개념도이다.
도 12를 참조하면, 대역 A에서는 4x4 안테나 배열에 포함되는 모든 안테나가 사용되어 빔포밍이 수행될 수 있다. 대역 A, B, C 중 대역 A는 주어진 구조에서 가장 많은 수의 안테나를 사용하기 때문에 형성되는 HPBW가 가장 작은 값을 가질 수 있다. 안테나 간 간격은 대역 A의 동작 주파수의 반파장의 길이를 가지도록 구현될 수 있다. 즉, 안테나 간 간격을 나타내는 파라메터인 a1, a2 및 a3가 0.5λ의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 대역 A에서 동작하는 안테나의 동작 주파수가 1.8GHz일 경우
Figure PCTKR2013012046-appb-I000016
의 크기를 가질 수 있다. 여기서
Figure PCTKR2013012046-appb-I000017
1은 동작 주파수가 1.8GHz인 경우의 파장(wave length)이다.
전술한 수학식 4를 기반으로 HPBW를 구해보면 0.111의 값을 획득할 수 있다.
안테나 배열 간격이 결정되면 안테나의 비져블 레인지(visible range)가 정해지게 된다. 비져블 레인지는 안테나 배열이 형성하는 AF 요소에서 그레이팅 로브(grating lobe)가 나타나지 않는 영역의 최대 허용 각도를 결정하게 되며 최대 허용 각도는 180도(π)가 된다. 비져블 레인지를 결정하는 수학식은 아래의 수학식 6과 같다.
<수학식 6>
Figure PCTKR2013012046-appb-I000018
안테나 간격과 비져블 레인지가 결정이 되면, 안테나 배열의 스캔 레인지(scan range)가 결정될 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 대역 B에서도 동작하는 다중 대역 안테나를 나타낸 개념도이다.
도 13을 참조하면, 실제로 안테나 배열에는 4x4의 안테나가 포함되나, 모든 안테나가 대역 B에서는 동작하지 않는다. 따라서, 대역 B에서도 동작하는 다중 대역 안테나만을 기반으로 대역 B에서의 안테나 간격(b1, b2)에 대해 개시한다.
대역 B에서도 동작하는 다중 대역 안테나는 대역 A와 대역 B에서 동작하는 다중 대역(다중 공진)안테나일 수 있다. 대역 B에서도 동작하는 다중 대역 안테나는 대역 A에서 동작하는 안테나의 타입과 동일한 타입인 안테나여야 하고, 대역 A에서도 동작하고, 대역 B에서도 동작하는 안테나이어야 한다.
다중 대역 안테나는 다중 대역 안테나가 동작하는 복수의 동작 주파수 중에서 더 낮은 동작 주파수를 기준으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 대역 A가 1.8GHz(예를 들어, LTE대역)이고, 대역 B가 900MHz(예를 들어, GSM 대역)일 경우, 900MHz에 맞추어서 다중 대역 안테나를 설계할 수 있다. 안테나 간의 간격은 파장에 비례하게 되는데, 주파수가 낮을수록 파장이 더 길기 때문에 다중 대역 안테나를 설계할 때는 파장이 긴 안테나에 맞춰서 설계를 한다.
대역 B에서도 동작하는 다중 대역 안테나는 1.8GHz(LTE대역)/900MHz(GSM대역, 레가시(legacy) 통신 대역)에서 동작할 경우, 안테나 간격은
Figure PCTKR2013012046-appb-I000019
일 수 있다. 여기서,
Figure PCTKR2013012046-appb-I000020
는 900MHz의 파장을 가진다. 수학식 4를 이용하여 HPBW를 구해보면 0.443을 얻을 수 있다.
즉, 대역 A에서 동작하는 안테나와 대역 B에서도 동작하는 다중 대역 안테나의 간격이 동일한 간격을 가질 수 있다.
Figure PCTKR2013012046-appb-I000021
이고,
Figure PCTKR2013012046-appb-I000022
인 부분에서 차이는 있지만, 다중 대역 안테나의 경우, 동작하는 주파수 중에서 더 낮은 주파수에 맞도록 설계를 해야 하며, 또한, 높은 주파수를 고려하여 간격을 결정해야 되는 어려움이 있다.
도 13과 같은 대역 B에서도 동작하는 다중 대역 안테나의 경우, 대역 A에도 동작하여야 하기 때문에 이를 고려하여 대역 B에서도 동작하는 다중 대역 안테나의 간격을 결정하면,
Figure PCTKR2013012046-appb-I000023
가 된다. 즉, 대역 A에서 동작하는 안테나인
Figure PCTKR2013012046-appb-I000024
와 동일한 길이가 되기 때문에 대역 A에서 동작할 때 안테나 배열인 4x4 안테나는 등간격 안테나 배열(ULA, Uniform Linear Array)로 동작할 수 있다. 대역 B에서도 동작하는 다중 대역 안테나는 8개로 구성된 2x8 안테나로 동작하고, 대역 A에서는 16개 모든 안테나가 동작한다. 즉, 대역에 따라 안테나 배열에서 동작하는 안테나의 수가 변경되는 구조로 구현될 수 있다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나를 나타낸 개념도이다.
도 14에서는 대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나를 나타낸 그림이다. 대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나는 2개의 동작 대역에서 동작하는 다중 대역(다중 공진) 안테나이다. 대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나는 4개의 안테나의 배열 구조로 구현될 수 있다. 즉, 대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나는 대역 A에서는 동작하는 16개(4x4) 안테나 구조의 일부로 동작을 하게 되는 4개(2x2)의 안테나로 구성된 안테나 배열 구조이다.
대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나는 대역 A에서도 동작하는 안테나여야 한다. 대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나는 두 개의 동작 주파수 중 더 작은 동작 주파수에 해당하는 파장에 맞추어 구현될 수 있다. 또한, 대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나는 대역 A에서 동작하는 안테나와 동일한 안테나 타입이어야 한다. 따라서, 도 11에 개시된 안테나 배열에 포함되는 16개의 안테나는 기본적으로 동일한 안테나 타입을 사용하게 된다.
대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나가 대역 A(예를 들어, 1.8GHz(LTE대역) 및 대역 C(700MHz(재난방송 대역))에서 동작하는 것을 가정할 수 있다. 이러한 경우, 대역 C에서 동작하는 안테나 사이의 간격은
Figure PCTKR2013012046-appb-I000025
의 값을 가질 수 있다. 여기서 λ3는 동작 주파수 700MHz에서 생성되는 파장이다.
대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나가 대역 A에서 동작할 경우 나머지 12개(안테나a, 안테나a/b)안테나들과의
Figure PCTKR2013012046-appb-I000026
의 간격을 가질 수 있다. 전술한 수학식 4를 기반으로 대역 C에서의 HPBW를 구해보면 1.108을 얻을 수 있다.
대역 C에서도 동작하는 다중 대역 안테나는 2x2 안테나 배열 구조(c1=c2=21.4cm)를 형성하고, 대역 A에서 동작할 때는 대역 A에서 동작하는 안테나와 거의 유사한 안테나 간격을 갖기 때문에 16Tx 안테나 배열로 동작하게 된다.
즉, 본 발명의 실시예에서는 nxn 안테나(예를 들어, 4x4 안테나)의 ULA 구조를 유지하면서 동작 대역 별로 HPBW를 가변할 수 있다. 각 대역 별로 서로 다른 빔 폭으로 방사를 수행하는 안테나 배열을 구현하기 위해서는 초기 안테나 간격 설정값(예를 들어, d=a1=a2)을 정하고 초기 안테나 설정값을 기준으로 다른 대역에서 동작하는 모든 안테나간의 간격(예를 들어, (b1, b2), (c1, c2))이 설정값과 유사 범위에 포함되도록 구현할 수 있다.

도 15은 본 발명의 실시예에 따른 무선통신 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 15을 참조하면, 기지국(1500)은 프로세서(processor, 1510), 메모리(memory, 1520) 및 RF부(RF(radio frequency) unit, 1530)을 포함한다. 메모리(1520)는 프로세서(1510)와 연결되어, 프로세서(1510)를 구동하기 위한 다양한 정보를 저장한다. RF부(1520)는 프로세서(1510)와 연결되어, 무선 신호를 송신 및/또는 수신한다. 프로세서(1510)는 제안된 기능, 과정 및/또는 방법을 구현한다. 전술한 실시예에서 기지국의 동작은 프로세서(1510)에 의해 구현될 수 있다.
예를 들어, 프로세서(1510)는 무선기기(1550)는 프로세서(1560), 메모리(1570) 및 RF부(1580)을 포함한다. 메모리(1570)는 프로세서(1560)와 연결되어, 프로세서(1560)를 구동하기 위한 다양한 정보를 저장한다. RF부(1580)는 프로세서(1560)와 연결되어, 무선 신호를 송신 및/또는 수신한다. 프로세서(1560)는 제안된 기능, 과정 및/또는 방법을 구현한다. 전술한 실시예에서 무선기기의 동작은 프로세서(1560)에 의해 구현될 수 있다.
예를 들어, 프로세서(1510)는 안테나 배열에서 빔 형성을 위해 제1 대역에서 단일 대역 안테나 집합 및 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 제1 빔 패턴을 형성하고, 제1 대역을 제외한 다른 대역에서 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 다른 빔 패턴을 형성하도록 구현될 수 있다. 단일 대역 안테나 집합은 제1 대역에서만 동작하는 복수의 단일 대역 안테나를 포함하고, 다중 대역 안테나 집합은 제1 대역을 포함하는 복수의 대역에서 동작하는 복수의 다중 대역 안테나를 포함하고 안테나 배열은 복수의 단일 대역 안테나 및 복수의 다중 대역 안테나 사이의 거리가 일정하도록 2차원 평면에서 배열될 수 있다.
프로세서는 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 메모리는 ROM(read-only memory), RAM(random access memory), 플래쉬 메모리, 메모리 카드, 저장 매체 및/또는 다른 저장 장치를 포함할 수 있다. RF부는 무선 신호를 처리하기 위한 베이스밴드 회로를 포함할 수 있다. 실시예가 소프트웨어로 구현될 때, 상술한 기법은 상술한 기능을 수행하는 모듈(과정, 기능 등)로 구현될 수 있다. 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다.
상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 안테나 배열에서 빔 형성 방법에 있어서,
    제1 대역에서 단일 대역 안테나 집합 및 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 제1 빔 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 대역을 제외한 다른 대역에서 상기 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 다른 빔 패턴을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 단일 대역 안테나 집합은 상기 제1 대역에서만 동작하는 복수의 단일 대역 안테나를 포함하고,
    상기 다중 대역 안테나 집합은 상기 제1 대역을 포함하는 복수의 대역에서 동작하는 복수의 다중 대역 안테나를 포함하고,
    상기 안테나 배열은 상기 복수의 단일 대역 안테나 및 상기 복수의 다중 대역 안테나 사이의 거리가 일정하도록 2차원 평면에서 배열되는 안테나 배열에서 빔 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 대역을 제외한 다른 대역에서 상기 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 다른 빔 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 다중 대역 안테나 집합은 제1 다중 대역 안테나 집합 및 제2 다중 대역 안테나 집합을 포함하고,
    제2 대역에서 상기 제1 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 제2 빔 패턴을 형성하는 단계; 및
    제3 대역에서 상기 제2 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 제3 빔 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 안테나 배열에서 빔 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 다중 대역 안테나 집합은 복수의 제1 다중 대역 안테나를 포함하고,
    상기 제2 다중 대역 안테나 집합은 복수의 제2 다중 대역 안테나를 포함하고,
    상기 복수의 제1 다중 대역 안테나 사이의 거리가 상기 복수의 제2 다중 대역 안테나 사이의 거리보다 큰 값을 가지는 안테나 배열에서 빔 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 다중 대역 안테나는 상기 제1 대역 및 상기 제2 대역에서 동작하고,
    상기 제2 다중 대역 안테나는 상기 제1 대역 및 상기 제3 대역에서 동작하는 안테나 배열에서 빔 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 안테나 배열은 4x4의 크기를 가지고,
    상기 안테나 배열에 포함되는 상기 단일 대역 안테나, 상기 제2 다중 대역 안테나 및 상기 제3 다중 대역 안테나는 주변에 위치한 다른 안테나와 일정한 이격 거리를 가지고 배열되고,
    상기 단일 대역 안테나는 상기 4x4 상에서 (2, 1), (3, 1), (2, 4) 및 (3, 4)에 위치하고,
    상기 제1 다중 대역 안테나는 상기 4x4 상에서 (1, 2), (1, 3), (2, 2), (2, 3), (3, 2), (3, 3), (4, 2), (4, 3)의 위치하고,
    상기 제2 다중 대역 안테나는 상기 4x4 상에서 (1, 1), (1, 4), (4, 1), (4, 4)의 위치하는 안테나 배열에서 빔 형성 방법.
  6. 무선 통신 네트워크에서 동작하는 기지국에 있어서, 상기 기지국은,
    무선 신호를 송신 및 수신하기 위해 구현된 RF(radio frequency)부; 및
    상기 RF부와 선택적으로 연결되는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는,
    제1 대역에서 단일 대역 안테나 집합 및 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 제1 빔 패턴을 형성하고,
    상기 제1 대역을 제외한 다른 대역에서 상기 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 다른 빔 패턴을 형성하도록 구현되되,
    상기 단일 대역 안테나 집합은 상기 제1 대역에서만 동작하는 복수의 단일 대역 안테나를 포함하고,
    상기 다중 대역 안테나 집합은 상기 제1 대역을 포함하는 복수의 대역에서 동작하는 복수의 다중 대역 안테나를 포함하고,
    상기 안테나 배열은 상기 복수의 단일 대역 안테나 및 상기 복수의 다중 대역 안테나 사이의 거리가 일정하도록 2차원 평면에서 배열되는 기지국.
  7. 제6항에 있어서, 상기 프로세서는,
    제2 대역에서 제1 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 제2 빔 패턴을 형성하고
    제3 대역에서 제2 다중 대역 안테나 집합을 기반으로 제3 빔 패턴을 형성하도록 구현되되,
    상기 다중 대역 안테나 집합은 제1 다중 대역 안테나 집합 및 제2 다중 대역 안테나 집합을 포함하는 기지국.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 다중 대역 안테나 집합은 복수의 제1 다중 대역 안테나를 포함하고,
    상기 제2 다중 대역 안테나 집합은 복수의 제2 다중 대역 안테나를 포함하고,
    상기 복수의 제1 다중 대역 안테나 사이의 거리가 상기 복수의 제2 다중 대역 안테나 사이의 거리보다 큰 값을 가지는 기지국.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 다중 대역 안테나는 상기 제1 대역 및 상기 제2 대역에서 동작하고,
    상기 제2 다중 대역 안테나는 상기 제1 대역 및 상기 제3 대역에서 동작하는 기지국.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 안테나 배열은 4x4의 크기를 가지고,
    상기 안테나 배열에 포함되는 상기 단일 대역 안테나, 상기 제2 다중 대역 안테나 및 상기 제3 다중 대역 안테나는 주변에 위치한 다른 안테나와 일정한 이격 거리를 가지고 배열되고,
    상기 단일 대역 안테나는 상기 4x4 상에서 (2, 1), (3, 1), (2, 4) 및 (3, 4)에 위치하고,
    상기 제1 다중 대역 안테나는 상기 4x4 상에서 (1, 2), (1, 3), (2, 2), (2, 3), (3, 2), (3, 3), (4, 2), (4, 3)의 위치하고,
    상기 제2 다중 대역 안테나는 상기 4x4 상에서 (1, 1), (1, 4), (4, 1), (4, 4)의 위치하는 기지국.
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