WO2017155137A1 - 빔포밍 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

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WO2017155137A1
WO2017155137A1 PCT/KR2016/002347 KR2016002347W WO2017155137A1 WO 2017155137 A1 WO2017155137 A1 WO 2017155137A1 KR 2016002347 W KR2016002347 W KR 2016002347W WO 2017155137 A1 WO2017155137 A1 WO 2017155137A1
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WO
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antennas
equation
signal
array antenna
antenna
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PCT/KR2016/002347
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김기태
정세영
전원석
김진학
강지원
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엘지전자 주식회사
한국과학기술원
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    • H04B7/0686—Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission
    • H04B7/0695—Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission using beam selection

Definitions

  • the present invention relates to a wireless communication system, and more particularly, to a beamforming method using an array antenna and an apparatus therefor.
  • the array antenna may improve the stability and capacity of the communication by forming an optimal beam in a desired direction to minimize the influence of the interference signal received at the receiving end.
  • a method for effectively controlling the beam pattern is required.
  • the present invention relates to a method of controlling a beam pattern using an array antenna and an apparatus therefor.
  • An object of the present invention is to provide a method for efficiently performing beamforming by using an array antenna and an apparatus therefor.
  • Still another object of the present invention is to provide a method for determining an operating antenna for efficient beamforming in a circular array antenna, and an apparatus therefor.
  • a method of performing beamforming using a circular array antenna including a plurality of antennas comprising: determining a number of operating antennas for a particular beam pattern; Selecting at least one antenna from among the plurality of antennas using the determined number of operating antennas; And transmitting a signal through the selected at least one antenna, wherein determining the number of operating antennas includes determining the number of operating antennas using an inverse of the square of the vertical beam width of the specific beam pattern. It may include.
  • a communication device configured to perform beamforming, the communication device comprising: a circular array antenna including a plurality of antennas; And a processor, wherein the processor is configured to determine the number of operating antennas corresponding to the beam pattern for beamforming, to select an antenna as many as the number of the operating antennas from the plurality of antennas, and to transmit a signal through the selected antennas.
  • the determining of the number of the operating antennas may include determining the number of the operating antennas using an inverse of the square of the vertical beam width of the beam pattern.
  • determining the number of operating antennas may further include determining the number of operating antennas by using an inverse of the horizontal beam width of the beam pattern.
  • the number of operating antennas may be determined from a divisor of the number of the plurality of antennas included in the circular array antenna.
  • said selected antenna may satisfy circular symmetry in said circular array antenna.
  • transmitting the signal comprises precoding the signal based on the number of operating antennas, the horizontal direction of the beam pattern, the radius of the circular array antenna, and the wavelength of the signal; And transmitting the coded signal through the selected antenna.
  • the signal is precoded using the following equation,
  • x denotes the signal
  • z denotes the precoded signal
  • a denotes the number of operating antennas
  • ⁇ denotes the wavelength of the signal
  • R denotes a radius of a circular array antenna
  • G H denotes a complex conjugate transpose matrix of G.
  • precoding the signal comprises performing a Fourier transform on the signal, multiplying the Fourier transformed signal by a diagonal matrix, And performing a Fourier transform on the signal multiplied by the diagonal matrix.
  • the Fourier transform is performed using an a ⁇ a Fast Fourier Transform (FFT) matrix, and the elements of the u th row and the v th column of the FFT matrix Can be given by
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the diagonal matrix is given by the following formula,
  • W (a) represents the FFT matrix
  • T represents a transpose operator
  • diag () may represent a function of arranging elements of a vector at diagonal positions of the diagonal matrix to generate a diagonal matrix.
  • the signal is precoded using the following equation,
  • x denotes the signal
  • z denotes the precoded signal
  • a denotes the number of operating antennas
  • ⁇ denotes the wavelength of the signal
  • G H denotes a complex conjugate transpose matrix of G
  • C -1 denotes the inverse of C.
  • beamforming can be efficiently performed using an array antenna.
  • the beam pattern can be efficiently controlled using the array antenna.
  • the beam width can be efficiently controlled by using the circular array antenna.
  • the beamwidth can be efficiently controlled in consideration of the coupling between antennas in the array antenna.
  • 1 illustrates the directivity and beamwidth for a particular beam pattern.
  • FIG. 3 illustrates a beam pattern when performing horizontal beamforming using a linear array antenna.
  • FIG. 4 illustrates a beam pattern when performing longitudinal beamforming using a linear array antenna.
  • FIG. 5 illustrates a circular array antenna
  • FIG. 6 illustrates a beam pattern when performing beamforming using a circular array antenna.
  • FIG. 7 illustrates a vertical beam width and a horizontal beam width according to the number of antennas.
  • FIG. 8 illustrates a circular array antenna to which the present invention can be applied.
  • FIG 9 illustrates a structure of an antenna according to the present invention.
  • FIG. 10 illustrates a flowchart of a beamforming method according to the present invention.
  • FIG. 11 illustrates a communication device to which the present invention can be applied.
  • a user equipment may be fixed or mobile, and includes various devices that communicate with a base station (BS) to transmit and receive data and / or control information.
  • the UE is a terminal, a mobile station (MS), a mobile terminal (MT), a user terminal (UT), a subscriber station (SS), a wireless device, a personal digital assistant (PDA), a wireless modem. ), Handheld devices, and the like.
  • the UE may be mixed with the terminal.
  • a base station generally refers to a fixed station that communicates with a UE and / or another BS, and communicates with the UE and another BS to exchange various data and control information.
  • the base station (BS) is an advanced base station (ABS), a node-B (NB), an evolved-NodeB (eNB), a base transceiver system (BTS), an access point, a processing server (PS), and a node.
  • TP Transmission Point
  • the base station BS may be mixed with the eNB.
  • a node refers to a fixed point capable of transmitting / receiving a radio signal by communicating with a user equipment.
  • Various forms of eNBs may be used as nodes regardless of their name.
  • the node may be a BS, an NB, an eNB, a pico-cell eNB (PeNB), a home eNB (HeNB), a relay, a repeater, and the like.
  • the node may not be an eNB.
  • the node may be a radio remote head (RRH), a radio remote unit (RRU). RRHs, RRUs, etc. generally have a power level lower than the power level of the eNB.
  • the RRH or RRU may generally be connected to the eNB via an ideal backhaul network (eg, dedicated lines such as optical cables). Therefore, coordinated communication by the RRH and the eNB (coordinated communication) generally can be performed more efficiently than the cooperative communication by the eNBs connected by a radio line.
  • an ideal backhaul network eg, dedicated lines such as optical cables. Therefore, coordinated communication by the RRH and the eNB (coordinated communication) generally can be performed more efficiently than the cooperative communication by the eNBs connected by a radio line.
  • An antenna configured by arranging a plurality of antennas in a predetermined form is called an array antenna or an antenna array, and the plurality of antennas may include a unit antenna of the same type.
  • the array antenna may include a dipole antenna as the unit antenna.
  • the array antenna may be classified into a linear array antenna and a circular array antenna according to a structure in which a plurality of antennas are arranged.
  • a plurality of antennas When a plurality of antennas are arranged linearly at regular intervals, they may be referred to as a linear array antenna or a linear antenna array.
  • a plurality of antennas When a plurality of antennas are arranged in a circle at regular intervals, they may be referred to as a circular array antenna or a circular antenna array.
  • Array antennas are used to maximize the directivity of the antenna and can be used, for example, to form beam patterns for beamforming.
  • Indicators indicating the performance of array antennas include directivity and 3 dB beamwidth (abbreviated beamwidth).
  • Directivity refers to the electromagnetic power density outgoing in a particular direction relative to the antenna radiated power when the array antenna forms a specific beam pattern.
  • the 3dB beamwidth may refer to the angle between 3dB reduction points existing on a single plane as points that are 3dB reduced from the electromagnetic power density going out in a specific direction.
  • the 3dB beamwidth may be referred to simply as the beamwidth.
  • a 3 dB beamwidth on a plane perpendicular to the ground surface may be referred to as a vertical beamwidth, and may be referred to simply as a vertical beamwidth.
  • the 3dB beamwidth on a plane parallel to the ground surface may be referred to as a horizontal beamwidth, and may be referred to simply as a horizontal beamwidth.
  • the beam pattern formed by the array antenna can be represented by directivity, beamwidth (horizontal beamwidth and / or vertical beamwidth), and the like.
  • the beam pattern may use the same meaning as the beamforming, and the beam pattern and the beamforming may be simply referred to as a beam.
  • the beam width refers to the beam width of the beam pattern formed by the beam forming.
  • FIG. 1 illustrates the directivity and beamwidth for a particular beam pattern.
  • a specific beam pattern is formed in the x-axis direction, and a beam pattern is formed in which the power density is widely distributed in the z-x plane and the power density is narrowly viewed in the x-y plane.
  • the example of FIG. 1 is merely an example and directivity and beamwidth may be determined identically or similarly even if beam patterns are formed in different directions.
  • the ground surface is parallel to the x-y plane.
  • the directivity can be represented as D since the power density of the electromagnetic going out in the x-axis direction is shown.
  • the points that are 3 dB lower than the power density in the x-axis direction are indicated by dotted lines on the zx plane and the xy plane, respectively.
  • the angle between the 3 dB reduction points on the xy plane is indicated as:
  • the zx plane is perpendicular to the earth's surface Denotes a vertical beamwidth or a vertical beamwidth. Since the xy plane is parallel to the earth's surface Denotes a horizontal beamwidth or a horizontal beamwidth.
  • FIG. 2 illustrates a linear array antenna.
  • a non-limiting example assumes an array antenna consisting of lossless dipole antennas of short length (eg, much shorter than the length of a transmission wave (or transmission signal) wavelength).
  • a linear array antenna is shown in which M dipole antennas are arranged at equal intervals of ⁇ on the x axis.
  • the positions of the M dipole antennas are expressed in Cartesian coordinates
  • the position of the first antenna is Where m is the position of the antenna
  • M is the position of the antenna It can be represented as.
  • Any point on the 3D Can be expressed using the It can be represented as.
  • any point on the 3D is far from the antenna (e.g., far away from the wavelength of the transmitted wave (or transmitted signal)).
  • far field approximation can be used.
  • Equation 1 Is the magnetic permeability in vacuum, l is the dipole antenna length, k is the angular frequency Same as If the far field approximation is applied in Equation 1, it can be approximated as in Equation 2.
  • Equation 1 the magnetic field vector potential of Equation 1 can be approximated according to Equation 2 according to Equation 2.
  • Equation 4 Based on the magnetic field vector potential, the electric field may be represented by Equation 4.
  • Equation 5 the electric field may be expressed as Equation 5.
  • Equation 6 C is Corresponds to
  • Horizontal beamforming refers to performing beamforming in a direction perpendicular to the direction in which dipole antennas are arranged in the linear array antenna.
  • the horizontal beamforming may refer to performing beamforming in the y-axis direction.
  • five antennas are illustrated for convenience, but the present invention is not limited thereto, and the same / similar principle may be applied even when the number of antennas is M.
  • FIG. 3 illustrates a beam pattern when performing horizontal beamforming using a linear array antenna.
  • Horizontal beamforming refers to performing beamforming in a direction perpendicular to the direction in which dipole antennas are arranged in the linear array antenna.
  • the horizontal beamforming may refer to performing beamforming in the y-axis direction.
  • five antennas are illustrated for convenience, but the present invention is not limited thereto, and the same / similar principle may be applied even when the number of antennas is M.
  • a beam pattern formed in a horizontal direction by a linear array antenna having M antennas Is shown.
  • All current input values can be set identically.
  • Can be set to The transmission wave (or transmission signal) wavelength is ⁇ and the spacing between dipole antennas If is, the beam pattern formed in the horizontal direction Vertical beamwidth of ( ) And horizontal beamwidth ( ) Can be obtained as described below.
  • the beam pattern may be expressed as Equation (7).
  • the vertical beam width finds the point where the power density is reduced by one half (ie, the point that is reduced by 3 dB) from the value at. That is, the vertical beam width finds an ⁇ satisfying the equation (8) can be expressed as ⁇ 2.
  • Horizontal beam width ( To save) Can be set to Beam pattern Substituting in, the beam pattern may be expressed as in Equation (9).
  • the horizontal beam width For horizontal beamforming When is boresight direction, to find the horizontal beam width Find the point where the power density is reduced by one half (ie, the point that is reduced by 3 dB) from the value at. That is, when ⁇ is satisfied, the horizontal beam width may be expressed as 2 ⁇ .
  • Equation 10 may be expressed as Equation 11.
  • Equation 11 It is very difficult to find ⁇ that satisfies Equation 11 for any natural number M If assuming that M is a large value and ⁇ is very small, Equation 11 can be expressed as Equation 12.
  • Equation 13 can be obtained from Equations 11 and 12.
  • FIG. 4 illustrates a beam pattern when performing longitudinal beamforming using a linear array antenna.
  • Vertical beamforming refers to performing beamforming in the same direction in which the dipole antennas are arranged in the linear array antenna.
  • the vertical beamforming may refer to performing beamforming in the x-axis direction.
  • five antennas are illustrated for convenience, but the present invention is not limited thereto, and the same / similar principle may be applied even when the number of antennas is M.
  • a beam pattern formed in a vertical direction by a linear array antenna having M antennas is M.
  • the current input may be set to have a different phase to match the phase in the beamforming direction.
  • the input current to the m-th antenna for performing longitudinal beamforming Can be set to The transmission wave (or transmission signal) wavelength is ⁇ and the spacing between dipole antennas
  • the beam pattern formed in the longitudinal direction Vertical beamwidth of ( ) And horizontal beamwidth ( ) Can be obtained as described below.
  • the beam pattern may be expressed as Equation (14).
  • the vertical beam width can be expressed as 2 ⁇ .
  • Equation 15 It is very difficult to find ⁇ satisfying the equation (15) for a natural number M If we substitute and assume that M is a large value and ⁇ is very small, the left term of Equation 15 can be expressed as Equation 16.
  • Equation 15 may be obtained from the first to second terms of Equation 14
  • Equation 15 may be represented by Equation 17.
  • the beam pattern may be expressed as Equation 18.
  • the horizontal beam width For longitudinal beamforming When is boresight direction, to find the horizontal beam width Find the point where the power density is reduced by one half (ie, the point that is reduced by 3 dB) from the value at. That is, if ⁇ is satisfied, the horizontal beam width may be expressed as 2 ⁇ .
  • Equation 19 Assuming that ⁇ is a very small value, the left term of Equation 19 can be derived in the same form as Equation 16, and the right term of Equation 19 is defined by the first and second terms of Equation 18 You can get it. Therefore, like Equation 15, Equation 19 may be expressed in the same form as Equation 17. Therefore, if a ⁇ value satisfying Equation 17 is found, Can be obtained, and the Substitute in Using an approximation Is given by Therefore, when performing vertical beamforming using a linear array antenna, the horizontal beamwidth is Can be obtained as
  • FIG. 5 illustrates a circular array antenna.
  • a non-limiting example assumes an array antenna consisting of lossless dipole antennas of short length (eg, much shorter than the length of a transmission wave (or transmission signal) wavelength).
  • FIG. 5 there is shown a circular array antenna in which M dipole antennas are arranged in a circle with an equal spacing of ⁇ on the xy plane.
  • the positions of the M dipole antennas are expressed in Cartesian coordinates
  • the position of the first antenna is Where m is the position of the antenna
  • M is the position of the antenna It can be represented as.
  • Arbitrary three-dimensional points in Cartesian coordinates It can be represented as.
  • Equation 20 an equation representing the electric field may be derived in a similar manner to the linear array antenna.
  • the electric field formed by the circular array antenna may be induced as shown in Equation 20.
  • FIG. 6 illustrates a beam pattern when performing beamforming using a circular array antenna.
  • five dipole antennas are shown for convenience, but the present invention is not limited thereto, and the same / similar principle may be applied even when M dipole antennas are arranged in a circle.
  • the beam is in the x-axis direction ( Illustrated as being formed of, but not limited to, any The same / similar principle can also be applied when forming a beam in the direction.
  • a beam pattern formed by a circular array antenna having M antennas Is shown. on the xy plane
  • the phases of the current inputs may be different to set the phases in the beamforming direction.
  • Input current to the m th antenna to perform beamforming in the Can be set to
  • the transmission wave (or transmission signal) wavelength is ⁇ and the spacing between dipole antennas If, the beam pattern formed by the circular array antenna Vertical beamwidth of ( ) And horizontal beamwidth ( ) Can be obtained as described below. In the following, it is assumed that M is a very large value.
  • Equation 21 By substituting for Equation 20, Equation 21 can be obtained.
  • Equation 21 The Jacobi-Anger expansion may be applied to Equation 21, and Equation 22 may be used.
  • Jacobie Anger deployment see https://en.wikipedia.org/wiki/Jacobi%E2%80%93Anger_expansion, which is incorporated herein by reference in its entirety.
  • Equation (23) May be expressed as in Equation 24.
  • Equation 23 may be expressed as Equation 25.
  • Bessel function Satisfies Equations 26 to 28. More information about Bessel functions is described in “GN Watson, A Treatise on the Theory of Bessel Functions, Cambridge University Press, 1995.” and https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_function. Incorporated by reference.
  • Equation 26 Decreases exponentially with respect to n. Even if the order n value is negative, Equation 26 is valid because Equation 27 holds. According to equation (28) Is Decreases.
  • Equation 29 the beam pattern of Equation 21 may be approximated as Equation 29.
  • Equation 30 When the left side of Equation 30 uses an approximation of Equation 29 and the right side of Equation 30 uses the first equation of Equation 29, Equation 30 may be expressed as Equation 31.
  • Equation 31 assume that M is a large value and ⁇ is a small value. It can be approximated using Eq.
  • Equation 31 may be expressed as Equation 33.
  • the horizontal beamwidth ( To save) Can be set to In addition, it is assumed that M is a very large value as in the case of obtaining the vertical beam width. Substituting the beam pattern May be expressed as Equation 34.
  • Equation 34 The Jacobi-Anger expansion may be applied to Equation 34. Specifically, Equation 35 may be used.
  • Jacobie Anger deployment see https://en.wikipedia.org/wiki/Jacobi%E2%80%93Anger_expansion, which is incorporated herein by reference in its entirety.
  • Equation 36 can be obtained.
  • the horizontal beam width may be represented by 2 ⁇ .
  • Equation 37 When the left side of Equation 37 uses an approximation of Equation 36, and the right side of Equation 37 uses Equation 34, Equation 37 may be expressed as Equation 38.
  • Equation 39 If we assume that M is a large value and ⁇ is a small value, it can be approximated as shown in Equation 39.
  • Equation 38 may be expressed as Equation 40.
  • each dipole antenna of an array antenna ie, a linear array antenna and a circular array antenna
  • each dipole antenna of an array antenna is known to have directivity of 3/2. Since the directivity of an array antenna including M dipole antennas increases by M times, the directivity of an array antenna having M dipole antennas It can be expressed as.
  • the horizontal beam pattern and the vertical beam pattern of the linear array antenna and the beam pattern of the circular array antenna can be summarized as directionality, vertical beam width, and horizontal beam width as shown in Table 1 below.
  • M represents the number of antennas.
  • the size of the vertical beam width varies depending on whether the beamforming direction is horizontal or vertical. Therefore, in the case of the linear arrangement, it can be seen that the size of the vertical beam width varies depending on the beamforming direction.
  • the vertical beam width is the inverse of the square root of the number of antennas M regardless of the beamforming direction. Can be reduced to Accordingly, it can be seen that the circular array can form the same beam pattern regardless of the beamforming direction.
  • the circular array has a rotationally symmetrical structure, beamforming in any direction on one plane may have almost the same beam pattern, but may occupy a larger area than the linear array. Therefore, a structure can be conceived in which the distance between antennas is reduced to less than half of the wavelength of the transmission wave (or transmission signal) while maintaining the circular arrangement. For example, by adjusting the radius of the circular array antenna can be set so that the distance between the antennas less than half of the wavelength.
  • the spacing between the antennas is less than half of the wavelength, mutual coupling between the antennas may occur.
  • the sidelobe level of the radiation pattern can be increased, so that the radiating power can be large but the directivity can be reduced. Therefore, when mutual coupling occurs between antennas, the maximum directivity cannot be obtained by setting the same antenna input value and controlling only phases.
  • it may be considered to control the mutual coupling between antennas by coupling a decoupling precoder to the antenna array.
  • a beam pattern for a case in which coupling is considered and a case in which coupling is not considered will be described when an interval between antennas is smaller than half of a wavelength of a transmission wave (or transmission signal).
  • the coupling may refer to the case of applying a decoupling precoder
  • the coupling may refer to the case of not applying the decoupling precoder.
  • a circular array antenna may have a smaller radius or a larger number of antennas, thereby reducing the spacing between antennas and increasing coupling.
  • the case where the radius of the circular array antenna is fixed may include a case where the number of antennas of the circular array antenna is fixed so that the distance between the antennas is fixed.
  • the case where the radius of the circular array antenna is small enough may include a case where the distance between the operating antennas in the circular array antenna is variable, for example, the distance between the operating antennas by activating / deactivating a certain number of antennas in the circular array antenna.
  • This may include variable cases. More specifically, this may correspond to a case in which the radius of the circular array antenna decreases because the interval between operating antennas decreases as the number of activated antennas increases (or the number of deactivated antennas decreases). As another example, this may correspond to a case where the radius of the circular array antenna increases because the interval between operating antennas increases as the number of deactivated antennas increases (or as the number of activated antennas increases).
  • Equation 31 may be expressed as Equation 41.
  • Equation 41 is the angular frequency
  • Equation 38 may be expressed as Equation 42.
  • the radius of the circular array antenna is small enough, it can be said that the radius has a finite value close to zero. If the radius of the antenna array is close to zero, the phase difference between the antennas is also close to zero. Thus, if the radius of the circular array antenna is small enough, it can be seen that a plurality of dipole antennas radiate with the same current at one point, resulting in the same radiation pattern of one dipole antenna. Since the vertical beam width of one dipole is ⁇ / 2 to be.
  • Equation 20 When the radius of the circular array antenna is R, the electric field may be derived as shown in Equation 20. Using Jacobian angle expansion in Equation 20, Equation 43 is used.
  • Equation 43 If we substitute Equation 43 may be expressed as Equation 44.
  • Equation 45 is obtained.
  • Equation (46) When performing planar beamforming Can be substituted into Equation 46.
  • Equation 47 the vertical beamwidth ( ) Is as follows. If left, the beam pattern can be expressed as Equation 47.
  • Equation 48 An approximation equation as in Equation 48 is used. A detailed description of the approximation can be found at https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_function, which is incorporated by reference in its entirety.
  • Equation 48 holds when x is small enough (ie, when x is close to zero). Therefore, if the limit is applied to the equation (47) May be expressed as in Equation 49.
  • the vertical beamwidth finds the point where the power density is reduced by one half (ie, the point that is reduced by 3 dB) from the value at. That is, when ⁇ satisfying Equation 50 is found, the vertical beam width may be represented by 2 ⁇ .
  • the horizontal beamwidth ( To save)
  • the beam pattern can be obtained by substituting. Substituting the beam pattern May be expressed as Equation 51.
  • Equation 52 Applying the Bessel function approximation May be represented as in Equation 52.
  • the horizontal beam width may be represented by 2 ⁇ .
  • the radius of the circular array antenna has a fixed radius, a small radius, and coupling is considered.
  • the vertical beam width and the horizontal beam width of the beam pattern for the case and the case not considered can be summarized as shown in Table 2.
  • Table 2 Denotes a case in which the radius of the circular array antenna is (sufficiently), and may include a case in which the distance between operating antennas in the circular array antenna is variable.
  • M represents the number of operating antennas.
  • the beam width is not affected by the number of antennas. In this case, even if the number of antennas increases, the beam width is not substantially affected, and the beam width is affected by the array antenna radius size.
  • the beam width decreases as the number of antennas increases. That is, when the antenna input is given in consideration of the coupling, as shown in Table 1, the same result as when the coupling does not occur can be obtained. Therefore, even when the radius of the circular array antenna is finite considering the coupling it can be seen that the beam width can be controlled using the number of antennas.
  • the beam width can be reduced by increasing the number of antennas. Therefore, when controlling the mutual coupling between antennas using a decoupling precoder, efficient beamforming may be possible.
  • FIG. 7 illustrates a vertical beam width and a horizontal beam width according to the number of antennas.
  • FIG. 7 (a) shows a comparison between the actual vertical beamwidth according to the number of antennas and the approximate vertical beamwidth.
  • FIG. 7 (b) shows the actual horizontal beamwidth according to the number of antennas and the horizontal beamwidth approximated. It is a comparison.
  • an elevation angle may change.
  • the transmitter transmits a signal to the receiver through beamforming
  • the beam width must be able to be controlled according to the position of the receiver.
  • the transmitter may adjust the beamwidth such that the receiver is covered within a 3 dB vertical beamwidth and a 3 dB horizontal beamwidth.
  • the beam width may be controlled according to the number of antennas regardless of the beam direction.
  • the circular array antenna is inefficient in terms of space layout, it may be considered to reduce the radius of the circular array antenna, but coupling between antennas may occur. When coupling between antennas occurs, there is a limit that the beam width cannot be reduced by more than a certain limit, but the coupling can be solved by using a decoupling precoder.
  • the present invention proposes a method for efficiently performing beamforming using a circular array antenna including a fixed number of antennas and having a fixed radius. More specifically, a method of efficiently adjusting the vertical beam width and / or the horizontal beam width when the radius of the circular array antenna having a certain number of antennas does not change.
  • FIG. 8 illustrates a circular array antenna to which the present invention can be applied.
  • a circular array antenna may be configured by circularly arranging N antennas on an x-y plane of Cartesian coordinates.
  • the N antennas may be arranged in circular symmetric, where circular symmetry refers to the same center angle between the antennas.
  • the center angle ⁇ is the same at 2 ⁇ / N.
  • the radius of the circular array antenna can be denoted as R and R can be fixed at a constant value.
  • N refers to the total number of antennas included in the circular array antenna.
  • the number of antennas to be operated from the total number of antennas according to the desired beam width is not physically changed to the circular array antenna such as adjusting the radius size or removing / adding the antenna to adjust the beam width using the circular array antenna.
  • Adjust The number of antennas to be operated is indicated as N active among the total number of antennas.
  • N active refers to the number of activated antennas or the number of operating antennas among the total antennas.
  • An antenna actually used for beamforming among all antennas included in the array antenna may be referred to as an operating antenna or an activated antenna. Since the number of operating antennas used for actual beamforming is N active , N active may correspond to the number of antennas M described above.
  • the number of operating antennas may vary depending on the desired beam width. This may be the case. Therefore, when the distance between antennas to be operated is greater than or equal to half of the transmission signal (or transmission wave) wavelength, the number of operating antennas corresponding to the beam width can be determined according to the principle illustrated in Table 1, and the interval between antennas to be operated is transmitted. If less than half of the signal (or transmission wave) wavelength, the number of operating antennas corresponding to the beam width may be determined according to the principle illustrated in Table 2.
  • the transmitter may determine N active by first determining a desired beamwidth and then determining a divisor corresponding to the determined beamwidth.
  • the number of operating antennas N active may be determined by (K1 is a constant). Or when the desired horizontal beamwidth is determined (K2 is a constant) can determine the number of operating antenna (N active ).
  • the N active antennas may be arbitrarily activated among the N antennas in total. That is, the circular array antenna structure consisting of N active antennas As many as may exist, and any structure from among them can be selected and used. Indicates. Preferably, N active antennas arranged in circular symmetry may be selected from the total N antennas in order to minimize coupling between antennas. More specifically, when N antennas are arranged in circular symmetry and N active is determined as a divisor of N, N active antennas may also be arranged in circular symmetry. In this case, there is an advantage in that coupling between operating antennas can be minimized.
  • FIG 9 illustrates a structure of an antenna according to the present invention.
  • the radius of the circular array antenna is set to half of the wavelength and the circular array antenna may have a total of nine antennas.
  • the gray circle represents an activated antenna or an operating antenna
  • the black circle represents an antenna that is not activated or operated. All nine antennas may be arranged in circular symmetry, in which case the center angle between the antennas may be set equal to 40 degrees.
  • the number of activated or operated antennas N active may be determined as one of the divisors of nine.
  • 9 (a) illustrates a case where N active is determined to be 9 and all nine antennas are activated or operated.
  • 9 (b) illustrates a case where N active is determined to be 3, and three antennas are activated or operated.
  • 9 (c) illustrates a case where N active is determined to be 1, one antenna is activated or operated.
  • an operating antenna may be arbitrarily determined, and an arrangement structure of the operating antennas may be arbitrarily determined.
  • the operation antenna may be determined to be arranged circularly symmetric among all antennas, in which case there is an advantage of minimizing antenna coupling.
  • precoding may be performed on a transmission signal.
  • precoding may be performed in consideration of the coupling between antennas according to the distance between antennas. For example, when the distance between antennas is sufficiently large (eg, when the distance between antennas is greater than the wavelength length (transmission wave or transmission signal)), precoding may be performed without considering coupling between antennas. As another example, if the spacing between the antennas is small enough (e.g., the spacing between the antennas is smaller than the wavelength length (transmission wave or transmission signal)), the inter-antenna coupling may occur, so precoding may be performed in consideration of the coupling. have.
  • Equation 54 x represents a transmission signal, z represents a precoder output, G H represents a precoding matrix, G H represents a complex conjugate transpose matrix of G and H represents the Hermit operator. (Hermitian operator). G may be referred to as a channel vector. For example, when the number of operating antennas is N active , G may correspond to a (1 ⁇ N active ) channel vector. In the present specification, when the coupling between the antennas is not considered, the precoding matrix or the precoder may be referred to as the first precoding matrix or the first precoder.
  • Equation 55 Denotes a beamforming direction (eg, beam horizontal direction),? Denotes a wavelength of a transmission wave or a transmitted signal, and R denotes a radius of a circular array antenna.
  • Equation 56 When considering the coupling between antennas, precoding may be performed using Equation 56.
  • x represents a transmission signal
  • z represents a precoder output
  • C - 1 G H represents a precoding matrix
  • C - 1 represents an inverse of C.
  • G may be referred to as a channel vector.
  • N active when the number of operating antennas is N active , G may correspond to a (1 ⁇ N active ) channel vector.
  • C ⁇ 1 G H may be referred to as a decoupling precoder because it is a precoder considering the inter-antenna coupling.
  • C is a matrix representing the coupling between antennas. For example, when the number of operating antennas is N active , C may be expressed as a (N active ⁇ N active ) matrix.
  • G may be given according to Equation 55
  • C may be given according to Equation 57.
  • ⁇ represents a wavelength of a transmission wave or a transmission signal
  • R represents a radius of a circular array antenna.
  • the matrix C representing the antenna-to-antenna coupling has a circulant matrix structure.
  • the cyclic matrix refers to a matrix in which a column is cyclically shifted to the right (or left) every row.
  • C corresponds to a cyclic matrix because the column is cyclically shifted to the right every row.
  • the cyclic matrix has a property of being decomposed into an inverse Fourier transform matrix (or IFFT matrix), a diagonal matrix, and a Fourier transform matrix (or FFT matrix).
  • a diagonal matrix refers to a matrix in which all elements except for elements (or elements having the same row number and column number) positioned diagonally in the matrix have a value of zero. Accordingly, the circulant matrix C according to the present invention may be decomposed into an IFFT matrix, a diagonal matrix, and an FFT matrix as shown in Equation 58.
  • Equation 58 [] -1 represents an inverse matrix u represents the elements in the u and v columns of the W (a) matrix, T represents the transpose operator, and diag () arranges the diagonal matrix by arranging the elements of the vector at diagonal positions in the diagonal matrix.
  • c is a parameter required to control the coupling between antennas and may be referred to as coupling parameter information or coupling coefficient information.
  • the diagonal matrix of C can be directly obtained by taking the inverse of each diagonal element.
  • the IFFT matrix and the FFT matrix are inverse matrix relations, and thus are complex conjugated matrixes. There is an advantage in that it can be reduced.
  • the circulant matrix of the 3x3 matrix is expressed by Equation 59.
  • the transmission signal when considering the coupling between antennas can additionally undergo Fourier transform (or FFT), diagonal multiplication, and inverse Fourier transform (or FFT).
  • FFT Fourier transform
  • diagonal multiplication diagonal multiplication
  • FFT inverse Fourier transform
  • the output z generated via the precoder may be transmitted via a circular array antenna.
  • additional processing may be performed on the precoder output z before being input to the antenna, and the signal generated through the precoder output z may be transmitted through the circular array antenna.
  • FIG. 10 illustrates a flowchart of a beamforming method according to the present invention.
  • the method illustrated in FIG. 10 may be performed by a communication device including a circular array antenna including a plurality of antennas (eg, a dipole antenna), but is not limited thereto.
  • the method may be applied.
  • the number of operating antennas for forming a specific beam pattern in the communication device may be determined.
  • the specific beam pattern may be formed to cover a specific terminal and may be defined by the vertical beam width and the horizontal beam width.
  • the size of the vertical beam width of the circular array antenna may decrease in proportion to the square root of the number of operating antennas (see, for example, Tables 1 and 2). Therefore, the number of operating antennas among the plurality of antennas included in the circular array antenna may be determined using the inverse of the square of the vertical beam width of the specific beam pattern. For example, when the number of operating antennas is N active , the vertical beam width Is (K1 is a constant), N active can be found by dividing the constant by the square of the vertical beamwidth. More specifically, N active may be determined within a range less than or equal to a constant divided by the square of the vertical beamwidth.
  • the size of the horizontal beamwidth of the circular array antenna may be reduced in proportion to the number of operating antennas (see, for example, Table 1 and Table 2). Therefore, the number of operating antennas of the circular array antenna may be determined using the inverse of the horizontal beam width of the specific beam pattern. For example, when the number of operating antennas is N active , the vertical beam width (K2 is a constant), N active can be found by dividing the constant by the horizontal beamwidth. More specifically, N active may be determined within a range less than or equal to a constant divided by the horizontal beamwidth.
  • the number of operating antennas may be determined using the inverse of the square of the vertical beamwidth and the inverse of the horizontal beamwidth.
  • the number of operating antennas N active may be determined within a range less than or equal to a value obtained by dividing the first constant by the square of the vertical beamwidth and less than or equal to a value obtained by dividing the second constant by the horizontal beamwidth.
  • the number of operating antennas may be determined from a divisor of the total number of antennas included in the circular array antenna.
  • the number of operating antennas N active may be determined as one of the divisors of the total number N of antennas included in the circular array antenna.
  • the communication device may select one of the divisors of the total number of antennas within a range satisfying the vertical beam width and / or the horizontal beam width. For example, in order to reduce interference to other terminals, it is preferable to minimize the vertical beam width and / or the horizontal beam width, so that the maximum value of the divisors of the total number of antennas can be selected within a range satisfying the vertical beam width and / or the horizontal beam width. have.
  • the range satisfying the vertical beamwidth and / or the horizontal beamwidth may refer to a range less than or equal to the first constant divided by the square of the vertical beamwidth and / or a range less than or equal to the second constant divided by the horizontal beamwidth. .
  • At least one antenna may be selected from among a plurality of antennas included in the circular array antenna using the determined number of operating antennas.
  • antennas may be arbitrarily activated as many as N active antennas among the N antennas. That is, the circular array antenna structure consisting of N active antennas As many as may exist, and any structure from among them can be selected and used. Indicates.
  • N active antennas arranged in circular symmetry may be selected from the total N antennas in order to minimize coupling between antennas. More specifically, when N antennas are arranged in circular symmetry and N active is determined as a divisor of N, N active antennas may also be arranged in circular symmetry (eg, see FIG. 9). In this case, there is an advantage in that coupling between operating antennas can be minimized.
  • the communication device may transmit a signal through at least one selected antenna.
  • precoding may be performed on the transmission signal. Precoding may be performed based on the number of operating antennas, the horizontal direction of a particular beam pattern, the radius of the circular array antenna, and the wavelength of the transmitted signal. For example, precoding may be performed based on Equations 54-58. As a more specific example, when the distance between the operating antennas is greater than or equal to half of the wavelength of the transmission signal, precoding may be performed based on Equations 54 to 55. As another example, when the operating antenna spacing is less than half of the wavelength of the transmission signal, precoding may be performed based on Equations 56-58.
  • precoding involves performing a Fourier transform on the transmitted signal, multiplying the Fourier transformed signal by a diagonal matrix, and performing a Fourier transform on the signal multiplied by the diagonal matrix. May include performing.
  • the Fourier transform can be performed by multiplying the Fourier transform matrix (or FFT matrix)
  • the inverse Fourier transform can be performed by multiplying the inverse Fourier transform matrix (or IFFT matrix).
  • a Fourier transform matrix (or FFT matrix), a diagonal matrix, and an inverse Fourier transform matrix (or IFFT matrix) may be given according to Equation 58.
  • the beamforming method according to the present invention has been described using three steps, the present invention is not limited thereto.
  • the method according to the present invention may be performed including other steps not described in FIG. 10, or may be performed except for the specific steps described in FIG. 10.
  • the method according to the invention may be carried out including without limitation the technical principles described herein.
  • the communication device illustrated in FIG. 11 may correspond to a base station or a transmission point.
  • the communication device illustrated in FIG. 11 may correspond to a terminal.
  • the communication device 10 may include a processor 11, a memory 12, a radio frequency (RF) unit 13, and an array antenna 14.
  • the processor 11 may be configured to implement the procedures and / or methods proposed in the present invention.
  • the memory 12 is connected to the processor 11 in operation and stores various information related to the operation of the processor 11.
  • the RF unit 13 is connected in operation with the processor 11 and the array antenna 14 and transmits and / or receives radio signals via the array antenna 14.
  • the array antenna 14 may include a plurality of (unit) antennas, and at least one antenna among the plurality of antennas may be designated as an operation antenna.
  • each component or feature is to be considered optional unless stated otherwise.
  • Each component or feature may be embodied in a form that is not combined with other components or features. It is also possible to combine some of the components and / or features to form an embodiment of the invention.
  • the order of the operations described in the embodiments of the present invention may be changed. Some components or features of one embodiment may be included in another embodiment or may be replaced with corresponding components or features of another embodiment. It is obvious that the claims may be combined to form an embodiment by combining claims that do not have an explicit citation relationship in the claims or as new claims by post-application correction.
  • Certain operations described in this document as being performed by a base station may in some cases be performed by an upper node thereof. That is, it is obvious that various operations performed for communication with the terminal in a network including a plurality of network nodes including a base station may be performed by the base station or other network nodes other than the base station.
  • Embodiments according to the present invention may be implemented by various means, for example, hardware, firmware, software, or a combination thereof.
  • an embodiment of the present invention may include one or more application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), FPGAs ( field programmable gate arrays), processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, and the like.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • processors controllers, microcontrollers, microprocessors, and the like.
  • the methods according to the present invention may be implemented in software code such as modules, procedures, functions, etc. that perform the functions or operations described above.
  • the software code may be stored on a computer readable medium in the form of instructions and / or data and driven by the processor.
  • the computer readable medium may be located inside or outside the processor to exchange data with the processor by various means known in the art.
  • the present invention can be used in a wireless communication device such as a terminal, a base station, a transmission point, and the like.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

본 발명은 복수의 안테나를 포함하는 원형 배열 안테나를 이용하여 빔포밍을 수행하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것으로서, 특정 빔 패턴을 위한 동작 안테나 개수를 결정하는 단계; 상기 결정된 동작 안테나 개수를 이용하여 상기 복수의 안테나 중에서 적어도 하나의 안테나를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 적어도 하나의 안테나를 통해 신호를 전송하는 단계를 포함하되, 상기 동작 안테나 개수를 결정하는 단계는, 상기 특정 빔 패턴의 수직 빔폭의 제곱의 역수를 이용하여 상기 동작 안테나 개수를 결정하는 것을 포함하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

Description

빔포밍 방법 및 이를 위한 장치
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배열 안테나를 이용한 빔포밍 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
모바일 기술의 급속발전으로 인해 무선 데이터 트래픽 수요가 급격히 증가하고 있다. 배열 안테나는 무선 통신 환경에서 이 수요를 감당하기 위한 중요한 기술로 인식되어 많은 주목을 받고 있다. 배열 안테나는 원하는 방향으로 최적의 빔을 형성하여 수신 단에서 받는 간섭신호의 영향을 최소화시켜 통신의 안정성과 용량을 향상시킬 수 있다. 배열 안테나를 이용하여 원하는 방향으로 최적의 빔을 형성하기 위해서는 빔 패턴을 효과적으로 제어할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명은 배열 안테나를 이용하여 빔 패턴을 제어하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 배열 안테나를 이용하여 빔포밍을 효율적으로 수행하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배열 안테나를 이용하여 빔 패턴을 효율적으로 제어하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 원형 배열 안테나를 이용하여 빔폭을 효율적으로 제어하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배열 안테나에서 안테나 간 커플링을 고려하여 빔폭을 효율적으로 제어하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 원형 배열 안테나에서 효율적인 빔포밍을 위한 동작 안테나 결정 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 원형 배열 안테나에 의해 형성되는 빔폭을 효율적으로 제어하기 위한 프리코딩 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 양상으로서, 복수의 안테나를 포함하는 원형 배열 안테나를 이용하여 빔포밍을 수행하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 특정 빔 패턴을 위한 동작 안테나 개수를 결정하는 단계; 상기 결정된 동작 안테나 개수를 이용하여 상기 복수의 안테나 중에서 적어도 하나의 안테나를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 적어도 하나의 안테나를 통해 신호를 전송하는 단계를 포함하되, 상기 동작 안테나 개수를 결정하는 단계는, 상기 특정 빔 패턴의 수직 빔폭의 제곱의 역수를 이용하여 상기 동작 안테나 개수를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 양상으로서, 빔포밍을 수행하도록 구성된 통신 장치가 제공되며, 상기 통신 장치는 복수의 안테나를 포함하는 원형 배열 안테나; 및 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 상기 빔포밍을 위한 빔 패턴에 대응하는 동작 안테나 개수를 결정하고, 상기 복수의 안테나 중에서 상기 동작 안테나 개수만큼 안테나를 선택하고, 상기 선택된 안테나를 통해 신호를 전송하도록 구성되며, 상기 동작 안테나 개수를 결정하는 것은 상기 빔 패턴의 수직 빔폭의 제곱의 역수를 이용하여 상기 동작 안테나 개수를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 동작 안테나 개수를 결정하는 것은 상기 빔 패턴의 수평 빔폭의 역수를 이용하여 상기 동작 안테나 개수를 결정하는 것을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 동작 안테나 개수는 상기 원형 배열 안테나에 포함된 상기 복수의 안테나의 개수의 약수 중에서 결정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 선택된 안테나는 상기 원형 배열 안테나에서 원형 대칭성을 만족할 수 있다.
바람직하게는, 상기 신호를 전송하는 것은 상기 동작 안테나 개수, 상기 빔 패턴의 수평 방향, 상기 원형 배열 안테나의 반지름, 및 상기 신호의 파장에 기초하여 상기 신호에 대해 프리코딩을 수행하는 것과, 상기 프리코딩된 신호를 상기 선택된 안테나를 통해 전송하는 것을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 동작 안테나 간 간격이 상기 신호의 파장의 절반보다 크거나 같은 경우, 상기 신호는 다음 수학식을 이용하여 프리코딩되며,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000001
Figure PCTKR2016002347-appb-I000002
x는 상기 신호를 나타내고, z는 상기 프리코딩된 신호를 나타내고, a는 상기 동작 안테나 개수를 나타내고, λ는 상기 신호의 파장을 나타내고,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000003
는 상기 빔 패턴의 수평 방향을 나타내고, R은 원형 배열 안테나의 반지름을 나타내고, GH는 G의 복소 공액 전치 행렬(complex conjugate transpose matrix)를 나타낼 수 있다.
바람직하게는, 상기 동작 안테나 간 간격이 상기 신호의 파장의 절반보다 작은 경우, 상기 신호를 프리코딩하는 것은 상기 신호에 대해 푸리에 변환을 수행하는 것과, 상기 푸리에 변환된 신호에 대각 행렬을 곱하는 것과, 상기 대각 행렬이 곱해진 신호에 푸리에 변환을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 푸리에 변환은 a×a FFT(Fast Fourier Transform) 행렬을 이용하여 수행되며, 상기 FFT 행렬의 u번째 행과 v번째 열의 원소
Figure PCTKR2016002347-appb-I000004
는 다음 수식에 의해 주어질 수 있다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000005
바람직하게는, 상기 대각 행렬은 다음 수식에 의해 주어지며,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000006
Figure PCTKR2016002347-appb-I000007
W(a)는 상기 FFT 행렬을 나타내고, T는 전치 연산자(transpose operator)를 나타내고, diag( )는 벡터의 원소들을 대각 행렬의 대각선 위치에 배열하여 대각 행렬을 생성하는 함수를 나타낼 수 있다.
바람직하게는, 상기 동작 안테나 간 간격이 상기 신호의 파장의 절반보다 작은 경우, 상기 신호는 다음 수학식을 이용하여 프리코딩되며,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000008
Figure PCTKR2016002347-appb-I000009
Figure PCTKR2016002347-appb-I000010
x는 상기 신호를 나타내고, z는 상기 프리코딩된 신호를 나타내고, a는 상기 동작 안테나 개수를 나타내고, λ는 상기 신호의 파장을 나타내고,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000011
는 상기 빔 패턴의 수평 방향을 나타내고, GH는 G의 복소 공액 전치 행렬(complex conjugate transpose matrix)를 나타내고, C-1는 C의 역행렬을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따르면, 배열 안테나를 이용하여 빔포밍을 효율적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배열 안테나를 이용하여 빔 패턴을 효율적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 원형 배열 안테나를 이용하여 빔폭을 효율적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배열 안테나에서 안테나 간 커플링을 고려하여 빔폭을 효율적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 원형 배열 안테나에서 효과적으로 동작 안테나를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 프리코딩을 통해 원형 배열 안테나에 의해 형성되는 빔폭을 효율적으로 제어할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
첨부 도면은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되며, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 특정 빔 패턴에 대한 지향성 및 빔폭을 예시한다.
도 2는 선형 배열 안테나를 예시한다.
도 3은 선형 배열 안테나를 이용하여 가로 방향 빔포밍을 수행할 때 빔 패턴을 예시한다.
도 4는 선형 배열 안테나를 이용하여 세로 방향 빔포밍을 수행할 때 빔 패턴을 예시한다.
도 5는 원형 배열 안테나를 예시한다.
도 6은 원형 배열 안테나를 이용하여 빔포밍을 수행할 때 빔 패턴을 예시한다.
도 7은 안테나 개수에 따른 수직 방향 빔폭과 수평 방향 빔폭을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명이 적용될 수 있는 원형 배열 안테나를 예시한다.
도 9는 본 발명에 따른 안테나의 구조를 예시한다.
도 10은 본 발명에 따른 빔포밍 방법의 순서도를 예시한다.
도 11은 본 발명이 적용될 수 있는 통신 장치를 예시한다.
본 명세서에서, 사용자기기(user equipment, UE)는 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, 기지국(base station, BS)과 통신하여 데이터 및/또는 제어 정보를 송수신하는 각종 기기들을 포함한다. UE는 단말(Terminal), MS(Mobile Station), MT(Mobile Terminal), UT(User Terminal), SS(Subscribe Station), 무선기기(wireless device), PDA(Personal Digital Assistant), 무선 모뎀(wireless modem), 휴대기기(handheld device) 등으로 지칭될 수 있다. 이하에서, UE는 단말과 혼용될 수 있다.
본 명세서에서, 기지국(BS)은 일반적으로 UE 및/또는 다른 BS와 통신하는 고정국(fixed station)을 말하며, UE 및 다른 BS와 통신하여 각종 데이터 및 제어정보를 교환한다. 기지국(BS)은 ABS(Advanced Base Station), NB(Node-B), eNB(evolved-NodeB), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point), PS(Processing Server), 노드(node), TP(Transmission Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 이하에서, 기지국(BS)은 eNB와 혼용될 수 있다.
본 발명에서 노드(node)라 함은 사용자기기와 통신하여 무선 신호를 전송/수신할 수 있는 고정된 지점(point)을 말한다. 다양한 형태의 eNB들이 그 명칭에 관계없이 노드로서 이용될 수 있다. 예를 들어, BS, NB, eNB, 피코-셀 eNB(PeNB), 홈 eNB(HeNB), 릴레이, 리피터 등이 노드가 될 수 있다. 혹은, 노드는 eNB가 아닐 수 있다. 예를 들어, 노드는 무선 리모트 헤드(radio remote head, RRH), 무선 리모트 유닛(radio remote unit, RRU)이 될 수 있다. RRH, RRU 등은 일반적으로 eNB의 전력 레벨(power level) 보다 낮은 전력 레벨을 갖는다. RRH 혹은 RRU(이하, RRH로 통칭)는 일반적으로 이상적인 백홀 망(backhaul network)(예, 광 케이블 등의 전용 회선(dedicated line))을 통해 eNB에 연결될 수 있다. 따라서, RRH와 eNB에 의한 협력 통신(coordinated communication)은 일반적으로 무선 회선으로 연결되는 eNB들에 의한 협력 통신에 비해 효율적으로 수행될 수 있다.
통신 성능을 높이는 물리적인 방법으로서 복수의 안테나를 활용하는 연구가 진행되고 있다. 복수의 안테나를 일정한 형태로 배열하여 구성되는 안테나를 배열 안테나(array antenna) 또는 안테나 배열(antenna array)라고 지칭하며, 복수의 안테나는 동일한 형태의 단위 안테나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배열 안테나는 단위 안테나로서 다이폴 안테나를 포함할 수 있다.
배열 안테나는 복수의 안테나들이 배열되는 구조에 따라 선형 배열 안테나, 원형 배열 안테나 등으로 분류될 수 있다. 복수의 안테나가 일정한 간격을 가지고 선형으로 배열되는 경우 선형 배열 안테나 또는 선형 안테나 배열이라고 지칭될 수 있다. 복수의 안테나가 일정한 간격을 가지고 원형으로 배열되는 경우 원형 배열 안테나 또는 원형 안테나 배열이라고 지칭될 수 있다. 배열 안테나는 안테나의 지향성을 최대화하기 위해 사용되며, 예를 들어 빔포밍을 위한 빔 패턴을 형성하기 위해 이용될 수 있다.
배열 안테나의 성능을 나타내는 지표로서 지향성과 3dB 빔폭(간략히, 빔폭) 등이 있다. 지향성이란, 배열 안테나가 특정 빔 패턴을 형성할 때, 안테나 방사 전력 대비 특정 방향으로 나가는 전자기 전력 밀도를 지칭한다. 3dB 빔폭이란, 특정 방향으로 나가는 전자기 전력 밀도보다 3dB 감소한 지점들로서 단일 평면 상에 존재하는 3dB 감소 지점들 간의 각도를 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 3dB 빔폭은 간략히 빔폭으로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 지표면에 수직인 평면 상에서의 3dB 빔폭을 수직 방향 빔폭이라고 지칭할 수 있으며, 간략히 수직 빔폭이라고 지칭할 수 있다. 다른 예로, 지표면에 평행한 평면 상에서의 3dB 빔폭을 수평 방향 빔폭이라고 지칭할 수 있으며, 간략히 수평 빔폭이라고 지칭할 수 있다. 따라서, 배열 안테나에 의해 형성되는 빔 패턴은 지향성, 빔폭 (수평 빔폭 및/또는 수직 빔폭) 등에 의해 나타낼 수 있다.
본 명세서에서, 빔 패턴은 빔포밍과 동일한 의미를 사용될 수 있고, 빔 패턴과 빔포밍은 간략히 빔으로 지칭될 수 있다. 또한, 빔폭은 빔포밍에 의해 형성되는 빔 패턴의 빔폭을 지칭한다.
도 1은 특정 빔 패턴에 대한 지향성 및 빔폭을 예시한다. 도 1의 예에서, 특정 빔 패턴은 x축 방향으로 형성되며 z-x 평면에서 볼 때 전력 밀도가 넓게 분포하고 x-y 평면에서 볼 때 전력 밀도가 좁게 분포하는 빔 패턴이 형성된다고 가정한다. 도 1의 예는 오로지 예시일 뿐이며 다른 방향으로 빔 패턴이 형성되더라도 동일/유사하게 지향성 및 빔폭이 결정될 수 있다. 도 1의 예에서, 지표면은 x-y 평면에 평행하다고 가정한다.
도 1을 참조하면, x축 방향으로 나가는 전자기의 전력 밀도가 도시되어 있으므로 지향성은 D로서 나타낼 수 있다. 또한, x축 방향으로 나가는 전력 밀도보다 3dB 감소한 지점을 각각 z-x 평면과 x-y 평면 상에서 점선으로 표시하였는데, z-x 평면 상에서의 3dB 감소 지점들 간의 각도는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000012
로서 표시되어 있고, x-y 평면 상에서의 3dB 감소 지점들 간의 각도는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000013
로서 표시되어 있다. 도 1의 예에서, z-x 평면은 지표면에 수직이므로
Figure PCTKR2016002347-appb-I000014
는 수직 방향 빔폭 또는 수직 빔폭을 나타낸다. x-y 평면은 지표면에 평행이므로
Figure PCTKR2016002347-appb-I000015
는 수평 방향 빔폭 또는 수평 빔폭을 나타낸다.
선형 배열 안테나와 원형 배열 안테나를 이용하여 형성되는 빔 패턴들에 대한 지향성 및 빔폭(수직 방향 빔폭 및/또는 수평 방향 빔폭)을 분석하면 다음과 같다.
선형 배열 안테나의 빔 패턴
도 2는 선형 배열 안테나를 예시한다. 도 2의 예에서는 제한적이지 않은 예로서, 길이가 짧은(예를 들어, 전송파(또는 전송 신호) 파장 길이보다 훨씬 짧은) 무손실 다이폴(dipole) 안테나들로 구성된 배열 안테나를 가정한다.
도 2을 참조하면, M개의 다이폴 안테나들이 x축 상에서 Δ의 동일한 간격으로 배치된 선형 배열 안테나가 도시되어 있다. M개의 다이폴 안테나의 위치를 직교 좌표로 표시하면, 제1 안테나의 위치는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000016
로 나타낼 수 있고, 제m 안테나의 위치는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000017
로 나타낼 수 있고, 제M 안테나의 위치는 로 나타낼 수 있다. 임의의 3차원 상의 점은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000019
를 이용하여 표현이 가능하며, 직교 좌표로 표시하면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000020
로 나타낼 수 있다. 임의의 3차원 상의 점이 안테나로부터 멀리 떨어져 있다고(예를 들어, 전송파(또는 전송 신호) 파장 길이보다 매우 멀리 떨어져 있다고) 가정하면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000021
로 나타낼 수 있으며 원거리 장 근사화(far field approximation)를 사용할 수 있다. 제m 안테나와 임의의 3차원 상의 점 사이의 거리는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000022
으로 표시한다.
도 2의 예에서, 제1 다이폴 안테나 내지 제M 다이폴 안테나에 흐르는 전류가 각각 I1,…,IM으로 표시하면 자기장 벡터 포텐셜은 수학식 1에 의해 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000023
수학식 1에서,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000024
는 진공상태에서의 투자율(magnetic permeability), l은 다이폴 안테나 길이, k는 각 주파수(angular frequency)로서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000025
와 같다. 수학식 1에서 원거리 장 근사화(far field approximation)를 적용하면 수학식 2와 같이 근사화가 가능하다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000026
따라서, 원거리 장 근사화(far field approximation)를 적용하면 수학식 2에 따라 수학식 1의 자기장 벡터 포텐셜은 수학식 3과 같이 근사화될 수 있다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000027
자기장 벡터 포텐셜에 기초하여 전기장은 수학식 4로 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000028
수학식 3을 수학식 4에 대입하면 원거리 장 근사화(far field approximation)를 적용하여
Figure PCTKR2016002347-appb-I000029
로 감소하는 식을 뺀 나머지
Figure PCTKR2016002347-appb-I000030
식을 제거하면 전기장은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000031
수학식 5에서 r 값을 고정할 경우 합계(summation) 앞에 있는 값들은 상수가 되며 전기장은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. 수학식 6에서 C는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000032
에 해당한다.
[수학식 6]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000033
도 3은 선형 배열 안테나를 이용하여 가로 방향 빔포밍을 수행할 때 빔 패턴을 예시한다. 가로 방향 빔포밍은 선형 배열 안테나에서 다이폴 안테나들이 배열된 방향에 수직인 방향으로 빔포밍을 수행하는 것을 지칭한다. 예를 들어, 선형 배열 안테나에서 다이폴 안테나들이 x축 방향으로 배열되는 경우 가로 방향 빔포밍은 y축 방향으로 빔포밍을 수행하는 것을 지칭할 수 있다. 도 3의 예에서, 편의상 5개의 안테나가 도시되어 있지만 이에 제한되는 것은 아니며, 안테나 개수가 M개인 경우에도 동일/유사한 원리가 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 안테나 개수가 M개인 선형 배열 안테나에 의해 가로 방향으로 형성된 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000034
가 도시되어 있다. 가로 방향 빔포밍을 수행할 경우 전류 입력값은 모두 동일하게 설정될 수 있으며, 설명의 편의를 위해 전류 입력값을
Figure PCTKR2016002347-appb-I000035
로 설정할 수 있다. 전송파(또는 전송 신호) 파장이 λ이고 다이폴 안테나 간의 간격이
Figure PCTKR2016002347-appb-I000036
인 경우, 가로 방향으로 형성된 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000037
의 수직 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000038
)과 수평 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000039
)은 이하에서 설명되는 바와 같이 구할 수 있다.
수직 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000040
)을 구하기 위해서는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000041
로 설정할 수 있으며,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000042
를 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000043
에 대입하면 빔 패턴은 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000044
가로 방향 빔포밍의 경우
Figure PCTKR2016002347-appb-I000045
일 때 보어사이트(boresight) 방향을 나타내므로 수직 방향 빔폭을 구하기 위해
Figure PCTKR2016002347-appb-I000046
일 때의 값보다 전력 밀도가 1/2 감소한 지점(즉, 3dB 감소한 지점)을 찾는다. 즉, 수학식 8을 만족하는 α를 찾으면 수직 방향 빔폭은 2α로 표현될 수 있다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000047
수학식 8을 풀면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000048
이므로 선형 배열 안테나를 이용하여 가로 방향 빔포밍을 수행할 경우 수직 방향 빔폭은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000049
로 구해질 수 있다.
수평 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000050
)을 구하기 위해서는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000051
로 설정할 수 있으며,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000052
를 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000053
에 대입하면 빔 패턴은 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 9]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000054
가로 방향 빔포밍의 경우
Figure PCTKR2016002347-appb-I000055
일 때 보어사이트(boresight) 방향을 나타내므로 수평 방향 빔폭을 구하기 위해
Figure PCTKR2016002347-appb-I000056
일 때의 값보다 전력 밀도가 1/2 감소한 지점(즉, 3dB 감소한 지점)을 찾는다. 즉, 수학식 10을 만족하는 α를 찾으면 수평 방향 빔폭은 2α로 표현될 수 있다.
[수학식 10]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000057
수학식 10의 왼쪽 항은 수학식 9에 의해 구할 수 있고 수학식 10의 오른쪽 항은 수학식 7에 의해 구할 수 있으므로 수학식 10은 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 11]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000058
임의의 자연수 M에 대해 수학식 11을 만족하는 α를 찾는 것은 매우 어렵지만
Figure PCTKR2016002347-appb-I000059
로 치환하고 M이 큰 값이고 α가 매우 작다고 가정할 경우 수학식 11은 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000060
수학식 11과 수학식 12로부터 수학식 13을 구할 수 있다.
[수학식 13]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000061
수학식 13을 만족하는 β값을 찾으면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000062
를 구할 수 있다. 구해진 β값을
Figure PCTKR2016002347-appb-I000063
에 대입하면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000064
로 주어진다. 따라서, 선형 배열 안테나을 이용하여 가로 방향 빔포밍을 수행할 경우 수평 방향 빔폭은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000065
로 구해질 수 있다.
결론적으로, M개의 다이폴 안테나를 포함하는 선형 배열 안테나를 이용하여 가로 방향 빔포밍을 수행할 경우 빔 패턴의 수직 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000066
)은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000067
이고 수평 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000068
)은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000069
임을 알 수 있다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000070
는 M이 증가함에 따라 1/M의 차수(order)로 감소함을 나타내며, k/M (k는 임의의 상수)으로 표현될 수 있다.
도 4는 선형 배열 안테나를 이용하여 세로 방향 빔포밍을 수행할 때 빔 패턴을 예시한다. 세로 방향 빔포밍은 선형 배열 안테나에서 다이폴 안테나들이 배열된 방향과 동일한 방향으로 빔포밍을 수행하는 것을 지칭한다. 예를 들어, 선형 배열 안테나에서 다이폴 안테나들이 x축 방향으로 배열되는 경우 세로 방향 빔포밍은 x축 방향으로 빔포밍을 수행하는 것을 지칭할 수 있다. 도 4의 예에서, 편의상 5개의 안테나가 도시되어 있지만 이에 제한되는 것은 아니며, 안테나 개수가 M개인 경우에도 동일/유사한 원리가 적용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 안테나 개수가 M개인 선형 배열 안테나에 의해 세로 방향으로 형성된 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000071
가 도시되어 있다. 세로 방향 빔포밍을 수행할 경우 전류 입력은 위상을 다르게 설정하여 빔포밍 방향에서 위상이 일치하게 설정할 수 있다. 구체적으로, 세로 방향 빔포밍을 수행하기 위해 제m 안테나로의 입력 전류를
Figure PCTKR2016002347-appb-I000072
로 설정할 수 있다. 전송파(또는 전송 신호) 파장이 λ이고 다이폴 안테나 간의 간격이
Figure PCTKR2016002347-appb-I000073
인 경우, 세로 방향으로 형성된 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000074
의 수직 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000075
)과 수평 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000076
)은 이하에서 설명되는 바와 같이 구할 수 있다.
수직 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000077
)을 구하기 위해서는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000078
으로 설정할 수 있으며,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000079
를 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000080
에 대입하면 빔 패턴은 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 14]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000081
세로 방향 빔포밍의 경우
Figure PCTKR2016002347-appb-I000082
일 때 보어사이트(boresight) 방향을 나타내므로 수직 방향 빔폭을 구하기 위해
Figure PCTKR2016002347-appb-I000083
일 때의 값보다 전력 밀도가 1/2 감소한 지점(즉, 3dB 감소한 지점)을 찾는다. 즉, 수학식 15를 만족하는 α를 찾으면 수직 방향 빔폭은 2α로 표현될 수 있다.
[수학식 15]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000084
임의의 자연수 M에 대해 수학식 15를 만족하는 α를 찾는 것은 매우 어렵지만
Figure PCTKR2016002347-appb-I000085
로 치환하고 M이 큰 값이고 α가 매우 작다고 가정할 경우 수학식 15의 왼쪽 항은 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 16]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000086
수학식 15의 오른쪽 항은 수학식 14의 첫 번째 내지 두 번째 항으로부터 구할 수 있으므로 수학식 15는 수학식 17로 표현될 수 있다.
[수학식 17]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000087
수학식 17을 만족하는 β값을 찾으면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000088
를 구할 수 있다. 구해진 β값을
Figure PCTKR2016002347-appb-I000089
에 대입하고
Figure PCTKR2016002347-appb-I000090
근사식을 이용하면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000091
로 주어진다. 따라서, 선형 배열 안테나를 이용하여 세로 방향 빔포밍을 수행할 경우 수직 방향 빔폭은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000092
로 구해질 수 있다.
수평 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000093
)을 구하기 위해서는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000094
로 설정할 수 있으며,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000095
를 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000096
에 대입하면 빔 패턴은 수학식 18과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 18]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000097
세로 방향 빔포밍의 경우
Figure PCTKR2016002347-appb-I000098
일 때 보어사이트(boresight) 방향을 나타내므로 수평 방향 빔폭을 구하기 위해
Figure PCTKR2016002347-appb-I000099
일 때의 값보다 전력 밀도가 1/2 감소한 지점(즉, 3dB 감소한 지점)을 찾는다. 즉, 수학식 19를 만족하는 α를 찾으면 수평 방향 빔폭은 2α로 표현될 수 있다.
[수학식 19]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000100
수학식 19에서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000101
로 치환하고 α가 매우 작은 값이라고 가정할 경우 수학식 19의 왼쪽 항은 수학식 16과 동일한 형태로 유도될 수 있고 수학식 19의 오른쪽 항은 수학식 18의 첫 번째 항과 두 번째 항에 의해 구할 수 있다. 따라서, 수학식 15와 마찬가지로 수학식 19는 수학식 17과 동일한 형태로 표현될 수 있다. 따라서, 수학식 17을 만족하는 β값을 찾으면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000102
를 구할 수 있으며 구해진 β값을
Figure PCTKR2016002347-appb-I000103
에 대입하고
Figure PCTKR2016002347-appb-I000104
근사식을 이용하면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000105
로 주어진다. 따라서, 선형 배열 안테나를 이용하여 세로 방향 빔포밍을 수행할 경우 수평 방향 빔폭은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000106
로 구해질 수 있다.
결론적으로, M개의 다이폴 안테나를 포함하는 선형 배열 안테나를 이용하여 세로 방향 빔포밍을 수행할 경우 빔 패턴의 수직 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000107
)은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000108
이고 수평 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000109
)은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000110
임을 알 수 있다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000111
는 M이 증가함에 따라
Figure PCTKR2016002347-appb-I000112
의 차수(order)로 감소함을 나타내며,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000113
(k는 임의의 상수)으로 표현될 수 있다.
원형 배열 안테나의 빔 패턴
도 5는 원형 배열 안테나를 예시한다. 도 5의 예에서는 제한적이지 않은 예로서, 길이가 짧은(예를 들어, 전송파(또는 전송 신호) 파장 길이보다 훨씬 짧은) 무손실 다이폴(dipole) 안테나들로 구성된 배열 안테나를 가정한다.
도 5를 참조하면, M개의 다이폴 안테나들이 x-y 평면 상에서 Δ의 동일한 간격을 가지고 원형으로 배치된 원형 배열 안테나가 도시되어 있다. M개의 다이폴 안테나의 위치를 직교 좌표로 표시하면, 제1 안테나의 위치는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000114
로 나타낼 수 있고, 제m 안테나의 위치는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000115
로 나타낼 수 있고, 제M 안테나의 위치는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000116
로 나타낼 수 있다. 임의의 3차원 상의 점은 직교 좌표로 표시하면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000117
로 나타낼 수 있다.
원형 배열 안테나의 경우에도 선형 배열 안테나와 유사한 방식으로 전기장을 나타내는 식을 유도할 수 있는데, 원형 배열 안테나에 의해 형성되는 전기장은 수학식 20과 같이 유도될 수 있다.
[수학식 20]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000118
도 6은 원형 배열 안테나를 이용하여 빔포밍을 수행할 때 빔 패턴을 예시한다. 도 6의 예에서, 편의상 5개의 다이폴 안테나가 도시되어 있지만 본 발명은 이에 제한되지 않으며 M개의 다이폴 안테나가 원형으로 배열되는 경우에도 동일/유사한 원리가 적용될 수 있다. 또한, 도 6의 예에서, 빔이 x축 방향(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000119
)으로 형성되는 것으로 예시되어 있지만 이에 제한되지 않으며 임의의
Figure PCTKR2016002347-appb-I000120
방향으로 빔을 형성하는 경우에도 동일/유사한 원리가 적용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 안테나 개수가 M개인 원형 배열 안테나에 의해 형성된 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000121
가 도시되어 있다. x-y 평면 상에서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000122
방향으로 빔포밍을 수행할 경우 전류 입력의 위상차를 다르게 하여 빔포밍 방향에서 위상이 일치하게 설정할 수 있다. 구체적으로,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000123
방향으로 빔포밍을 수행하기 위해 제m 안테나로의 입력 전류를
Figure PCTKR2016002347-appb-I000124
로 설정할 수 있다. 전송파(또는 전송 신호) 파장이 λ이고 다이폴 안테나 간의 간격이
Figure PCTKR2016002347-appb-I000125
인 경우, 원형 배열 안테나에 의해 형성된 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000126
의 수직 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000127
)과 수평 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000128
)은 이하에서 설명되는 바와 같이 구할 수 있다. 이하에서 M은 매우 큰 값이라고 가정한다.
수직 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000129
)을 구하기 위해
Figure PCTKR2016002347-appb-I000130
를 수학식 20에 대입하면 수학식 21을 구할 수 있다.
[수학식 21]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000131
수학식 21에 자코비 앵거 전개(Jacobi-Anger expansion)를 적용할 수 있는데 구체적으로 수학식 22를 이용할 수 있다. 자코비 앵거 전개에 대한 자세한 설명은 https://en.wikipedia.org/wiki/Jacobi%E2%80%93Anger_expansion를 참조하며, 해당 내용은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된다.
[수학식 22]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000132
수학식 22에
Figure PCTKR2016002347-appb-I000133
와
Figure PCTKR2016002347-appb-I000134
를 대입하면 수학식 22는 수학식 23과 같다.
[수학식 23]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000135
수학식 23에서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000136
는 수학식 24와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 24]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000137
수학식 24를 이용하면 수학식 23은 수학식 25와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 25]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000138
베셀 함수
Figure PCTKR2016002347-appb-I000139
은 수학식 26 내지 수학식 28을 만족한다. 베셀 함수에 관한 자세한 내용은 “G. N. Watson, A Treatise on the Theory of Bessel Functions, Cambridge University Press, 1995.” 및 https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_function에 설명되어 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로써 포함된다(incorporated by reference).
[수학식 26]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000140
[수학식 27]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000141
[수학식 28]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000142
수학식 26에 따르면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000143
는 n에 대해 지수적(exponential) 감소한다. 만약 차수(order) n 값이 음수일 경우에도 수학식 26은 유효한데 그 이유는 수학식 27이 성립하기 때문이다. 수학식 28에 따르면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000144
는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000145
로 감소한다.
다음은 근사식을 사용한다. 가 π보다 작거나 클 경우
Figure PCTKR2016002347-appb-I000147
를 만족한다. 즉 n≠0인 모든 정수 n에 대해서 베셀 함수
Figure PCTKR2016002347-appb-I000148
의
Figure PCTKR2016002347-appb-I000149
(또는 인자(argument)) 값이
Figure PCTKR2016002347-appb-I000150
(또는 그 차수(order))보다 작다. 그러면 수학식 26 내지 수학식 28에 기초하여 n=-∞부터 n=∞까지 합(summation)할 필요 없이 n=0인 경우만 고려할 수 있다.
이에 기초하여, 수학식 21의 빔 패턴은 수학식 29와 같이 근사화될 수 있다.
[수학식 29]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000151
x-y 평면 상에서의 빔 형성을 가정하였으므로 수직 방향 빔폭을 구하기 위해
Figure PCTKR2016002347-appb-I000152
일 때의 값보다 전력 밀도가 1/2 감소한 지점(즉, 3dB 감소한 지점)을 찾는다. 즉, 수학식 30을 만족하는 α를 찾으면 수직 방향 빔폭은 2α로 표현될 수 있다.
[수학식 30]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000153
수학식 30의 좌변은 수학식 29의 근사식을 이용하고 수학식 30의 우변은 수학식 29의 첫 번째 수식을 이용하면 수학식 30은 수학식 31과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 31]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000154
수학식 31에서 M이 큰 값이고 α가 작은 값이라고 가정하면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000155
를 이용하여 수학식 32와 같이 근사화가 가능하다.
[수학식 32]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000156
Figure PCTKR2016002347-appb-I000157
Figure PCTKR2016002347-appb-I000158
수학식 32의 근사화를 이용하면 수학식 31은 수학식 33과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 33]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000159
수학식 33을 풀면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000160
의 결과를 얻을 수 있다. 이 결과로부터 수직 방향 빔폭
Figure PCTKR2016002347-appb-I000161
을 구할 수 있다.
x-y 평면 상에서의 빔포밍을 가정하였으므로 수평 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000162
)을 구하기 위해
Figure PCTKR2016002347-appb-I000163
로 설정할 수 있다. 또한, 수직 방향 빔폭을 구할 때와 마찬가지로 M은 매우 큰 값이라고 가정한다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000164
를 대입하면 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000165
은 수학식 34와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 34]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000166
수학식 34에 자코비 앵거 전개(Jacobi-Anger expansion)를 적용할 수 있는데 구체적으로 수학식 35를 이용할 수 있다. 자코비 앵거 전개에 대한 자세한 설명은 https://en.wikipedia.org/wiki/Jacobi%E2%80%93Anger_expansion를 참조하며, 해당 내용은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된다.
[수학식 35]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000167
수학식 35를 이용하면 수학식 36을 얻을 수 있다.
[수학식 36]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000168
x-y 평면 상에서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000169
방향으로 빔이 형성될 경우
Figure PCTKR2016002347-appb-I000170
일 때의 값보다 전력 밀도가 1/2 감소한 지점(즉, 3dB 감소한 지점)을 찾는다. 즉, 수학식 37을 만족하는 α를 찾으면 수평 방향 빔폭은 2α로 표현될 수 있다.
[수학식 37]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000171
수학식 37의 좌변은 수학식 36의 근사화를 이용하고 수학식 37의 우변은 수학식 34를 이용할 경우 수학식 37은 수학식 38과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 38]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000172
Figure PCTKR2016002347-appb-I000173
를 이용하고 M이 큰 값이고 α가 작은 값이라고 가정하면 수학식 39와 같이 근사화가 가능하다.
[수학식 39]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000174
Figure PCTKR2016002347-appb-I000175
수학식 39의 근사화를 이용하면 수학식 38은 수학식 40과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 40]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000176
수학식 40을 풀면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000177
의 결과를 얻을 수 있다. 이 결과로부터 수평 방향 빔폭
Figure PCTKR2016002347-appb-I000178
을 구할 수 있다.
결론적으로, M개의 다이폴 안테나를 포함하는 원형 배열 안테나를 이용하여 빔포밍을 수행할 경우 빔 패턴의 수직 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000179
)은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000180
이고 수평 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000181
)은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000182
임을 알 수 있다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000183
는 M이 증가함에 따라
Figure PCTKR2016002347-appb-I000184
의 차수(order)로 감소함을 나타내며,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000185
(k는 임의의 상수)으로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000186
는 M이 증가함에 따라 1/M의 차수(order)로 감소함을 나타내며, k/M (k는 임의의 상수)으로 표현될 수 있다.
한편, 배열 안테나(즉, 선형 배열 안테나 및 원형 배열 안테나)의 각각의 다이폴 안테나는 3/2의 지향성을 갖는다고 알려져 있다. M개의 다이폴 안테나를 포함하는 배열 안테나의 지향성은 M배 증가하기 때문에 M개의 다이폴 안테나를 갖는 배열 안테나의 지향성은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000187
으로 표현될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 안테나 간 간격을 전송파(또는 전송 신호) 파장의 절반으로 설정한 경우(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000188
), 선형 배열 안테나의 가로 방향 빔 패턴 및 세로 방향 빔 패턴과 원형 배열 안테나의 빔 패턴을 지향성, 수직 방향 빔폭, 수평 방향 빔폭으로 정리하면 표 1과 같이 나타낼 수 있다. 표 1에서 M은 안테나 개수를 나타낸다.
표 1
Figure PCTKR2016002347-appb-T000001
표 1을 살펴보면, 선형 배열의 경우 빔포밍 방향이 가로 방향인지 세로 방향인지에 따라 수직 방향 빔폭의 크기가 달라진다. 따라서, 선형 배열의 경우 빔포밍 방향에 따라 수직 방향 빔폭의 크기가 다름을 알 수 있다. 하지만, 원형 배열의 경우 빔포밍 방향에 상관없이 수직방향 빔폭의 크기가 안테나 개수(M)의 제곱근의 역수의 경향(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000189
)으로 감소할 수 있다. 따라서, 원형 배열의 경우 빔포밍 방향에 관계없이 동일한 빔 패턴을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
원형 배열은 회전 대칭 구조를 가지므로 하나의 평면 상에서 어느 방향으로 빔포밍을 해도 거의 동일한 빔 패턴을 가져갈 수 있는 장점이 있으나, 선형 배열에 비해 큰 면적을 차지할 수 있다. 따라서, 원형 배열을 유지하면서 안테나 간 간격을 전송파(또는 전송 신호) 파장의 절반보다 줄이는 구조를 생각할 수 있다. 예를 들어, 원형 배열 안테나의 반지름을 조절하여 안테나 간 간격이 파장의 절반보다 작도록 설정할 수 있다.
하지만, 안테나 간 간격이 파장의 절반보다 줄어들 경우 안테나 간 상호 커플링이 발생할 수 있다. 안테나 간 상호 커플링(mutual coupling)이 발생하는 경우 방사 패턴의 사이드로브(sidelobe) 레벨이 증가될 수 있기 때문에 실제로 방사하는 전력은 커질 수 있지만 지향성은 감소할 수 있다. 따라서, 안테나 간 상호 커플링이 발생하는 경우 안테나 입력 값의 크기를 동일하게 설정하고 위상만 제어하면 최대 지향성을 얻을 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해 안테나 배열에 디커플링 프리코더(decoupling precoder)를 결합하여 안테나 간 상호 커플링을 제어하는 것을 고려할 수 있다.
이하에서는 안테나 간 간격이 전송파(또는 전송 신호) 파장의 절반보다 작은 경우, 커플링을 고려하는 경우와 커플링을 고려하지 않는 경우에 대한 빔 패턴을 살펴본다. 커플링을 고려하는 경우는 디커플링 프리코더를 적용하는 경우를 지칭할 수 있고, 커플링을 고려하지 않는 경우는 디커플링 프리코더를 적용하지 않는 경우를 지칭할 수 있다.
또한, 일반적으로 원형 배열 안테나는 반지름이 줄어들거나 안테나의 개수가 많을수록 안테나 간 간격이 줄어들고 커플링이 증가할 수 있다. 반대로, 원형 배열 안테나는 반지름이 늘어나거나 안테나의 개수가 줄어들수록 안테나 간 간격이 늘어나고 커플링이 감소할 수 있다. 따라서, 원형 배열 안테나의 반지름을 고정한 경우는 원형 배열 안테나의 안테나 개수가 고정되어 안테나 간 간격이 고정된 경우를 포함할 수 있다.
또한, 원형 배열 안테나의 반지름이 충분히 작은 경우는 원형 배열 안테나에서 동작 안테나 간 간격이 가변적인 경우를 포함할 수 있으며, 예를 들어 원형 배열 안테나에서 특정 개수의 안테나를 활성화/비활성화시킴으로써 동작 안테나 간 간격이 가변적인 경우를 포함할 수 있다. 보다 구체적인 예로, 활성화되는 안테나 개수가 증가할수록(또는 비활성화되는 안테나 개수가 감소할수록) 동작 안테나 간 간격이 감소하므로 원형 배열 안테나의 반지름이 감소하는 경우에 해당할 수 있다. 다른 예로, 비활성화되는 안테나 개수가 증가할수록(또는 활성화되는 안테나 개수가 증가할수록) 동작 안테나 간 간격이 증가하므로 원형 배열 안테나의 반지름이 증가하는 경우에 해당할 수 있다.
원형 배열 안테나의 반지름을 고정하고 커플링을 고려하지 않는 경우
원형 배열 안테나의 반지름을 고정하는 경우 반지름 값이 충분히 큰 값을 갖는다고 가정할 수 있다. 이 경우, 수직 방향 빔폭은 수학식 31 및 수학식 32에 기초하여 구할 수 있다. 안테나 개수 M이 충분히 크고 배열 안테나의 반지름을 R이라 할 때 수학식 31은 수학식 41과 같이 표현될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, k는 각 주파수(angular frequency)로서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000190
와 같다.
[수학식 41]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000191
따라서, R이 크다고 가정하면 수학식 33의 결과와 유사하게 수직 방향 빔폭은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000192
로 나타낼 수 있다.
마찬가지로, 수평 방향 빔폭은 수학식 38 내지 수학식 39에 기초하여 구할 수 있다. 안테나 개수 M이 충분히 크고 배열 안테나의 반지름을 R이라 할 때 수학식 38은 수학식 42와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 42]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000193
수학식 42에 수학식 39를 적용하고 R이 크다고 가정하면 수학식 40의 결과와 유사하게 수평 방향 빔폭은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000194
로 나타낼 수 있다.
원형 배열 안테나의 반지름이 충분히 작고 커플링을 고려하지 않는 경우
원형 배열 안테나의 반지름이 충분히 작은 경우 반지름 값이 0에 가까운 유한한 값을 갖는다고 볼 수 있다. 안테나 배열의 반지름이 0에 가까운 경우 안테나 간 위상차도 0에 가까워진다. 따라서, 원형 배열 안테나의 반지름이 충분히 작은 경우 다수의 다이폴 안테나가 한점에서 동일한 전류로 방사하는 것으로 볼 수 있기 때문에 결과적으로 다이폴 안테나 한 개의 방사 패턴과 동일하게 된다. 다이폴 안테나 한 개의 수직 방향 빔폭은 π/2 이므로
Figure PCTKR2016002347-appb-I000195
이다.
다이폴 안테나 한 개의 수평 빔폭은 2π이므로
Figure PCTKR2016002347-appb-I000196
는 2π이다.
원형 배열 안테나의 반지름이 충분히 작고 커플링을 고려하는 경우
원형 배열 안테나의 반지름이 R일 때 전기장은 수학식 20과 같이 유도될 수 있다. 수학식 20에서 자코비 앵거 전개를 이용하면 수학식 43과 같다.
[수학식 43]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000197
수학식 43에서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000198
을 치환하면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000199
이므로 수학식 43은 수학식 44와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 44]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000200
수학식 44를 이용하여 방사 전력을 구하면 수학식 45와 같다.
[수학식 45]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000201
방사 전력에 제약이 있을 때
Figure PCTKR2016002347-appb-I000202
방향으로 최대 지향성을 갖기 위한 um은 수학식 46과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 46]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000203
수학식 46에서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000204
이며, 평면 방향 빔포밍을 수행하는 경우
Figure PCTKR2016002347-appb-I000205
를 수학식 46에 대입할 수 있다.
수학식 46에 기초하여 수직 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000206
)을 구하면 다음과 같다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000207
로 두면 빔 패턴은 수학식 47과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 47]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000208
다음으로 수학식 48과 같은 근사식을 이용한다. 근사식에 대한 자세한 설명은 https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_function를 참조할 수 있으며, 본 명세서는 해당 내용 전체를 참조로서 포함한다.
[수학식 48]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000209
수학식 48은 x가 충분히 작을 때(즉, x가 0에 근접할 때) 성립한다. 따라서, 수학식 47에 limit을 적용하면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000210
는 수학식 49와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 49]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000211
x-y 평면 상에서의 빔 형성을 가정하였으므로 수직 방향 빔폭을 구하기 위해
Figure PCTKR2016002347-appb-I000212
일 때의 값보다 전력 밀도가 1/2 감소한 지점(즉, 3dB 감소한 지점)을 찾는다. 즉, 수학식 50을 만족하는 α를 찾으면 수직 방향 빔폭은 2α로 표현될 수 있다.
[수학식 50]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000213
수학식 50을 근사식들을 이용하여 풀면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000214
를 구할 수 있다. 따라서, 수직 방향 빔폭
Figure PCTKR2016002347-appb-I000215
을 구할 수 있다.
x-y 평면 상에서의 빔포밍을 가정하면 수평 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000216
)을 구하기 위해
Figure PCTKR2016002347-appb-I000217
를 대입하여 빔 패턴을 구할 수 있다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000218
를 대입하면 빔 패턴
Figure PCTKR2016002347-appb-I000219
은 수학식 51과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 51]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000220
수학식 48의 베셀 함수 근사식을 적용하면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000221
는 수학식 52와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 52]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000222
x-y 평면 상에서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000223
방향으로 빔이 형성될 경우
Figure PCTKR2016002347-appb-I000224
일 때의 값보다 전력 밀도가 1/2 감소한 지점(즉, 3dB 감소한 지점)을 찾는다. 즉, 수학식 53을 만족하는 α를 찾으면 수평 방향 빔폭은 2α로 표현될 수 있다.
[수학식 53]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000225
수학식 53을 여러 방식으로 근사하여 풀면
Figure PCTKR2016002347-appb-I000226
를 구할 수 있고, 따라서 수평 방향 빔폭
Figure PCTKR2016002347-appb-I000227
을 구할 수 있다.
결론적으로, 원형 배열 안테나의 반지름이 충분히 작고 커플링을 고려할 경우 빔 패턴의 수직 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000228
)은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000229
이고 수평 방향 빔폭(
Figure PCTKR2016002347-appb-I000230
)은
Figure PCTKR2016002347-appb-I000231
임을 알 수 있다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000232
는 M이 증가함에 따라
Figure PCTKR2016002347-appb-I000233
의 차수(order)로 감소함을 나타내며,
Figure PCTKR2016002347-appb-I000234
(k는 임의의 상수)으로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000235
는 M이 증가함에 따라 1/M의 차수(order)로 감소함을 나타내며, k/M (k는 임의의 상수)으로 표현될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 안테나 간 간격을 전송파(또는 전송 신호) 파장의 절반보다 작게 설정한 경우, 원형 배열 안테나의 반지름이 고정된 반지름을 가지는 경우와 작은 반지름을 가지는 경우 및 커플링을 고려하는 경우와 고려하지 않는 경우에 대한 빔 패턴의 수직 방향 빔폭과 수평 방향 빔폭을 정리하면 표 2와 같이 나타낼 수 있다. 표 2에서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000236
은 원형 배열 안테나의 반지름이 (충분히) 작은 경우를 나타내고, 원형 배열 안테나에서 동작 안테나 간 간격이 가변적인 경우를 포함할 수 있다. 표 2에서 M은 동작 안테나 개수를 나타낸다.
표 2
표 2를 살펴보면, 안테나 간 커플링을 고려하지 않고 위상차만 다르게 안테나에 입력할 경우, 빔폭은 안테나 개수에 영향을 받지 않는다. 이 경우, 안테나 개수가 많아지더라도 빔폭은 실질적으로 영향을 받지 않고 빔폭은 배열 안테나 반지름 크기에 따른 영향을 받음을 알 수 있다. 반면, 커플링을 고려해서 안테나에 입력할 경우, 반지름이 매우 작더라도 빔폭은 안테나 개수가 증가함에 따라 감소함을 알 수 있다. 즉, 커플링을 고려하여 안테나 입력을 줄 경우, 표 1에서와 같이 커플링이 발생하지 않는 경우와 동일한 결과를 얻을 수 있다. 따라서, 원형 배열 안테나의 반지름이 유한한 경우에도 커플링을 고려하면 안테나 개수를 이용하여 빔폭을 제어할 수 있음을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 원형 배열 안테나의 반지름이 유한한 경우에도 커플링을 고려하면 안테나 개수를 증가시킴으로써 빔폭을 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 디커플링 프리코더를 이용하여 안테나 간 상호 커플링을 제어하는 경우 효율적인 빔포밍이 가능할 수 있다.
도 7은 안테나 개수에 따른 수직 방향 빔폭과 수평 방향 빔폭을 도시한 것이다. 도 7(a)는 안테나 개수에 따른 실제 수직 방향 빔폭과 근사적으로 구한 수직 방향 빔폭을 비교한 것이고, 도 7(b)는 안테나 개수에 따른 실제 수평 방향 빔폭과 근사적으로 구한 수평 방향 빔폭을 비교한 것이다.
도 7(a)를 참조하면, 안테나 개수가 늘어날수록 실제 빔폭과 근사적 빔폭이 일치함을 알 수 있다. 또한, 실제 빔폭과 근사적 빔폭 모두 안테나 개수(M)가 늘어날수록
Figure PCTKR2016002347-appb-I000237
로 감소함을 알 수 있다. 도 7(b)를 참조하면, 안테나 개수가 늘어날수록 실제 빔폭과 근사적 빔폭이 일치함을 알 수 있다. 또한, 실제 빔폭과 근사적 빔폭 모두 안테나 개수(M)가 늘어날수록
Figure PCTKR2016002347-appb-I000238
로 감소함을 알 수 있다. 따라서, 표 1 및 표 2의 결과가 정확함을 알 수 있다.
무선 통신 시스템에서 수신기가 이동하는 경우 앙각(elevation angle) 값이 변할 수 있다. 송신기가 빔포밍을 통해 신호를 수신기로 전송하는 경우, 수신기의 위치에 맞게 빔폭을 제어할 수 있어야 한다. 예를 들어, 송신기는 빔폭을 조절하여 수신기가 3dB 수직 빔폭과 3dB 수평 빔폭 내에 커버되도록 할 수 있다. 하지만, 앞서 살펴본 바와 같이, 선형 배열 안테나의 경우 빔 방향에 따라 빔폭이 달라지는데 반해 원형 배열 안테나의 경우 빔 방향에 상관없이 안테나 개수에 따라 빔폭을 제어할 수 있다. 다만, 원형 배열 안테나의 경우 공간 배치 측면에서 비효율적이므로 원형 배열 안테나의 반지름을 줄이는 것을 고려할 수 있으나 안테나 간 커플링이 발생할 수 있다. 안테나 간 커플링이 발생하는 경우 빔폭을 일정 한계 이상 줄이지 못하는 한계가 있지만 디커플링 프리코더(decoupling precoder)를 이용하여 커플링을 해결할 수 있다.
본 발명에서는 일정한 개수의 안테나를 포함하고 고정된 반지름을 가지는 원형 배열 안테나를 이용하여 효율적으로 빔포밍을 수행하는 방법을 제안한다. 보다 구체적으로, 일정한 개수의 안테나를 가지는 원형 배열 안테나의 반지름이 변하지 않는 경우 효율적으로 수직 빔폭 및/또는 수평 빔폭을 조절하는 방법을 제안한다.
도 8은 본 발명이 적용될 수 있는 원형 배열 안테나를 예시한다.
도 8을 참조하면, 직교 좌표의 x-y 평면 상에서 N개의 안테나를 원형으로 배열함으로써 원형 배열 안테나를 구성할 수 있다. N개의 안테나는 원형 대칭(circular symmetric)으로 배치될 수 있으며, 원형 대칭은 안테나 간의 중심각이 동일한 것을 지칭한다. 도 8의 예에서, N개의 안테나가 원형 대칭으로 배치되는 경우 중심각 δ는 2π/N으로 동일하다. 원형 배열 안테나의 반지름은 R로서 표시될 수 있고 R은 일정한 값으로 고정될 수 있다. N은 원형 배열 안테나에 포함된 전체 안테나 개수를 지칭한다.
본 발명에서는 원형 배열 안테나를 이용하여 빔폭을 조절하기 위해 반지름 크기를 조절하거나 안테나를 제거/추가하는 것과 같이 원형 배열 안테나를 물리적으로 변경하는 것이 아니라, 원하는 빔폭에 따라 전체 안테나 개수 중에서 동작시킬 안테나 개수를 조절한다. 전체 안테나 개수 중에서 동작시킬 안테나 개수를 Nactive라고 표시한다. Nactive는 전체 안테나 중에서 활성화된 안테나 개수 또는 동작 안테나 개수를 지칭한다. 배열 안테나에 포함된 전체 안테나 중에서 빔포밍을 위해 실제 사용되는 안테나를 동작 안테나 또는 활성화된 안테나라고 지칭할 수 있다. 실제 빔포밍을 위해 사용되는 동작 안테나 개수는 Nactive이므로 Nactive는 앞서 설명한 안테나 개수 M에 해당할 수 있다.
본 발명에 따르면 원형 배열 안테나의 반지름이 고정되지만 동작 안테나의 개수가 원하는 빔폭에 따라 가변적일 수 있으므로 표 2에서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000239
인 경우에 해당할 수 있다. 따라서, 동작시킬 안테나 간 간격이 전송 신호(또는 전송파) 파장의 절반보다 크거나 같은 경우 표 1에 예시된 원리에 따라 빔폭에 대응되는 동작 안테나 개수를 결정할 수 있고, 동작시킬 안테나 간 간격이 전송 신호(또는 전송파) 파장의 절반보다 작은 경우 표 2에 예시된 원리에 따라 빔폭에 대응되는 동작 안테나 개수를 결정할 수 있다.
동작 안테나 개수(Nactive)는 전체 안테나 개수(N)의 약수들 중 하나로 정해질 수 있다. 예를 들어, N=9인 경우, N의 약수는 1, 3, 9가 있으므로 Nactive는 1, 3, 9 중의 하나의 값으로 결정될 수 있다. 다른 예로, N=8인 경우, N의 약수는 1, 2, 4, 8이 있으므로 Nactive는 1, 2, 4, 8 중의 하나의 값으로 결정될 수 있다. 송신기는 원하는 빔폭을 먼저 결정한 다음 결정된 빔폭에 대응되는 약수를 결정함으로써 Nactive를 결정할 수 있다.
표 1 및 표 2에서 살펴본 바와 같이, 수직 빔폭과 안테나 개수의 관계는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000240
에 의해 표현될 수 있고, 수평 빔폭과 안테나 개수의 관계는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000241
에 의해 표현될 수 있다. 따라서, 원하는 수직 빔폭이 결정된 경우
Figure PCTKR2016002347-appb-I000242
(K1은 상수)에 의해 동작 안테나 개수(Nactive)를 결정할 수 있다. 혹은, 원하는 수평 빔폭이 결정된 경우
Figure PCTKR2016002347-appb-I000243
(K2는 상수)에 의해 동작 안테나 개수(Nactive)를 결정할 수 있다.
동작 안테나 개수(Nactive)가 결정되면 전체 N개의 안테나 중에서 Nactive의 안테나를 임의로 활성화시킬 수 있다. 즉, Nactive개의 안테나로 이루어진 원형 배열 안테나 구조는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000244
만큼 존재할 수 있으며, 그 중에서 임의의 구조를 선택하여 사용할 수 있다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000245
을 나타낸다. 바람직하게는, 안테나 간의 커플링을 최소화시키기 위해 전체 N개의 안테나 중에서 원형 대칭으로 배치된 Nactive개의 안테나를 선택할 수 있다. 보다 구체적으로, N개의 안테나가 원형 대칭으로 배치되고 Nactive가 N의 약수로 결정되는 경우 Nactive개의 안테나 역시 원형 대칭으로 배치될 수 있다. 이 경우, 동작 안테나 간의 커플링을 최소화시킬 수 있어서 이점이 있다.
도 9는 본 발명에 따른 안테나의 구조를 예시한다.
도 9을 참조하면, 원형 배열 안테나의 반지름이 파장의 절반으로 설정되고 원형 배열 안테나는 총 9개의 안테나를 가질 수 있다. 도 9에서 회색 원은 활성화된 안테나 또는 동작 안테나를 나타내고, 검정 원은 활성화되지 않은 또는 동작되지 않은 안테나를 나타낸다. 전체 9개의 안테나는 원형 대칭으로 배치될 수 있으며, 이 경우 안테나 간의 중심각은 40도로 동일하게 설정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 활성화되는 또는 동작되는 안테나 개수(Nactive)는 9의 약수 중 하나로 결정될 수 있다. 도 9(a)는 Nactive가 9로 결정되는 경우를 예시하며 9개의 안테나가 모두 활성화 또는 동작된다. 도 9(b)는 Nactive가 3으로 결정되는 경우를 예시하며 3개의 안테나가 활성화 또는 동작된다. 도 9(c)는 Nactive가 1로 결정되는 경우를 예시하면 1개의 안테나가 활성화 또는 동작된다. 활성화되는 안테나 개수(Nactive)가 전체 안테나 개수(N)보다 작은 경우 동작 안테나는 임의로 결정될 수 있으며, 동작 안테나의 배치 구조도 임의로 결정될 수 있다. 다만, 도 9(b)를 참조하면, 동작 안테나가 전체 안테나 중에서 원형 대칭으로 배치되도록 결정될 수 있으며, 이 경우 안테나 커플링을 최소화시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 프리코더
한편, 동작 안테나를 통해 원하는 방향으로 빔포밍을 수행하기 위해 전송 신호에 대해 프리코딩을 수행할 수 있다. 본 발명에 따라 동작 안테나 개수에 따라 빔폭을 제어할 수 있기 위해서는 안테나 간 간격에 따라 안테나 간 커플링을 고려하여 프리코딩을 수행할 수 있다. 예를 들어, 안테나 간 간격이 충분히 큰 경우(예, 안테나 간 간격이 (전송파 또는 전송 신호) 파장 길이 이상인 경우), 안테나 간 커플링을 고려하지 않고 프리코딩을 수행할 수 있다. 다른 예로, 안테나 간 간격이 충분히 작은 경우(예, 안테나 간 간격이 (전송파 또는 전송 신호) 파장 길이보다 작은 경우), 안테나 간 커플링이 발생할 수 있으므로 커플링을 고려하여 프리코딩을 수행할 수 있다.
안테나 간 커플링을 고려하지 않는 경우, 프리코딩은 수학식 54를 이용하여 수행될 수 있다. 수학식 54에서 x는 전송 신호를 나타내고, z는 프리코더 출력을 나타내고, GH는 프리코딩 행렬을 나타내며, GH는 G의 복소 공액 전치 행렬(complex conjugate transpose matrix)를 나타내고 H는 에르미트 연산자(Hermitian operator)를 나타낸다. G는 채널 벡터라고 지칭될 수 있으며, 예를 들어 동작 안테나 개수가 Nactive일 때 G는 (1×Nactive) 채널 벡터에 해당할 수 있다. 본 명세서에서 안테나 간 커플링을 고려하지 않는 경우 프리코딩 행렬 또는 프리코더는 제1 프리코딩 행렬 또는 제1 프리코더라고 지칭될 수 있다.
[수학식 54]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000246
안테나 간 커플링을 고려하지 않는 경우 본 발명에 따른 프리코딩 행렬은 수학식 55를 이용하여 결정될 수 있다. 수학식 55에서
Figure PCTKR2016002347-appb-I000247
는 빔포밍 방향(예, 빔 수평 방향)을 나타내고, λ는 전송파 또는 전송 신호의 파장을 나타내고, R은 원형 배열 안테나의 반지름을 나타낸다.
[수학식 55]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000248
안테나 간 커플링을 고려하는 경우 프리코딩은 수학식 56을 이용하여 수행될 수 있다. 수학식 56에서 x는 전송 신호를 나타내고, z는 프리코더 출력을 나타내고, C- 1GH는 프리코딩 행렬을 나타내며, C- 1는 C의 역행렬을 나타낸다. G는 채널 벡터라고 지칭될 수 있으며, 예를 들어 동작 안테나 개수가 Nactive일 때 G는 (1×Nactive) 채널 벡터에 해당할 수 있다.
[수학식 56]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000249
수학식 56에서 C- 1GH는 안테나 간 커플링을 고려한 프리코더이므로 디커플링 프리코더라고 지칭될 수 있다. 또한, 수학식 56에서 C는 안테나 간 커플링을 나타내는 행렬이며, 예를 들어 동작 안테나 개수가 Nactive일 때 C는 (Nactive×Nactive) 행렬로서 표현될 수 있다. 본 발명에 따른 디커플링 프리코더에서 G는 수학식 55에 따라 주어질 수 있고, C는 수학식 57에 따라 주어질 수 있다. 수학식 57에서 λ는 전송파 또는 전송 신호의 파장을 나타내고, R은 원형 배열 안테나의 반지름을 나타낸다. 본 명세서에서 안테나 간 커플링을 고려하는 경우 프리코딩 행렬 또는 프리코더는 제2 프리코딩 행렬 또는 제2 프리코더라고 지칭될 수 있다.
[수학식 57]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000250
수학식 57에서 볼 수 있듯이 안테나 간 커플링을 나타내는 행렬 C는 순환 행렬(circulant matrix) 구조를 가진다. 순환 행렬은 매 행마다 열이 오른쪽(또는 왼쪽)으로 순환 시프트되는 행렬을 지칭한다. 수학식 57에서 C는 매 행마다 열이 오른쪽으로 순환 시프트되므로 순환 행렬에 해당한다.
순환 행렬은 역푸리에 변환 행렬(또는 IFFT 행렬), 대각 행렬(diagonal matrix), 푸리에 변환 행렬(또는 FFT 행렬)로 분해(decomposition)되는 특성을 가진다. 대각 행렬은 행렬의 대각선에 위치한 원소(element)(또는 동일한 행번호와 열번호를 가지는 원소)를 제외한 나머지 원소들이 모두 0의 값을 가지는 행렬을 지칭한다. 따라서, 본 발명에 따른 순환 행렬 C는 수학식 58과 같이 IFFT 행렬, 대각 행렬, FFT 행렬로 분해될 수 있다.
[수학식 58]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000251
수학식 58에서 []-1은 역행렬을 나타내고
Figure PCTKR2016002347-appb-I000252
u는 W(a) 행렬의 u번째 행과 v번째 열에 있는 원소를 나타내고, T는 전치 연산자(transpose operator)를 나타내고, diag( )는 벡터의 원소들을 대각 행렬의 대각선 위치에 배열하여 대각 행렬을 생성하는 함수를 나타낸다. c는 안테나 간 커플링을 제어하는 데 필요한 파라미터이며, 커플링 파라미터 정보 또는 커플링 계수 정보 등으로 지칭될 수 있다.
순환행렬을 이용할 경우, C의 역행렬에서 대각 행렬은 각 대각 원소들의 역수를 취하여 바로 구할 수 있으며, IFFT 행렬과 FFT 행렬은 서로 역행렬의 관계로서 서로 복소 공액(complex conjugate) 행렬의 관계에 있기 때문에 연산량을 줄일 수 있다는 점에서 이점이 있다. 3×3 행렬의 순환 행렬을 예를 들면 수학식 59와 같다.
[수학식 59]
Figure PCTKR2016002347-appb-I000253
안테나 커플링을 고려하지 않는 경우와 비교하여, 안테나 간 커플링을 고려하는 경우의 전송 신호는 푸리에 변환(또는 FFT), 대각 원소 곱셈(diagonal multiplication), 역푸리에 변환(또는 FFT)을 추가적으로 거칠 수 있다.
프리코더를 거쳐 생성되는 출력 z는 원형 배열 안테나를 통해 전송될 수 있다. 혹은 안테나에 입력되기 전에 프리코더 출력 z에 대해 추가적인 처리가 수행될 수 있으며, 이를 통해 생성되는 신호는 원형 배열 안테나를 통해 전송될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 빔포밍 방법의 순서도를 예시한다. 도 10에 예시된 방법은 복수의 안테나(예, 다이폴 안테나)를 포함하는 원형 배열 안테나를 포함하는 통신 장치에 의해 수행될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니며 다른 형태의 배열 안테나를 이용하는 경우에도 도 10의 방법이 적용될 수 있다.
S1002 단계에서, 통신 장치에서 특정 빔 패턴을 형성하기 위한 동작 안테나 개수를 결정할 수 있다. 특정 빔 패턴은 특정 단말을 커버하도록 형성될 수 있으며 수직 빔폭, 수평 빔폭에 의해 정의될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 원형 배열 안테나의 수직 빔폭의 크기는 동작 안테나 개수의 제곱근에 비례하여 감소할 수 있다(예, 표 1 및 표 2 참조). 따라서, 원형 배열 안테나에 포함된 복수의 안테나들 중에서 동작 안테나의 개수는 특정 빔 패턴의 수직 빔폭의 제곱의 역수를 이용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 동작 안테나의 개수가 Nactive일 때 수직 빔폭
Figure PCTKR2016002347-appb-I000254
는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000255
(K1은 상수)의 관계에 있으므로 Nactive는 상수를 수직 빔폭의 제곱으로 나누어 구할 수 있다. 더욱 구체적으로, Nactive는 상수를 수직 빔폭의 제곱으로 나눈 값보다 작거나 같은 범위 내에서 결정될 수 있다.
혹은, 원형 배열 안테나의 수평 빔폭의 크기는 동작 안테나 개수에 비례하여 감소할 수 있다(예, 표 1 및 표 2 참조). 따라서, 원형 배열 안테나의 동작 안테나 개수는 특정 빔 패턴의 수평 빔폭의 역수를 이용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 동작 안테나의 개수가 Nactive일 때 수직 빔폭
Figure PCTKR2016002347-appb-I000256
(K2는 상수)의 관계에 있으므로 Nactive는 상수를 수평 빔폭으로 나누어 구할 수 있다. 더욱 구체적으로, Nactive는 상수를 수평 빔폭으로 나눈 값보다 작거나 같은 범위 내에서 결정될 수 있다.
동작 안테나의 개수를 결정할 때 특정 빔 패턴의 수직 빔폭 또는 수평 빔폭만을 고려할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니며 특정 빔 패턴의 수직 빔폭과 수평 빔폭을 동시에 고려할 수 있다. 이 경우, 동작 안테나 개수는 수직 빔폭의 제곱의 역수 및 수평 빔폭의 역수를 이용하여 결정될 수 있다. 구체적인 예로, 동작 안테나 개수 Nactive는 제1 상수를 수직 빔폭의 제곱으로 나눈 값보다 작거나 같고 제2 상수를 수평 빔폭으로 나눈 값보다 작거나 같은 범위 내에서 결정될 수 있다.
S1002 단계에서, 예를 들어, 동작 안테나 개수는 원형 배열 안테나에 포함된 전체 안테나 개수의 약수 중에서 결정될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 동작 안테나 개수(Nactive)는 원형 배열 안테나에 포함된 전체 안테나 개수(N)의 약수들 중 하나로 정해질 수 있다. 이 경우, 통신 장치는 수직 빔폭 및/또는 수평 빔폭을 만족하는 범위 내에서 전체 안테나 개수의 약수들 중 하나를 선택할 수 있다. 예를 들어, 다른 단말에 대한 간섭을 줄이기 위해서는 수직 빔폭 및/또는 수평 빔폭을 최소화하는 것이 바람직하므로 수직 빔폭 및/또는 수평 빔폭을 만족하는 범위 내에서 전체 안테나 개수의 약수들 중 최대값을 선택할 수 있다. 수직 빔폭 및/또는 수평 빔폭을 만족하는 범위는 제1 상수를 수직 빔폭의 제곱으로 나눈 값보다 작거나 같은 범위 및/또는 제2 상수를 수평 빔폭으로 나눈 값보다 작거나 같은 범위를 지칭할 수 있다.
S1004 단계에서, 결정된 동작 안테나 개수를 이용하여 원형 배열 안테나에 포함된 복수의 안테나 중에서 적어도 하나의 안테나를 선택할 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 전체 N개의 안테나 중에서 동작 안테나 개수(Nactive) 만큼 안테나를 임의로 활성화시킬 수 있다. 즉, Nactive개의 안테나로 이루어진 원형 배열 안테나 구조는
Figure PCTKR2016002347-appb-I000257
만큼 존재할 수 있으며, 그 중에서 임의의 구조를 선택하여 사용할 수 있다.
Figure PCTKR2016002347-appb-I000258
을 나타낸다. 바람직하게는, 안테나 간의 커플링을 최소화시키기 위해 전체 N개의 안테나 중에서 원형 대칭으로 배치된 Nactive개의 안테나를 선택할 수 있다. 보다 구체적으로, N개의 안테나가 원형 대칭으로 배치되고 Nactive가 N의 약수로 결정되는 경우 Nactive개의 안테나 역시 원형 대칭으로 배치될 수 있다(예, 도 9 참조). 이 경우, 동작 안테나 간의 커플링을 최소화시킬 수 있어서 이점이 있다.
S1006 단계에서, 통신 장치는 선택된 적어도 하나의 안테나를 통해 신호를 전송할 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 전송 신호에 프리코딩이 수행될 수 있다. 프리코딩은 동작 안테나 개수, 특정 빔 패턴의 수평 방향, 원형 배열 안테나의 반지름, 및 전송 신호의 파장에 기초하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 프리코딩은 수학식 54 내지 수학식 58에 기초하여 수행될 수 있다. 보다 구체적인 예로, 동작 안테나 간 간격이 전송 신호의 파장의 절반보다 크거나 같은 경우, 프리코딩은 수학식 54 내지 수학식 55에 기초하여 수행될 수 있다. 다른 예로, 동작 안테나 간격이 전송 신호의 파장의 절반보다 작은 경우, 프리코딩은 수학식 56 내지 수학식 58에 기초하여 수행될 수 있다.
동작 안테나 간격이 전송 신호의 파장의 절반보다 작은 경우, 프리코딩은 전송 신호에 푸리에 변환을 수행하는 것, 상기 푸리에 변환된 신호에 대각 행렬을 곱하는 것, 상기 대각 행렬이 곱해진 신호에 푸리에 변환을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 이 경우, 푸리에 변환은 푸리에 변환 행렬(또는 FFT 행렬)을 곱함으로써 수행될 수 있고, 역푸리에 변환은 역푸리에 변환 행렬(또는 IFFT 행렬)을 곱함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 푸리에 변환 행렬(또는 FFT 행렬), 대각 행렬, 역푸리에 변환 행렬(또는 IFFT 행렬)은 수학식 58에 따라 주어질 수 있다.
본 발명에 따른 빔포밍 방법을 3개의 단계를 이용하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 도 10에 설명되지 않은 다른 단계를 포함하여 수행되거나, 혹은 도 10에 설명된 특정 단계를 제외하고 수행될 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 본 명세서에서 설명된 기술적 원리를 제한없이 포함하여 수행될 수도 있다.
도 11은 본 발명이 적용될 수 있는 통신 장치를 예시한다. 예를 들어, 도 11에 예시된 통신 장치는 기지국 또는 전송 포인트에 해당할 수 있다. 혹은, 도 11에 예시된 통신 장치는 단말에 해당할 수 있다.
통신장치(10)는 프로세서(11), 메모리(12), 무선 주파수(Radio Frequency: RF) 유닛(13), 및 배열 안테나(14)를 포함할 수 있다. 프로세서(11)는 본 발명에서 제안한 절차 및/또는 방법들을 구현하도록 구성될 수 있다. 메모리(12)는 프로세서(11)와 동작시 연결되고 프로세서(11)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장한다. RF 유닛(13)은 프로세서(11) 및 배열 안테나(14)와 동작시 연결되고 배열 안테나(14)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신한다. 배열 안테나(14)는 복수의 (단위) 안테나를 포함할 수 있으며, 복수의 안테나 중에서 적어도 하나의 안테나가 동작 안테나로 지정될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
본 문서에서 기지국에 의해 수행된다고 설명된 특정 동작은 경우에 따라서는 그 상위 노드(upper node)에 의해 수행될 수 있다. 즉, 기지국을 포함하는 복수의 네트워크 노드들(network nodes)로 이루어지는 네트워크에서 단말과의 통신을 위해 수행되는 다양한 동작들은 기지국 또는 기지국 이외의 다른 네트워크 노드들에 의해 수행될 수 있음은 자명하다.
본 발명에 따른 실시예는 다양한 수단, 예를 들어, 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시예는 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명에 따른 방법들은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차, 함수 등과 같은 소프트웨어 코드로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 명령어 및/또는 데이터와 같은 형태로 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독가능한 매체는 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
본 발명은 본 발명의 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명은 단말, 기지국, 전송 포인트 등과 같은 무선 통신 장치에 사용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 복수의 안테나를 포함하는 원형 배열 안테나를 이용하여 빔포밍을 수행하는 방법으로서,
    특정 빔 패턴을 위한 동작 안테나 개수를 결정하는 단계;
    상기 결정된 동작 안테나 개수를 이용하여 상기 복수의 안테나 중에서 적어도 하나의 안테나를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 적어도 하나의 안테나를 통해 신호를 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 동작 안테나 개수를 결정하는 단계는,
    상기 특정 빔 패턴의 수직 빔폭의 제곱의 역수를 이용하여 상기 동작 안테나 개수를 결정하는 것을 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동작 안테나 개수를 결정하는 단계는,
    상기 빔 패턴의 수평 빔폭의 역수를 이용하여 상기 동작 안테나 개수를 결정하는 것을 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 동작 안테나 개수는 상기 원형 배열 안테나에 포함된 상기 복수의 안테나의 개수의 약수 중에서 결정되는, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 선택된 안테나는 상기 원형 배열 안테나에서 원형 대칭성을 만족하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호를 전송하는 단계는,
    상기 동작 안테나 개수, 상기 빔 패턴의 수평 방향, 상기 원형 배열 안테나의 반지름, 및 상기 신호의 파장에 기초하여 상기 신호에 대해 프리코딩을 수행하는 것과,
    상기 프리코딩된 신호를 상기 선택된 안테나를 통해 전송하는 것을 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 동작 안테나 간 간격이 상기 신호의 파장의 절반보다 크거나 같은 경우, 상기 신호는 다음 수학식을 이용하여 프리코딩되며,
    Figure PCTKR2016002347-appb-I000259
    Figure PCTKR2016002347-appb-I000260
    x는 상기 신호를 나타내고, z는 상기 프리코딩된 신호를 나타내고, a는 상기 동작 안테나 개수를 나타내고, λ는 상기 신호의 파장을 나타내고,
    Figure PCTKR2016002347-appb-I000261
    는 상기 빔 패턴의 수평 방향을 나타내고, R은 원형 배열 안테나의 반지름을 나타내고, GH는 G의 복소 공액 전치 행렬(complex conjugate transpose matrix)를 나타내는, 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 동작 안테나 간 간격이 상기 신호의 파장의 절반보다 작은 경우, 상기 신호를 프리코딩하는 것은
    상기 신호에 대해 푸리에 변환을 수행하는 것과,
    상기 푸리에 변환된 신호에 대각 행렬을 곱하는 것과,
    상기 대각 행렬이 곱해진 신호에 푸리에 변환을 수행하는 것을 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 푸리에 변환은 a×a FFT(Fast Fourier Transform) 행렬을 이용하여 수행되며, 상기 FFT 행렬의 u번째 행과 v번째 열의 원소
    Figure PCTKR2016002347-appb-I000262
    는 다음 수식에 의해 주어지는
    Figure PCTKR2016002347-appb-I000263
    , 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 대각 행렬은 다음 수식에 의해 주어지며,
    Figure PCTKR2016002347-appb-I000264
    Figure PCTKR2016002347-appb-I000265
    W(a)는 상기 FFT 행렬을 나타내고, T는 전치 연산자(transpose operator)를 나타내고, diag( )는 벡터의 원소들을 대각 행렬의 대각선 위치에 배열하여 대각 행렬을 생성하는 함수를 나타내는, 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 동작 안테나 간 간격이 상기 신호의 파장의 절반보다 작은 경우, 상기 신호는 다음 수학식을 이용하여 프리코딩되며,
    Figure PCTKR2016002347-appb-I000266
    Figure PCTKR2016002347-appb-I000267
    Figure PCTKR2016002347-appb-I000268
    x는 상기 신호를 나타내고, z는 상기 프리코딩된 신호를 나타내고, a는 상기 동작 안테나 개수를 나타내고, λ는 상기 신호의 파장을 나타내고,
    Figure PCTKR2016002347-appb-I000269
    는 상기 빔 패턴의 수평 방향을 나타내고, GH는 G의 복소 공액 전치 행렬(complex conjugate transpose matrix)를 나타내고, C-1는 C의 역행렬을 나타내는, 방법.
  11. 빔포밍을 수행하도록 구성된 통신 장치에 있어서,
    복수의 안테나를 포함하는 원형 배열 안테나; 및
    프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는
    상기 빔포밍을 위한 빔 패턴에 대응하는 동작 안테나 개수를 결정하고,
    상기 복수의 안테나 중에서 상기 동작 안테나 개수만큼 안테나를 선택하고,
    상기 선택된 안테나를 통해 신호를 전송하도록 구성되며,
    상기 동작 안테나 개수를 결정하는 것은
    상기 빔 패턴의 수직 빔폭의 제곱의 역수를 이용하여 상기 동작 안테나 개수를 결정하는 것을 포함하는, 통신 장치.
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