WO2020241991A1 - 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기 및 통신 방법 - Google Patents

렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기 및 통신 방법 Download PDF

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WO2020241991A1
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lens
unit
spatial modulation
antennas
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이강민
김윤식
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한국과학기술원
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    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces

Definitions

  • the technique described below relates to a communication technique using an integrated multi-lens antenna.
  • MIMO multiple-input multiple-output
  • the technique described below is intended to provide a multi-antenna device having a high degree of integration using a lens structure.
  • the technique described below is to increase the channel capacity in a non-orthogonal multiple access (NOMA) system by using multiple antennas having different radiation patterns and having a high degree of integration using a lens structure.
  • NOMA non-orthogonal multiple access
  • the technique described below is to provide an antenna device having a high channel capacity while applying a spatial modulation scheme to a non-orthogonal multiple access system.
  • a spatial modulation-based transmitter using a lens antenna includes a plurality of unit antennas, a modulator that performs non-orthogonal multiple access and spatial modulation on an input signal, and a target unit for transmitting data in a spatial modulation scheme at a current point in time among the plurality of unit antennas. It includes a control device for determining the antenna.
  • the unit antenna includes a plurality of antenna units and a lens structure that changes a phase of an electromagnetic wave output from at least one of the plurality of antenna units. The lens structure changes the phase so that the plurality of antenna units have different radiation patterns.
  • a multi-antenna device performs non-orthogonal multiple access modulation and spatial modulation on an input signal, and the multi-antenna device performs data in a spatial modulation method at a current point in time among a plurality of unit antennas. And determining a target unit antenna to be transmitted, and transmitting, by the multi-antenna device, spatially modulated data using the target unit antenna.
  • the unit antenna includes a plurality of antenna units and a lens structure that changes a phase of an electromagnetic wave output from at least one of the plurality of antenna units. The lens structure changes the phase so that the plurality of antenna units have different radiation patterns.
  • the technology to be described below uses a non-orthogonal multiple access system and spatial modulation using a lens antenna, but has a high channel capacity.
  • the technique described below supports mobility for a terminal through optimal grouping for multiple antennas.
  • 1 is an example of a conventional 4-port integrated antenna.
  • FIG. 2 is an example of a 4-port integrated antenna including a lens structure.
  • 3 is an example of an electromagnetic wave transmitted through a lens.
  • FIG. 4 is an example of a graph showing the channel capacity of a 4-port integrated antenna including a lens structure.
  • FIG. 5 is an example of a table analyzing a correlation of a 4-port integrated antenna including a lens structure.
  • FIG. 6 is an example of a structure of a lens antenna.
  • FIG. 7 is an example of a structure of a transmitter using a lens antenna.
  • 9 is an example of the structure of a 4-port integrated antenna.
  • FIG. 10 is an example of a radiation pattern for the 4-port integrated antenna of FIG. 9.
  • FIG. 11 is an example of S parameters for the 4-port integrated antenna of FIG. 9.
  • 13 is an example of a structure of a transmitter and a receiver using a lens antenna.
  • Terms such as 1st, 2nd, A, B, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the above terms, only for the purpose of distinguishing one component from other components. Is only used.
  • a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may be referred to as a first component.
  • the term and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • each constituent part in the present specification is only divided by the main function that each constituent part is responsible for. That is, two or more constituent parts to be described below may be combined into one constituent part, or one constituent part may be divided into two or more for each more subdivided function.
  • each of the constituent units to be described below may additionally perform some or all of the functions of other constituent units in addition to its own main function, and some of the main functions of each constituent unit are different. It goes without saying that it may be performed exclusively by.
  • each of the processes constituting the method may occur differently from the specified order unless a specific order is clearly stated in the context. That is, each process may occur in the same order as the specified order, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
  • an antenna device including a lens structure is referred to as a lens antenna.
  • the lens antenna basically includes a plurality of antenna units. One antenna unit emits electromagnetic waves having a constant radiation pattern.
  • the lens antenna described below has a structure in which a plurality of antenna units are integrated into one device.
  • the lens antenna described below may be a 2D planar antenna or a 3D antenna. However, for convenience of explanation, the description will be based on a 2D planar antenna.
  • the technique described below uses non-orthogonal multiple access (NOMA) and spatial modulation (SM) to increase channel gain.
  • NOMA non-orthogonal multiple access
  • SM spatial modulation
  • Conventional non-orthogonal multiple access systems increase channel capacity, but there is a problem in that interference between users (terminals) exists.
  • the receiving end basically uses an interference cancellation technique (SIC: Successive Interference Cancellation).
  • SIC Successive Interference Cancellation
  • Spatial modulation technology can be applied to a non-orthogonal multiple access system. Spatial modulation solves the interference problem between antennas by activating only one transmission antenna for spatial modulation in multiple antennas. However, when the spatial modulation scheme is applied to a non-orthogonal multiple access system in the same environment as the conventional antenna structure, the channel capacity is greatly reduced. The non-orthogonal multiple access system simultaneously transmits signals to multiple users in the same frequency band, because spatial modulation limits the number of antennas that can be transmitted at one time.
  • the technique described below maintains a high channel capacity even when spatial modulation is applied to a non-orthogonal multiple access system using a lens antenna.
  • the technique described below proposes a method of further integrating antennas in the same area while using a spatial modulation method.
  • a communication technique using a lens antenna and a lens antenna will be described.
  • the antenna 50 includes a plurality of antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 .
  • the antenna 50 is a form in which antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 having a general deflection angle are rotated by 90 degrees.
  • Antenna units P 1 and P 3 are antennas having the same or similar polarization characteristics (eg, V-pol antennas), and antenna units P 2 and P 4 are antennas having the same or similar polarization characteristics (eg, H-pol antennas). to be.
  • the correlation between the antenna units (for example, P 1 and P 2 ) having an arrangement interval of 90 degrees due to a polarization component is low, even if they have a deflection angle, but an arrangement interval of 180 degrees
  • the correlation between the antenna units (for example, P 1 and P 3 ) with is relatively large.
  • the correlation refers to the correlation of the radiation pattern output from the antenna.
  • Antenna units with high correlation reduce the rank of the channel matrix. Therefore, the antenna 50 having such an antenna unit is difficult to obtain multiple gains because independence between signals is not guaranteed.
  • the antenna 100 includes a plurality of antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 .
  • the antenna 100 is a 4-port integrated antenna having a structure similar to that of the antenna 50 of FIG. 1.
  • the antenna 100 further includes a lens structure 150.
  • the lens structure 150 is a dielectric material having a specific dielectric constant value.
  • the lens structure 150 is preferably a dielectric material having at least one of a dielectric constant or permeability of a certain value or more.
  • the lens structure 150 may have various shapes.
  • the lens structure 150 may have a planar shape (substrate) having a constant thickness.
  • an antenna including a lens structure is referred to as a lens antenna.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 emit electromagnetic waves. The electromagnetic waves emitted by the antenna unit pass through the lens structure 150.
  • the antenna 100 has a structure in which only electromagnetic waves emitted by some of the antenna units P 3 and P 4 pass through the lens structure 150.
  • the lens structure 150 is disposed at a position that transmits only electromagnetic waves emitted by the antenna units P 3 and P 4 .
  • FIG. 3 is an example of an electromagnetic wave transmitted through a lens.
  • FIG. 3 shows an example of electromagnetic waves emitted by antenna units P 1 and P 3 in the antenna 100 of FIG. 2. It is assumed that the antenna units P 1 and P 3 basically output electromagnetic waves E 1 having the same radiation pattern.
  • the transmitted signal includes not only magnitude but also phase information.
  • an envelope correlation coefficient ⁇ defined as a correlation between antenna radiation patterns, as shown in Equation 1 below, decreases the numerator, so that the antenna correlation decreases.
  • the rank of the channel matrix H including inter-antenna interference is improved, and the channel capacity is improved.
  • the antenna unit P 1 outputs an electromagnetic wave having a wavelength d 1 .
  • the antenna unit P 3 also outputs an electromagnetic wave having a wavelength d 1 .
  • Antenna unit (P 3) placing a lens structure 150 in front of, that of the electromagnetic wave signal to the antenna unit (P 3) occur when override the electrical losses of the lens and being affected by the lens structure 150, the thickness of the electromagnetic wave The phase information is changed.
  • the electromagnetic wave output from the antenna unit P 3 slows down in the lens structure 150. Therefore, as a result, the electromagnetic wave E 3 transmitted through the lens structure 150 has a constant phase difference ⁇ from the electromagnetic wave E 1 emitted by the antenna unit P 1 .
  • the electromagnetic waves emitted by the antenna units P 1 and P 3 before passing through the lens structure 150 have the same phase, but after passing through the lens structure 150, the phases are completely different at the same time point T 1 . Changes.
  • the antenna 100 uses the lens structure 150 to reduce the correlation between the antenna units (for example, P 1 and P 3 ), thereby increasing the channel capacity.
  • FIG. 4 is an example of a graph showing the relationship between the thickness of the lens structure and the correlation between the radiation pattern and the channel capacity of the 4-port integrated antenna including the lens structure.
  • 4(A) is an example of a graph showing the relationship between the thickness of the lens structure and the correlation between the radiation pattern.
  • the thickness of the lens structure 150 having a constant dielectric constant in the antenna 100 changes, the correlation between the radiation patterns emitted by the antenna units (eg P 1 and P 3 ) Will change.
  • the effect of reducing the correlation is greater. This is because as the thickness of the lens structure 150 increases, the phase information of the electromagnetic wave passing through the lens structure 150 is further changed.
  • the material constituting the lens structure 150 affects the correlation of the radiation pattern.
  • the correlation of the radiation pattern may decrease in proportion to the refractive index.
  • the material and thickness of the lens structure 150 affects a decrease in the correlation of the radiation pattern.
  • 4B is an example of a graph showing the channel capacity of a 4-port integrated antenna including a lens structure. 4(B) shows the degree of an increase in channel capacity due to a decrease in correlation.
  • NLOS non-line-of-sight
  • the effect is somewhat reduced in the LOS (Line-of-Sight) environment, but the phase change due to the lens structure improves the independence between the antenna signals, and thus the matrix R t And since the rank of R r is improved, the channel capacity is also increased.
  • 5 is an example of a table analyzing a correlation of a 4-port integrated antenna including a lens structure.
  • 5 is an example of analyzing a correlation between an antenna 100 including a lens structure and a conventional antenna 50. It is assumed that the lens antenna 100 uses a 3cm thick FR-4 substrate as a lens. 5 shows the absolute values of the correlation matrix R t for the conventional antenna 50 and the lens antenna 100. Also, Eigenvalues in the case of singular value decomposition of the correlation matrix are shown. Referring to FIG. 5, it can be seen that the correlation of the lens antenna 100 is significantly lower than that of the conventional antenna 50.
  • the lens antenna changes phase information of electromagnetic waves output from the antenna unit using a lens structure. Through this, the channel capacity of the integrated antenna is increased. There are two aspects to increasing the channel capacity. One is to add channels with different radiation patterns emitted by the plurality of antenna units. Another is to increase the channel by reducing the interference of electromagnetic waves emitted by the plurality of antenna units.
  • 6 is an example of a structure of a lens antenna. 6 shows some examples of a 4 port antenna structure.
  • the antenna 200 of FIG. 6A includes four antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 and a lens structure 250.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may be antennas in which some antennas have the same or similar polarization characteristics as shown in FIG. 2.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may be antennas in which some antennas have the same radiation pattern.
  • the antenna units P 1 and P 3 may have the same polarization characteristics or radiation patterns.
  • the antenna units P 2 and P 4 may have the same polarization characteristics or radiation patterns.
  • the lens structure 250 may be applied only to the antenna units P 3 and P 4 .
  • the lens structure 250 has an arrangement that transmits only electromagnetic waves of the antenna units P 3 and P 4 .
  • a correlation between antenna units P 1 and P 3 (or antenna units P 2 and P 4 ) decreases, thereby increasing a channel capacity.
  • the antenna units P 1 and P 3 emit electromagnetic waves of the first radiation pattern
  • the antenna units P 2 and P 4 emit electromagnetic waves of the second radiation pattern.
  • the antenna 200 changes the radiation pattern emitted by the antenna units P 3 and P 4 through the lens structure 250. Accordingly, the radiation patterns of the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 have a low correlation.
  • the antenna 300 of FIG. 6B includes four antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 and two lens structures 351 and 352.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may be antennas in which some antennas have the same or similar polarization characteristics as shown in FIG. 2.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may be antennas in which some antennas have the same radiation pattern.
  • the antenna units P 1 and P 3 may have the same polarization characteristics or radiation patterns.
  • the antenna units P 2 and P 4 may have the same polarization characteristics or radiation patterns.
  • the antenna 300 applies different lens structures 351 and 352 to antenna units “P 1 and P 2 ”and “P 3 and P 4 ”, respectively.
  • the lens structure 351 and the lens structure 352 are structures having different refractive indices.
  • the lens structures 351 and 352 identically change the phase information of the electromagnetic waves of the antenna units "P 1 / P 2 "and “P 3 / P 4 ", respectively. Accordingly, in the antenna 300 having such a structure, the correlation between the antenna units P 1 and P 3 (or antenna units P 2 and P 4 ) decreases, thereby increasing the channel capacity.
  • the antenna 400 of FIG. 6C includes four antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 and three lens structures 451, 452 and 453.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may all have the same or similar polarization characteristics. Alternatively, the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may all have the same or similar radiation patterns.
  • the antenna 300 applies different lens structures 451, 452, and 453 to antenna units “P 1 ”, “P 3 ”and “P 4 ”, respectively.
  • Each lens structure 451, 452, or 453 has a structure having a different refractive index.
  • the lens structures 451, 452, or 453 change phase information of the electromagnetic waves of the antenna units “P 1 ”, “P 3 ”and “P 4 ” differently from each other.
  • the correlation between all antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 is reduced.
  • the antenna 500 of FIG. 6 (d) includes four antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 and four lens structures 551, 552, 553 and 554.
  • the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may all have the same or similar polarization characteristics. Alternatively, the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 may all have the same or similar radiation patterns.
  • the antenna 300 applies different lens structures 551, 552, 553, and 554 to each of the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 .
  • Each of the lens structures 551, 552, 553, and 554 is a structure having a different refractive index.
  • the lens structures 551, 552, 553, and 554 change phase information of the electromagnetic waves of the antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 differently from each other.
  • the correlation between all antenna units P 1 , P 2 , P 3 and P 4 is reduced.
  • the antenna 200, 300, 400, or 500 using the lens structure can minimize interference of each antenna unit.
  • the antenna 200, 300, 400 or 500 using the lens structure can increase the channel capacity.
  • the antennas 200, 300, 400, or 500 using the lens structure may use multiple channels using radiation patterns having different characteristics. If there are 4 antenna units as shown in FIG. 6, 4 channels can be used.
  • the antennas 200, 300, 400, or 500 using the lens structure may transmit different packets to each of the four channels.
  • the antenna 200, 300, 400, or 500 using the lens structure may perform MIMO communication using four channels. If the antennas 200, 300, 400, or 500 shown in FIG. 6 are used for MIMO communication, a relatively simple configuration of the lens structure is added to expand the MIMO gain.
  • the transmitter 600 uses a multi-lens antenna having a high degree of integration by using the aforementioned lens antenna.
  • the transmitter 600 includes an encoder 610, a modulator 620 and an antenna device 630.
  • the encoder 610 may receive a bit stream and encode the input bit stream according to a preset encoding method.
  • the modulator 620 may receive a signal output from the encoder 610 and generate a modulation symbol based on a preset signal modulation method.
  • Modulator 620 is a modulation method, BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), QAM (Quadrature Amplitude Modulation), PSK (Phase Shift Keying), ASK (Amplitude Shift Keying) and FSK (Frequency Shift Keying) can be used.
  • the modulator 620 may map a signal (bit stream, data) output from the encoder 610 to at least one of a plurality of antennas.
  • the modulator 620 may determine an antenna (antenna identifier) to be used to transmit data at the current time point. In this case, the modulator 620 may transmit antenna information to be used for data transmission to the transmitter 600 to the antenna device 630.
  • the modulator 620 may perform signal processing according to non-orthogonal multiple access and spatial modulation.
  • the modulator 620 may select which antenna among multiple antennas to transmit a signal for spatial modulation.
  • the antenna device 630 includes a control device 631 and a multi-lens antenna 632.
  • the control device 631 controls the signal (data) transmitted from the modulator 620 to be transmitted to the multi-lens antenna 632.
  • the control device 631 may be composed of a wire and a switch.
  • the control device 631 selects an antenna to transmit the currently input signal and controls a path based on information transmitted from the modulator 620 or a separate control component.
  • the multi-lens antenna 632 is an antenna in which the aforementioned lens antenna is integrated.
  • 7 shows a 4-port antenna as an example.
  • the 4-port antenna can be referred to as one unit antenna.
  • the 4-port antenna (unit antenna) is divided by a dotted line.
  • the unit antenna A corresponds to the four port antennas.
  • the control device 631 may select a unit antenna for transmitting a signal from among a plurality of unit antennas.
  • the control device 631 may select an antenna (any one of four in FIG. 7) to transmit a signal from one unit antenna.
  • the plurality of antennas have a uniform arrangement like an array antenna.
  • the antenna can integrate four or more antennas within a ⁇ /2 interval.
  • the 4-port antenna (unit antenna) may be disposed with an adjacent 4-port antenna at a spacing of ⁇ /2 or narrower than ⁇ /2. In another aspect, it may be said that one 4-port antenna is disposed in a region of ⁇ /2 ⁇ ⁇ /2.
  • one switch transmits an input signal to any one of the four port antennas.
  • the control device 631 may allow the same data to be transmitted to different antennas. Furthermore, the control device 631 may transmit different data to different antennas. The latter is called generalized spatial modulation (GSM) among spatial modulation techniques.
  • GSM generalized spatial modulation
  • the modulator 620 or the control device 631 may determine (select) a unit antenna for transmitting data at a current time point according to spatial modulation among a plurality of unit antennas.
  • a unit antenna for transmitting data in a spatial modulation scheme is referred to as one target unit antenna.
  • the target unit antenna may be one unit antenna or a plurality of unit antennas.
  • the modulator 620 or the control device 631 may determine a target unit antenna based on directivity among a plurality of unit antennas. That is, the modulator 620 or the control device 631 may transmit data by selecting a unit antenna group having the same directivity among a plurality of unit antennas. In this case, the unit antennas belonging to the target unit antenna are antennas having the same or similar directivity. In some cases, the modulator 620 or the control device 631 may transmit data by selecting a target unit antenna having different directivity among a plurality of unit antennas. In this case, the unit antennas belonging to the target unit antenna are antennas having different directivity.
  • the target unit antenna selected for spatial modulation may transmit data in the same frequency band according to non-orthogonal multiple access.
  • the modulator 620 or the control device 631 may select a unit antenna having different directivity among the plurality of unit antennas in order to support mobility for a terminal performing Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) communication. Meanwhile, the modulator 620 or the control device 631 may select a target unit antenna for beamforming to a terminal performing multiple-input multiple-output (MIMO) communication.
  • MIMO Multiple-Input Multiple-Output
  • CDF cumulative distribution function
  • the supported beam shape is determined according to the channel state of the user (terminal), and the user is supported according to the determined beam shape (narrow beam (NB), wide beam (WB)).
  • NB narrow beam
  • WB wide beam
  • CDF cumulative distribution function
  • 9 is an example of a unit antenna. 9 is an example of a structure of a 4-port integrated antenna.
  • the unit antenna includes a plurality of antenna units.
  • 9 is an example of using a linear-tapered slot antenna (LTSA).
  • LTSA linear-tapered slot antenna
  • 9 is an example of an antenna structure designed for a frequency of 140 GHz.
  • 9(A) is an example of the structure of one antenna unit constituting an integrated antenna.
  • 9(B) is an example of a structure of a 4-port integrated antenna composed of four unit antenna units.
  • 9(B) shows an example in which a 4-port integrated antenna is integrated at a size of 0.405 ⁇ ⁇ 0.405 ⁇ compared to ⁇ (wavelength).
  • 9(B) shows port 1, port 2, port 3, and port 4;
  • 10 is an example of a radiation pattern for the 4-port integrated antenna of FIG. 9. Examples of radiation patterns for port 1, port 2, port 3, and port 4.
  • 10A is an example of a radiation pattern of a port 1 antenna unit.
  • 10(B) is an example of a radiation pattern of a port 2 antenna unit.
  • 10(C) is an example of a radiation pattern of a port 3 antenna unit.
  • 10(D) is an example of a radiation pattern of a port 4 antenna unit.
  • each antenna port forms a beam pattern having a different directional light shape.
  • S parameter means the ratio of the input voltage to the output voltage on the frequency distribution.
  • the horizontal axis is frequency and the vertical axis is dB.
  • S1,1 means a case where the voltage input from port 1 is output to port 1.
  • S1,1, (ii) S2,2, (iii) S3,3 and (iv)S 4,4 the maximum input voltage is emitted at 140GHz. Therefore, it can be seen that the individual antenna units operate effectively at the target 140 GHz.
  • the above-described antenna device or transmitter may use antenna spreading by using characteristics of a pattern polarization or a lens antenna/array antenna integrated in a spatial modulation system. Since the integrated array antennas have different directivity, it is possible to support the mobility of the customer by optimal allocation of the integrated array antenna.
  • an antenna spreading method can be used to support the mobility of the user, but if the purpose of increasing capacity is greater than mobility, the customer can be supported through beamforming by reflecting the user's channel.
  • the antenna device or the transmitter may perform beamforming by grouping antennas optimized for a customer channel rather than grouping antennas having different directivity among a plurality of different antennas. Through this, it is possible to increase the capacity than the conventional method.
  • FIG. 12 is an example of beam spreading.
  • Fig. 12(A) shows time spreading
  • Fig. 12(B) shows frequency spreading
  • Fig. 12(C) shows code spreading.
  • the above-described transmitter or communication device applies a spatial modulation scheme in an environment in which antennas can be integrated, and integrated antennas having different directivity propose a method of grouping optimal antennas by reflecting the channel environment of customers.
  • antenna grouping can be performed flexibly according to the user's channel condition, and thus the user's mobility can be stably supported while maintaining the user's channel capacity.
  • beamforming can be used using antennas with different directivity, and mobility is achieved by using time beam spreading, code-based beam spreading, and frequency hopping-based beam spreading using switches that can be switched quickly. You can apply.
  • 13 is an example of a structure of a transmitter and a receiver using a lens antenna. Through this, it can be used as a communication standard method. 13 is an example of a transmitter 700 and a receiver 800 using a lens antenna.
  • the transmitter 700 is a device corresponding to the transmitter 600 described in FIG. 7.
  • the transmitter 700 includes an encoder 710, a modulator 720 and an antenna device 730.
  • the antenna device 730 includes a control device 731 and a multi-lens antenna 732. The same configuration as the configuration described in FIG. 7 is not described further.
  • the transmitter 700 selects a target unit antenna that has transmitted a signal using the current spatial modulation scheme.
  • the transmitter 700 may transmit a signal to a target unit antenna using the control device 731. Furthermore, the transmitter 700 may transmit a signal through only one (or a plurality) of unit antennas among antenna units belonging to the target unit antenna.
  • the transmitter 700 may transmit data according to non-orthogonal multiple access.
  • the multi-lens antenna 732 is composed of a plurality of unit antennas. Adjacent unit antennas among the plurality of unit antennas may be disposed within a half wavelength ( ⁇ /2).
  • the control device 731 controls the same data from the data output from the modulator 720 to be transmitted to the target unit antenna or different data to be transmitted to the target unit antenna.
  • the target unit antenna refers to an antenna selected by the control device 731 to transmit data in a spatial modulation scheme at a specific time point among a plurality of unit antennas.
  • the control device 731 may determine a target unit antenna based on directivity among a plurality of unit antennas.
  • the control device 731 may select a unit antenna having different directivity among a plurality of unit antennas in order to support mobility for a terminal performing multiple-input multiple-output (MIMO) communication.
  • MIMO multiple-input multiple-output
  • the control device 731 may select the target unit antenna for beamforming to a terminal that performs multiple-input multiple-output (MIMO) communication.
  • the modulator 720 may support at least one of time spreading, frequency spreading, and code spreading to support mobility for the terminal.
  • the control device 731 may group antennas having different directivity among a plurality of unit antennas and perform beamforming for a specific receiver using a unit antenna belonging to the same group.
  • the control device 731 may beamforming by selecting unit antennas having different directivity among a plurality of unit antennas as the target unit antennas.
  • the modulator 720 may support at least one of time spreading, frequency spreading, and code spreading for a target unit antenna.
  • the receiver 800 includes an antenna device 810, a demodulator 820 and a decoder 830.
  • the antenna device 810 may include a lens antenna 811 and a control device 812. 13 illustrates a structure in which the lens antenna 811 corresponds to one unit antenna in the transmitter 700.
  • the receiver 800 receives a signal using an antenna unit corresponding to a unit antenna through which the transmitter 700 transmits a signal from the unit antenna. That is, the receiver 800 receives a signal through an antenna unit capable of receiving a radiation pattern used by the transmitter 700 for signal transmission.
  • the receiver 800 may obtain information on a radiation pattern or antenna type used for signal transmission in advance or prior to packet transmission.
  • the control device 812 counters a configuration for determining an antenna or a path to be used for signal reception among a plurality of antenna units.
  • the control device 812 may be configured with a switch and a signal path.
  • the demodulator 820 is a component corresponding to the modulator 720 and may demodulate a signal through an inverse process of a modulated method.
  • the decoder 830 decodes data from the demodulated signal.
  • the decoder 830 may decode a signal in an inverse process of the method used by the encoder 710.
  • the spatial modulation-based communication method using a lens antenna as described above may be implemented as a program (or application) including an executable algorithm that can be executed in a computer.
  • the program may be provided by being stored in a non-transitory computer readable medium.
  • the non-transitory readable medium refers to a medium that stores data semi-permanently and can be read by a device, rather than a medium that stores data for a short moment, such as a register, cache, and memory.
  • a non-transitory readable medium such as a CD, DVD, hard disk, Blu-ray disk, USB, memory card, ROM, or the like.
  • the present invention used a spatial modulation method in an integrated antenna-based non-orthogonal multiple access system, and through an integrated pattern polarization or a lens antenna/array antenna in an orthogonal and non-orthogonal multiple access method.
  • Stable mobility support is possible through an increase in channel capacity and grouping of antennas having different directivity.
  • the same information is often provided to all vehicles, and information is generally transmitted in a broadcast manner.
  • the proposed patent uses a non-orthogonal multiple access method, and it is also possible to use broadcast and transmit data suitable for vehicles.

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Abstract

렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기는 복수의 단위 안테나들, 입력 신호에 대한 비직교 다중 접속 및 공간 변조를 수행하는 변조기 및 상기 복수의 단위 안테나들 중에서 현재 시점에서 공간 변조 방식으로 데이터를 전송할 타깃 단위 안테나를 결정하는 제어 장치를 포함힌다. 상기 단위 안테나는 복수의 안테나 유닛들 및 상기 복수의 안테나 유닛들 중 적어도 하나의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상을 변경하는 렌즈 구조물을 포함하고, 상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛들이 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 상기 위상을 변경한다.

Description

렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기 및 통신 방법
이하 설명하는 기술은 집적된 다중 렌즈 안테나를 이용한 통신 기법에 관한 것이다.
기존 셀룰러 대역에서 공간 변조(Spatial Modulation) 기술을 이용하여 제한된 공간에 보다 많은 안테나들을 집적하여 채널 용량을 늘릴 수 있는 방안이 제시되었다. 공간 변조 기술 사용 시 선택된 안테나 그룹만이 사용되는 것이 특징이며, 패턴/편파 안테나 방사 패턴이 가지는 고유한 특성을 이용하여 같은 방향을 향하는 신호를 간섭의 영향 없이 분리하거나 궤도 각 운동량(Orbital Angular Momentum) 기법을 이용하여 파면 형태에 따라 신호를 구분하여 추가적 용량 이득을 얻는 방안 등이 있다.
패턴/편파 이득을 활용한 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 이득에 대한 연구는 안테나 분야에서 한정된 공간 내에 다수의 안테나를 집적하는 방안으로 연구가 진행되었다. 공간 변조 시스템의 경우 다수의 안테나를 효율적으로 선택하여 사용하는 방안으로 연구가 진행되었다.
더 나은 MIMO 이득을 얻기 위한 방안으로 패턴 특성을 이용한 집적도 향상 방안에 대한 연구가 진행되었다. 이는 안테나 간 방사 패턴을 다르게 설계하여 안테나 방사패턴 간 상관도를 감소시키고, 이를 통해 채널의 독립성을 향상시켜 더 나은 채널 용량을 얻도록 하는 연구가 진행되었다.
이하 설명하는 기술은 렌즈 구조물을 이용하여 집적도가 높은 다중 안테나 장치를 제공하고자 한다. 이하 설명하는 기술은 렌즈 구조물을 이용하여 서로 다른 방사 패턴을 갖는 집적도 높은 다중 안테나를 이용하여 비직교 다중 접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access) 시스템에서 채널 용량을 높이고자 한다. 이하 설명하는 기술은 비직교 다중 접속 시스템에 공간 변조 방식을 적용하면서도 채널 용량이 높은 안테나 장치를 제공하고자 한다.
렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기는 복수의 단위 안테나들, 입력 신호에 대한 비직교 다중 접속 및 공간 변조를 수행하는 변조기 및 상기 복수의 단위 안테나들 중에서 현재 시점에서 공간 변조 방식으로 데이터를 전송할 타깃 단위 안테나를 결정하는 제어 장치를 포함한다. 상기 단위 안테나는 복수의 안테나 유닛들 및 상기 복수의 안테나 유닛들 중 적어도 하나의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상을 변경하는 렌즈 구조물을 포함한다. 상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛들이 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 상기 위상을 변경한다.
렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법은 다중 안테나 장치가 입력 신호에 대한 비직교 다중 접속 변조 및 공간 변조를 수행하는 단계, 상기 다중 안테나 장치가 복수의 단위 안테나들 중에서 현재 시점에서 공간 변조 방식으로 데이터를 전송할 타깃 단위 안테나를 결정하는 단계 및 상기 다중 안테나 장치가 상기 타깃 단위 안테나를 이용하여 공간 변조된 데이터를 전송하는 단계를 포함한다. 상기 단위 안테나는 복수의 안테나 유닛들 및 상기 복수의 안테나 유닛들 중 적어도 하나의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상을 변경하는 렌즈 구조물을 포함한다. 상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛들이 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 상기 위상을 변경한다.
이하 설명하는 기술은 렌즈 안테나를 사용하여 비직교 다중 접속 시스템과 공간 변조를 사용하면서도 채널 용량이 높다. 이하 설명하는 기술은 다중 안테나에 대한 최적 그룹화를 통해 단말에 대한 이동성을 지원한다.
도 1은 종래 4포트 집적 안테나의 예이다.
도 2는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 예이다.
도 3은 렌즈를 투과한 전자기파에 대한 예이다.
도 4는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 채널 용량을 도시한 그래프의 예이다.
도 5는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 상관도를 분석한 테이블의 예이다.
도 6은 렌즈 안테나의 구조를 도시한 예이다.
도 7은 렌즈 안테나를 이용한 송신기의 구조를 도시한 예이다.
도 8은 공간 변조가 적용된 비직교 다중 접속 시스템에서의 누적 분포 함수에 대한 예이다.
도 9는 4포트 집적 안테나의 구조에 대한 예이다.
도 10은 도 9의 4포트 집적 안테나에 대한 방사 패턴의 예이다.
도 11은 도 9의 4포트 집적 안테나에 대한 S 파라미터에 대한 예이다.
도 12는 빔 스프레딩에 대한 예이다.
도 13은 렌즈 안테나를 이용한 송신기 및 수신기 구조에 대한 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 기술은 렌즈 구조물을 포함하는 안테나 장치에 관한 것이다. 이하 렌즈 구조물을 포함하는 안테나 장치를 렌즈 안테나라고 명명한다. 렌즈 안테나는 기본적으로 복수의 안테나 유닛을 포함한다. 하나의 안테나 유닛을 일정한 방사 패턴을 갖는 전자기파를 방출한다. 이하 설명하는 렌즈 안테나는 복수의 안테나 유닛을 하나의 장치에 집적한 구조를 갖는다. 이하 설명하는 렌즈 안테나는 2차원 평면 안테나 또는 3차원 안테나일 수 있다. 다만 설명의 편의를 위해 기본적으로 2차원 평면 안테나를 중심으로 설명하고자 한다.
이하 설명하는 기술은 채널 이득을 높이기 위하여 비직교 다중 접속(NOMA)과 공간 변조(SM)을 이용한다. 종래 비직교 다중 접속 시스템은 채널 용량을 높이지만, 사용자(단말) 간 간섭이 존재하는 문제가 있었다. 이를 극복하기 위하여 기본적으로 수신단은 간섭 제거 기술(SIC : Successive Interference Cancellation)을 이용한다. 다만 수신단에서의 간섭 제거도 오버헤드가 되기 때문에, 다른 접근으로 비직교 다중접속의 간섭 문제를 해결하려는 연구가 진행되고 있다.
비직교 다중 접속 시스템에 공간 변조 기술을 적용할 수 있다. 공간 변조는 다중 안테나에서 공간변조는 하나의 송신 안테나만을 활성화하여 안테나 간 간섭문제를 해결한다. 그러나 종래 안테나 구조와 같은 환경에서 비직교 다중 접속 시스템에 공간 변조 방식을 적용하면 채널 용량이 크게 저하된다. 비직교 다중 접속 시스템은 동일 주파수 대역에 동시에 다중 사용자에게 신호를 전송하는데, 공간 변조를 적용하면 한 번에 전송할 수 있는 안테나의 개수가 제한되기 때문이다.
이하 설명하는 기술은 렌즈 안테나를 사용하여 비직교 다중 접속 시스템에 공간 변조를 적용하고도 높은 채널 용량을 유지한다. 이하 설명하는 기술은 공간 변조 방식을 사용하면서 동일한 면적에 안테나들을 더욱 집적하는 방식을 제안한다. 이하 렌즈 안테나와 렌즈 안테나를 적용한 통신 기법에 대하여 설명한다.
이하 설명하는 기술은 다양한 형태의 안테나에 적용될 수 있다. 다만, 이하 설명의 편의를 위하여 4포트 집적 안테나를 중심으로 설명한다.
도 1은 종래 4포트 집적 안테나(50)의 예이다. 안테나(50)는 복수의 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)을 포함한다. 안테나(50)는 일반적인 편향각을 가진 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)을 90도씩 회전시킨 형태이다. 안테나 유닛 P1 및 P3는 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나(예컨대, V-pol 안테나)이고, 안테나 유닛 P2 및 P4는 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나(예컨대, H-pol 안테나)이다. 안테나(50)와 같은 집적 구조를 갖는 경우 편향각을 가지더라도 편파 성분에 의해 90도의 배치 간격을 갖는 안테나 유닛들(예를 들면 P1 및 P2) 간의 상관도가 낮지만, 180도의 배치 간격을 가진 안테나 유닛들(예를 들면 P1 및 P3) 간의 상관도는 상대적으로 크게 나타나게 된다. 여기서 상관도는 안테나가 출력하는 방사패턴의 상관도를 의미한다. 상관도가 높은 안테나 유닛(예를 들면 P1 및 P3)는 채널 매트릭스(Matrix)의 랭크(Rank)를 감소시킨다. 따라서 이러한 안테나 유닛을 갖는 안테나(50)는 신호 간 독립성이 보장되지 않아 다중 이득을 얻기가 어렵다.
도 2는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나(100)의 예이다. 안테나(100)는 복수의 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)을 포함한다. 기본적으로 안테나(100)는 도 1의 안테나(50)와 유사한 구조를 갖는 4포트 집적 안테나이다.
나아가 안테나(100)는 렌즈 구조물(150)을 더 포함한다. 렌즈 구조물(150)은 특정한 유전율 값을 갖는 유전체이다. 렌즈 구조물(150)은 일정한 값 이상의 유전율 내지 투자율 중 적어도 하나를 갖는 유전체인 것이 바람직하다. 렌즈 구조물(150)은 다양한 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 렌즈 구조물(150)은 일정한 두께를 갖는 평면 형태(기판)일 수 있다. 설명의 편의를 위해 이하 렌즈 구조물을 포함하는 안테나를 렌즈 안테나라고 명명하였다. 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)은 전자기파를 방출한다. 안테나 유닛이 방출한 전자기파는 렌즈 구조물(150)을 투과한다. 안테나(100)는 일부 안테나 유닛들(P3 및 P4)이 방출한 전자기파만이 렌즈 구조물(150)을 투과하는 구조를 갖는다. 렌즈 구조물(150)은 안테나 유닛들(P3 및 P4)이 방출하는 전자기파만을 투과하는 위치에 배치된다.
도 3은 렌즈를 투과한 전자기파에 대한 예이다. 도 3은 도 2의 안테나(100)에서 안테나 유닛들(P1 및 P3)이 방출하는 전자기파에 대한 예를 도시한다. 안테나 유닛들(P1 및 P3)은 기본적으로 동일한 방사 패턴을 갖는 전자기파(E1)를 출력한다고 전제한다.
전자기파 신호는 단순한 실수값이 아니라 복소수 신호 이므로 전달되는 신호는 크기뿐 아니라 위상 정보를 포함한다. 안테나의 위상 정보를 변화시키는 경우, 아래 수학식 1과 같이 안테나 방사패턴 간 상관도로 정의되는 상관 계수(Envelope correlation coefficient) ρ는 분자가 감소하게 되어 안테나 상관도가 감소하게 된다. 이는 결과적으로 안테나 간 간섭을 포함한 채널 매트릭스 H의 랭크를 향상시키고, 채널 용량을 향상시킨다.
Figure PCTKR2019016508-appb-M000001
안테나 유닛(P1)은 길이 d1의 파장을 갖는 전자기파를 출력한다. 안테나 유닛(P3)도 길이 d1의 파장을 갖는 전자기파를 출력한다. 안테나 유닛(P3)의 앞에 렌즈 구조물(150)을 배치하면, 렌즈의 전기적 손실을 무시할 때 안테나 유닛(P3)이 발생시키는 전자기파의 신호가 렌즈 구조물(150) 두께에 의해 영향을 받아 전자기파의 위상 정보가 변하게 된다. 안테나 유닛(P3)이 출력하는 전자기파는 렌즈 구조물(150)에서 속도가 느려진다. 따라서 결과적으로 렌즈 구조물(150)을 투과한 전자기파(E3)는 안테나 유닛(P1)이 방출하는 전자기파(E1)와 일정한 위상 차이(θ)를 갖게된다. 또 렌즈 구조물(150)을 통과하기 전에 안테나 유닛(P1 및 P3)이 방출한 전자기파는 동일한 위상을 갖고 있지만, 렌즈 구조물(150)을 통과한 후에 동일한 시점인 T1에서 위상이 전혀 상이하게 변경된다. 이를 통해 안테나(100)는 렌즈 구조물(150)을 이용하여 안테나 유닛들(예를 들어 P1 및 P3) 사이의 상관도를 낮추어 채널 용량을 확대한다.
도 4는 렌즈 구조물의 두께와 방사패턴의 상관도 사이의 관계 및 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 채널 용량을 도시한 그래프의 예이다.
도 4(A)는 렌즈 구조물의 두께와 방사패턴의 상관도 사이의 관계를 도시한 그래프의 예이다. 도 2를 예를 들어 설명하면, 안테나(100)에서 일정한 유전율을 갖는 렌즈 구조물(150)의 두께가 변화하면 안테나 유닛(예를 들어 P1 및 P3)이 방출하는 방사패턴 사이의 상관도도 변화하게 된다. 렌즈 구조물(150)의 두께가 두꺼워짐에 따라 상관도 감소 효과가 더 크게 나타난다. 렌즈 구조물(150)의 두께가 두꺼워질수록 렌즈 구조물(150)을 투과하는 전자기파의 위상 정보가 더 변경되기 때문이다. 도 4(A)를 살펴보면, 렌즈 구조물(150)을 구성하는 재질은 방사패턴의 상관도에 영향을 준다. 예컨대, 렌즈 구조물(150)을 구성하는 유전체의 굴절률이 높아진다면 방사패턴의 상관도는 굴절률에 비례하여 감소할 수 있다. 정리하면 렌즈 구조물(150)의 재질 및 두께는 방사 패턴의 상관도 감소에 영향을 준다.
도 4(B)는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 채널 용량을 도시한 그래프의 예이다. 도 4(B)는 상관도 감소에 의한 채널 용량 증가의 정도를 나타낸다. 시뮬레이션에서는 최대 산란(Full Scattering) 및 NLOS(Non-Line-of-Sight) 환경을 가정하였다. 전체 채널 매트릭스 H는 아래의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2019016508-appb-M000002
여기서 매트릭스 Rt 및 Rr은 상관 매트릭스의 요소 Rt,(i,j ) = ρ( i,j )이므로 시스템의 환경 채널 Matrix HW와는 별개로 전체 채널 H의 랭크 향상에 기여한다. LOS(Line-of-Sight) 환경에서는 효과가 다소 감소하지만, 렌즈 구조물에 의한 위상 변화가 안테나 신호 간 독립성을 향상시켜 매트릭스 Rt 및 Rr의 랭크가 향상되므로 역시 채널 용량이 증가하게 된다.
도 5는 렌즈 구조물을 포함하는 4포트 집적 안테나의 상관도를 분석한 테이블의 예이다. 도 5는 렌즈 구조물을 포함하는 안테나(100)와 종래 안테나(50)의 상관도를 분석한 예이다. 렌즈 안테나(100)는 3cm 두께의 FR-4 기판을 렌즈로 이용하는 경우를 가정하였다. 도 5는 종래 안테나(50) 및 렌즈 안테나(100)에 대한 상관 매트릭스 Rt의 절대값을 나타낸다. 또한 상관 매트릭스의 특이값 분해(Singular Value Decomposition)한 경우의 고유값(Eigenvalue)들을 나타낸다. 도 5를 살펴보면, 종래 안테나(50)에 비하여 렌즈 안테나(100)의 상관도가 크게 낮은 것을 알 수 있다.
렌즈 안테나는 렌즈 구조물을 이용하여 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상 정보를 변경한다. 이를 통해 집적 안테나의 채널 용량을 늘리는 것이다. 채널 용량을 늘리는 것은 두 가지 측면이 있다. 하나는 복수의 안테나 유닛이 방출하는 방사 패턴을 서로 다르게 하여 채널을 추가하는 것이다. 또 하나는 복수의 안테나 유닛이 방출하는 전자기파의 간섭을 줄여서 채널을 늘리는 것이다.
도 6은 렌즈 안테나의 구조를 도시한 예이다. 도 6은 4포트 안테나 구조에 대한 몇 가지 예를 도시한다.
도 6(a)의 안테나(200)는 4개의 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4) 및 렌즈 구조물(250)을 포함한다. 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)은 도 2와 같이 일부 안테나들이 서로 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나일 수 있다. 또는 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)은 일부 안테나가 서로 동일한 방사패턴을 갖는 안테나일 수도 있다. 예컨대, 안테나 유닛 P1 및 P3는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 또한 안테나 유닛 P2 및 P4는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 이 경우 안테나 유닛 P3 및 P4에 대해서만 렌즈 구조물(250)을 적용할 수 있다. 렌즈 구조물(250)이 안테나 유닛 P3 및 P4의 전자기파만을 투과하는 배치를 갖는다. 이와 같은 구조를 갖는 안테나(200)는 안테나 유닛 P1 및 P3(또는 안테나 유닛 P2 및 P4) 사이의 상관도가 감소하여 채널 용량이 증대된다.
안테나 유닛 P1 및 P3이 제1 방사패턴의 전자기파를 방출하고, 안테나 유닛 P2 및 P4가 제2 방사패턴의 전자기파를 방출한다고 가정한다. 안테나(200)는 렌즈 구조물(250)을 통해 안테나 유닛 P3 및 P4가 방출하는 방사패턴을 변경한다. 따라서 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)의 방사 패턴은 서로 상관도가 낮아지게 된다.
도 6(b)의 안테나(300)는 4개의 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4) 및 2개의 렌즈 구조물(351 및 352)을 포함한다. 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)은 도 2와 같이 일부 안테나들이 서로 동일 내지 유사한 편파 특성을 갖는 안테나일 수 있다. 또는 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)은 일부 안테나가 서로 동일한 방사패턴을 갖는 안테나일 수도 있다. 예컨대, 안테나 유닛 P1 및 P3는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 또한 안테나 유닛 P2 및 P4는 서로 편파 특성 내지 방사패턴이 동일할 수 있다. 안테나(300)는 안테나 유닛 "P1 및 P2"와 "P3 및 P4"에 각각 서로 다른 렌즈 구조물(351 및 352)을 적용한다. 렌즈 구조물(351) 및 렌즈 구조물(352)은 서로 다른 굴절률을 갖는 구조이다. 이 경우 렌즈 구조물(351 및 352)가 각각 안테나 유닛 "P1 / P2"와 "P3 / P4"의 전자기파의 위상 정보를 동일하게 변경한다. 따라서 이와 같은 구조를 갖는 안테나(300)는 안테나 유닛 P1 및 P3들(또는 안테나 유닛 P2 및 P4) 사이의 상관도가 줄어들어 채널 용량이 증대된다.
도 6(c)의 안테나(400)는 4개의 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4) 및 3개의 렌즈 구조물(451, 452 및 453)을 포함한다. 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 편파 특성을 가질 수 있다. 또는 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 방사패턴을 가질 수 있다. 안테나(300)는 안테나 유닛 "P1", "P3" 및 "P4"에 각각 서로 다른 렌즈 구조물(451, 452 및 453)을 적용한다. 각 렌즈 구조물(451, 452 또는 453)은 서로 다른 굴절률을 갖는 구조이다. 즉, 렌즈 구조물(451, 452 또는 453)은 각각 안테나 유닛 "P1", "P3" 및 "P4"의 전자기파의 위상 정보를 서로 다르게 변경한다. 결과적으로 이와 같은 구조를 갖는 안테나(400)는 모든 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 사이의 상관도가 줄어든다.
도 6(d)의 안테나(500)는 4개의 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4) 및 4개의 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)을 포함한다. 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 편파 특성을 가질 수 있다. 또는 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4)은 모두 동일 내지 유사한 방사패턴을 가질 수 있다. 안테나(300)는 안테나 유닛들(P1, P2, P3 및 P4) 각각에 서로 다른 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)을 적용한다. 각 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)은 서로 다른 굴절률을 갖는 구조이다. 즉, 렌즈 구조물(551, 552, 553 및 554)은 각각 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4)의 전자기파의 위상 정보를 서로 다르게 변경한다. 결과적으로 이와 같은 구조를 갖는 안테나(400)는 모든 안테나 유닛(P1, P2, P3 및 P4) 사이의 상관도가 줄어든다.
전술한 바와 같이 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 각 안테나 유닛의 간섭을 최소화할 수 있다. 이를 통해 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 채널 용량을 증대할 수 있다. 나아가, 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 서로 다른 특성을 갖는 방사패턴을 이용하여 다중 채널을 사용할 수 있다. 도 6과 같이 4개의 안테나 유닛이 있다면 4개의 채널을 사용할 수 있다. 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 4개의 채널 각각에 서로 다른 패킷을 전송할 수 있다. 나아가 렌즈 구조물을 사용하는 안테나(200, 300, 400 또는 500)는 4개의 채널을 이용하여 MIMO 통신을 수행할 수도 있다. 도 6에 도시한 안테나(200, 300, 400 또는 500)가 MIMO 통신에 사용된다면, 렌즈 구조물이란 비교적 단순한 구성을 부가하여 MIMO 이득을 확대하게 된다.
도 7은 렌즈 안테나를 이용한 송신기(600)의 구조를 도시한 예이다. 송신기(600)는 전술한 렌즈 안테나를 이용하여 집적도 높은 다중 렌즈 안테나를 사용한다. 송신기(600)는 부호기(610), 변조기(620) 및 안테나 장치(630)를 포함한다.
부호기(610)는 비트 스트림을 입력받고, 입력된 비트 스트림을 미리 설정된 부호화 방식에 따라 부호화할 수 있다.
변조기(620)는 부호기(610)로부터 출력되는 신호를 입력받아 미리 설정되어 있는 신호 변조 방식에 기초하여 변조 심볼을 생성할 수 있다. 변조기(620)는 변조 방식으로서, BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), QAM(Quadrature Amplitude Modulation), PSK(Phase Shift Keying), ASK(Amplitude Shift Keying) 및 FSK(Frequency Shift Keying) 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다.
변조기(620)는 부호기(610)에서 출력되는 신호(비트 스트림, 데이터)를 복수의 안테나 중 적어도 하나에 매핑할 수 있다. 변조기(620)는 현재 시점에서 데이터를 전송하는데 사용할 안테나(안테나 식별자)를 결정할 수 있다. 이 경우 변조기(620)는 데이터 전송에 사용할 안테나 정보를 송신기(600) 내지 안테나 장치(630)에 전달할 수 있다.
변조기(620)는 비직교 다중 접속 및 공간 변조에 따른 신호 처리를 수행할 수 있다. 변조기(620)는 공간 변조 방식을 위하여 다중 안테나 중 어떤 안테나를 선택하여 신호를 전송할지 결정할 수 있다.
안테나 장치(630)는 제어 장치(631) 및 다중 렌즈 안테나(632)를 포함한다. 제어 장치(631)는 변조기(620)로부터 전달되는 신호(데이터)를 다중 렌즈 안테나(632)에 전달하도록 제어한다. 제어 장치(631)는 도선 및 스위치 등으로 구성될 수 있다. 제어 장치(631)는 변조기(620) 또는 별도의 제어 구성으로부터 전달된 정보에 기초하여 현재 입력되는 신호를 전송할 안테나를 선택하고 경로를 제어한다.
다중 렌즈 안테나(632)는 전술한 렌즈 안테나가 집적된 안테나이다. 도 7은 4포트 안테나를 예로 도시한다. 4포트 안테나를 하나의 단위 안테나라고 명명할 수 있다. 도 7에서 4포트 안테나(단위 안테나)를 점선으로 구분하였다. 도 7에서 단위 안테나 A가 4개의 포트 안테나에 대응되는 것으로 표시하였다. 제어 장치(631)는 복수의 단위 안테나 중 신호를 전송한 단위 안테나를 선택할 수 있다. 또 제어 장치(631)는 하나의 단위 안테나에서 신호를 전송할 안테나(도 7에서는 4개 중 어느 하나)를 선택할 수 있다.
복수의 안테나들은 어레이 안테나와 같이 일정한 배치를 갖는다. 공간 변조 시스템의 특성을 활용하여 안테나는 λ/2 간격 이내 4개 이상의 안테나를 집적할 수 있다. 4포트 안테나(단위 안테나)는 인접한 4포트 안테나와 λ/2 간격 또는 λ/2 보다 좁은 간격으로 배치될 수 있다. 다른 측면에서, 하나의 4포트 안테나가 λ/2 × λ/2 크기의 영역에 배치된다고 할 수도 있다.
제어 장치(631)에서 하나의 스위치는 4 포트 안테나 중 어느 하나에 입력신호를 전달한다.
제어 장치(631)는 서로 다른 안테나에 동일한 데이터를 전달하게 하게 할 수 있다. 나아가 제어 장치(631)는 서로 다른 안테나에 서로 다른 데이터를 전달하게 하게 할 수 있다. 후자는 공간 변조 기법 중 일반화된 공간변조(GSM, Generalized SM)라고 한다.
변조기(620) 또는 제어 장치(631)는 복수의 단위 안테나 중 공간 변조에 따라 현재 시점에서 데이터를 전송할 단위 안테나를 결정(선택)할 수 있다. 공간 변조 방식으로 데이터를 전송할 단위 안테나를 하나의 타겟 단위 안테나라고 명명한다. 타겟 단위 안테나는 하나의 단위 안테나 또는 복수의 단위 안테나일 수도 있다.
변조기(620) 또는 제어 장치(631)는 복수의 단위 안테나 중 지향성을 기준으로 타겟 단위 안테나를 결정할 수 있다. 즉 변조기(620) 또는 제어 장치(631)는 복수의 단위 안테나 중 동일한 지향성을 갖는 단위 안테나 그룹을 선택하여 데이터를 전송하게 할 수 있다. 이 경우 타겟 단위 안테나에 속한 단위 안테나는 서로 동일 내지 유사한 지향성을 갖는 안테나이다. 경우에 따라 변조기(620) 또는 제어 장치(631)는 복수의 단위 안테나 중 서로 다른 지향성을 갖는 타겟 단위 안테나를 선택하여 데이터를 전송하게 할 수 있다. 이 경우 타겟 단위 안테나에 속한 단위 안테나는 서로 다른 지향성 갖는 안테나이다.
공간 변조를 위해 선택된 타겟 단위 안테나는 비직교 다중 접속에 따라 동일한 주파수 대역에서 데이터를 전송할 수 있다.
변조기(620) 또는 제어 장치(631)는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 통신을 하는 단말에 대한 이동성 지원을 위하여 상기 복수의 단위 안테나 중 지향성이 서로 다른 단위 안테나를 선택할 수 있다. 한편 변조기(620) 또는 제어 장치(631)는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 통신을 하는 단말에 빔 포밍을 위하여 타겟 단위 안테나를 선택할 수 있다.
도 8은 공간 변조가 적용된 비직교 다중 접속 시스템에서의 누적 분포 함수(CDF: Cumulative Distribution Function)에 대한 예이다. 공간 변조 방식이 적용된 비직교 다중 접속 시스템에서 사용자(단말)의 채널 상태에 따라 지원하는 빔의 형태가 결정되며 결정된 빔의 형태(narrow beam(NB),wide beam(WB))에 따라 사용자를 지원한다. 하지만, 도 8을 살펴보면, 지원 형태에 상관없이 모든 사용자들은 안정적인 용량의 CDF를 가지며, 특히 제안한 공간 변조 기반 비직교 다중 접속 시스템의 경우, 모든 경우에 최고의 용량 CDF를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 단위 안테나에 대한 예이다. 도 9는 4포트 집적 안테나의 구조에 대한 예이다. 단위 안테나는 복수의 안테나 유닛을 포함한다. 도 9는 선형 테이퍼형 슬롯 안테나(linear-tapered slot antenna,LTSA)를 사용한 예이다. 도 9는 140 GHz 주파수를 타겟으로 설계한 안테나 구조에 대한 예이다.
도 9(A)는 집적 안테나를 구성하는 하나의 안테나 유닛의 구조에 대한 예이다. 도 9(B)는 4개의 단위 안테나 유닛으로 구성되는 4포트 집적 안테나의 구조에 대한 예이다. 도 9(B)는 λ(파장) 대비 0.405 λ × 0.405 λ 크기에 4포트 집적 안테나가 집적되는 예이다. 도 9(B)는 포트 1(port 1), 포트 2(port 2), 포트 3(port 3) 및 포트 4(port 4)를 도시한다.
도 10은 도 9의 4포트 집적 안테나에 대한 방사 패턴의 예이다. 포트 1(port 1), 포트 2(port 2), 포트 3(port 3) 및 포트 4(port 4)에 대한 방사 패턴의 예이다. 도 10(A)는 포트 1(port 1) 안테나 유닛의 방사 패턴에 대한 예이다. 도 10(B)는 포트 2(port 2) 안테나 유닛의 방사 패턴에 대한 예이다. 도 10(C)는 포트 3(port 3) 안테나 유닛의 방사 패턴에 대한 예이다. 도 10(D)는 포트 4(port 4) 안테나 유닛의 방사 패턴에 대한 예이다. 도 10을 살펴보면, 각 안테나 포트는 서로 다른 방향성 빛 형태를 갖는 빔 패턴을 형성한다.
도 11은 도 9의 4포트 집적 안테나에 대한 S 파라미터(s-parameter) 에 대한 예이다. S 파라미터는 주파수분포상에서 입력전압대 출력전압의 비를 의미한다. 도 11의 그래프에서 수평축은 주파수이고, 수직축은 dB이다. 예컨대, S1,1은 포트 1에서 입력되는 전압이 포트 1로 출력되는 경우를 의미한다. (i) S1,1, (ii) S2,2, (iii) S3,3 및 (iv)S 4,4에서 140GHz에서 입력전압이 최대 방출되는 형태를 보인다. 따라서, 개별 안테나 유닛이 목표했던 140GHz에서 효과적으로 동작하는 것을 알 수 있다.
전술한 안테나 장치 내지 송신기는 공간 변조 시스템에서 집적된 패턴편파 혹은 렌즈 안테나/ 배열 안테나의 특성을 이용하여 안테나 스프레딩을 이용할 수 있다. 집적된 배열 안테나들이 서로 다른 지향성을 갖도록 하여 집적된 배열 안테나의 최적 할당으로 고객의 이동성을 지원할 수 있다.
지향성이 다른 다수의 안테나들을 사용할 때, 사용자의 이동성 지원을 위해 안테나 스프레딩 방식을 사용할 수 있지만, 이동성보다 용량 증대의 목적이 크다면 사용자의 채널을 반영하여 빔포밍을 통해 고객들을 지원할 수 있다. 이 경우 안테나 장치 내지 송신기는 서로 다른 다수의 안테나들 중 다른 지향성을 갖는 안테나들로 그룹화를 하기보다는 고객 채널에 최적화된 안테나들을 그룹화하여 빔포밍을 할 수 있다. 이를 통해 기존의 방식보다 용량 증대가 가능하게 된다.
서로 다른 지향성을 갖는 다수의 안테나를 이용하여 빔포밍을 이용할 경우, 용량 증대가 가능하지만, 안테나 스프레딩을 이용할 수 없기에 이동성 문제가 다시 발생할 수 있다. 이를 극복하기 위해, 도 12와 같은 시간 스프레딩, 주파수 스프레딩, 코드 스프레딩 기법을 적용할 수 있다. 도 12는 빔 스프레딩에 대한 예이다. 도 12(A)는 시간 스프레딩을 나타내고, 도 12(B) 는 주파수 스프레딩, 도 12(C)는 코드 스프레딩을 나타낸다.
전술한 송신기 내지 통신 장치는 안테나들을 집적 가능한 환경에서 공간 변조 방식을 적용하며, 서로 다른 지향성을 갖는 집적 안테나들은 고객들의 채널 환경을 반영하여 최적의 안테나들을 그룹화하는 방안을 제안한다. 이를 통해 사용자의 채널 상황에 따라 유동적으로 안테나 그룹화를 할 수 있으므로 사용자의 채널 용량을 유지하면서도 사용자의 이동성을 안정적으로 지원할 수 있다. 용량 증대 극대화를 위해서는 서로 다른 지향성을 갖는 안테나를 이용하여 빔포밍을 사용할 수 있으며, 빠르게 전환 가능한 스위치들을 이용한 시간 빔 스프레딩, 코드 기반 빔 스프레딩, 주파수 호핑 기반 빔 스프레딩 등을 사용하여 이동성을 지원할 수 있다.
도 13은 렌즈 안테나를 이용한 송신기 및 수신기 구조에 대한 예이다. 이를 통해 하나의 통신 표준 방안으로써 활용될 수 있다. 도 13은 렌즈 안테나를 이용한 송신기(700) 및 수신기(800)에 대한 하나의 예이다. 송신기(700)는 도 7에서 설명한 송신기(600)에 대응하는 장치이다. 송신기(700)는 부호기(710), 변조기(720) 및 안테나 장치(730)를 포함한다. 안테나 장치(730)는 제어 장치(731) 및 다중 렌즈 안테나(732)를 포함한다. 도 7에서 설명한 구성과 동일한 구성에 대해서는 추가적인 설명을 하지 않는다.
송신기(700)는 현재 공간 변조 방식으로 신호를 전송한 타깃 단위 안테나를 선택한다. 송신기(700)는 제어 장치(731)를 이용하여 타깃 단위 안테나에 신호를 전송할 수 있다. 나아가 송신기(700)는 타깃 단위 안테나에 속한 안테나 유닛 중 어느 하나(또는 복수)의 단위 안테나만을 통해 신호를 전송할 수도 있다.
송신기(700)는 비직교 다중 접속에 따라 데이터를 전송할 수 있다.
다중 렌즈 안테나(732)는 복수의 단위 안테나로 구성된다. 복수의 단위 안테나들 중 인접한 단위 안테나들이 반파장(λ/2) 이내의 거리로 배치될 수 있다.
제어 장치(731)는 변조기(720))에서 출력되는 데이터에서 동일 데이터가 상기 타깃 단위 안테나에 전달되도록 제어하거나, 서로 다른 데이터가 상기 타깃 단위 안테나에 전달되도록 제어한다. 타깃 단위 안테나는 복수의 단위 안테나 중 제어 장치(731)가 특정 시점에서 공간 변조 방식으로 데이터를 전송하고자 선택한 안테나를 의미한다.
제어 장치(731)는 복수의 단위 안테나들 중 지향성을 기준으로 타깃 단위 안테나를 결정할 수 있다.
제어 장치(731)는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 통신을 하는 단말에 대한 이동성 지원을 위하여 복수의 단위 안테나 중 지향성이 서로 다른 단위 안테나를 선택할 수 있다.
제어 장치(731)는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 통신을 하는 단말에 빔 포밍을 위하여 상기 타깃 단위 안테나를 선택할 수 있다. 이때, 변조기(720)는 단말에 대한 이동성 지원을 위하여 시간 스프레딩, 주파수 스프레딩 및 코드 스프레딩 중 적어도 하나를 지원할 수 있다.
제어 장치(731)는 복수의 단위 안테나들 중 지향성이 서로 다른 안테나들을 그룹핑하고, 특정 수신기에 대하여 동일 그룹에 속한 단위 안테나를 이용하여 빔포밍할 수 있다.
제어 장치(731)는 복수의 단위 안테나들 중 지향성이 서로 다른 단위 안테나들을 상기 타깃 단위 안테나로 선택하여 빔포밍할 수 있다. 이때, 변조기(720)는 타깃 단위 안테나에 대한 시간 스프레딩, 주파수 스프레딩 및 코드 스프레딩 중 적어도 하나를 지원할 수 있다.
수신기(800)는 안테나 장치(810), 복조기(820) 및 복호기(830)를 포함한다. 안테나 장치(810)는 렌즈 안테나(811) 및 제어 장치(812)를 포함할 수 있다. 도 13은 렌즈 안테나(811)가 송신기(700)에서의 하나의 단위 안테나에 대응하는 구조로 도시하였다. 수신기(800)는 송신기(700)가 단위 안테나에서 신호를 전송한 단위 안테나에 대응하는 안테나 유닛을 이용하여 신호를 수신한다. 즉 수신기(800)는 송신기(700)가 신호 전송에 이용한 방사 패턴을 잘 수신할 수 있는 안테나 유닛으로 신호를 수신한다. 수신기(800)는 사전에 또는 패킷 전송에 앞서서 신호 전송에 사용된 방사 패턴 또는 안테나 종류에 대한 정보를 획득할 수 있다. 제어 장치(812)는 복수의 안테나 유닛 중 신호 수신에 사용할 안테나 내지 경로를 결정하는 구성에 대항한다. 제어 장치(812)는 스위치 및 신호 경로 등으로 구성될 수 있다. 복조기(820)는 변조기(720)에 대응되는 구성으로, 변조된 방식의 역 과정을 통하여 신호를 복조할 수 있다. 복호기(830)는 복조한 신호에서 데이터를 복호한다. 복호기(830)는 부호기(710)가 사용한 방식의 역 과정으로 신호를 복호할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 실행가능한 알고리즘을 포함하는 프로그램(또는 어플리케이션)으로 구현될 수 있다. 상기 프로그램은 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다.
비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
나아가 전술한 안테나 장치 내지 통신 장치를 적용한 몇 가지 애플리케이션에 대하여 설명한다.
옥외 ultra massive MIMO 시스템의 용량 증대 및 이동성 지원
옥외 환경에서는 다양한 채널의 고객들이 존재하며, 이들을 지원하기 위해서는 높은 용량 및 안정적 이동성 지원 방안이 필요하다. 채널 용량과 이동성을 안정적으로 지원하기 위해 본 발명에서는 집적된 안테나 기반 비직교 다중 접속 시스템에서의 공간 변조 방식을 사용하였으며, 직교 및 비직교 다중 접속 방식에서 집적 패턴 편파 혹은 렌즈 안테나/배열 안테나를 통해 채널 용량 증대 및 서로 다른 지향성을 갖는 안테나들의 그룹화를 통해 안정적 이동성 지원이 가능하다. 또한, 고객의 채널 상황을 적응 반영하여 최적의 빔포밍을 지원할 수 있으며, 이때 다수의 빔들에 코드, 시간, 주파수 스프레딩을 이용하여 이동성을 지원이 가능하다.
옥내 ultra massive MIMO 시스템의 용량 증대 및 이동성 지원
옥내 환경에서는 스캐터 수가 제한됨에 따라 LoS 환경적 특성이 강해진다. 이때, 단순 massive MIMO 환경을 적용한다 하더라도, LoS 환경이기 때문에 용량 증대에 한계를 갖는다. 이를 극복하기 위해 LoS 환경에서도 충분한 이득을 위하여 패턴 편파 혹은 렌즈 직접 안테나/배열 안테나를 공간 변조 기반 직교 및 비직교 다중 접속 시스템에 적용할 수 있고, 이를 통해 LoS 환경에서도 안정적 채널 용량 이득 및 옥내 고객의 위치에 강인한 특성을 가질 수 있다. 이때, 다수의 빔에 코드, 시간, 주파수 스프레딩을 적용하여 이동성 지원이 가능하며, 다양한 안테나들을 활용할 수 있게 되어 음영 지역 문제 해결에 도움이 된다.
자율 협력 주행 네트워크
자율 협력 주행 네트워크 환경에서는 모든 차량에 동일한 정보를 제공할 경우가 많으며, 일반적으로 브로드캐스트 방식으로 정보를 전송한다. 제안한 특허는 비직교 다중 접속 방식을 사용하며, 브로드캐스트 사용 및 차량에 맞는 데이터 전송 또한 가능하다. 뿐만 아니라, 서로 다른 지향성을 갖는 안테나들의 그룹화를 통해 이동성이 빠른 자율 주행 차량에 안정적 지원이 가능하다. 이때, 고객의 채널 정보 및 이동 경로를 예측할 경우, 다수의 안테나들을 이용한 빔포밍을 통해 고객을 지원할 수 있으며, 코드, 시간, 주파수 스프레딩 적용을 통해 이동성 지원이 가능하다.
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

Claims (20)

  1. 복수의 단위 안테나들;
    입력 신호에 대한 비직교 다중 접속 및 공간 변조를 수행하는 변조기; 및
    상기 복수의 단위 안테나들 중에서 현재 시점에서 공간 변조 방식으로 데이터를 전송할 타깃 단위 안테나를 결정하는 제어 장치를 포함하되,
    상기 단위 안테나는 복수의 안테나 유닛들 및 상기 복수의 안테나 유닛들 중 적어도 하나의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상을 변경하는 렌즈 구조물을 포함하고, 상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛들이 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 상기 위상을 변경하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는 비직교 다중 접속에 따라 데이터를 전송하고,
    상기 단위 안테나는 반파장(λ/2) 이내의 거리로 배치되는 복수의 안테나 유닛들을 포함하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 변조기에서 출력되는 데이터에서 동일 데이터가 상기 타깃 단위 안테나에 전달되도록 제어하거나, 서로 다른 데이터가 상기 타깃 단위 안테나에 전달되도록 제어하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 유닛들 중 동일한 방사 패턴을 출력하는 안테나들에 배치되는 상기 렌즈 구조물은 서로 다른 굴절률을 갖는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 복수의 단위 안테나들 중 지향성을 기준으로 상기 타깃 단위 안테나를 결정하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기.
  6. 제5항에 있어서,
    공간 변조를 위해 선택된 상기 타깃 단위 안테나는 비직교 다중 접속에 따라 동일한 주파수 대역에서 데이터를 전송하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 통신을 하는 단말에 대한 이동성 지원을 위하여 상기 복수의 단위 안테나 중 지향성이 서로 다른 단위 안테나를 선택하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 통신을 하는 단말에 빔 포밍을 위하여 상기 타깃 단위 안테나를 선택하고,
    상기 변조기는 상기 단말에 대한 이동성 지원을 위하여 시간 스프레딩, 주파수 스프레딩 및 코드 스프레딩 중 적어도 하나를 지원하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 복수의 단위 안테나들 중 지향성이 서로 다른 안테나들을 그룹핑하고, 특정 수신기에 대하여 동일 그룹에 속한 단위 안테나를 이용하여 빔포밍하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 복수의 단위 안테나들 중 지향성이 서로 다른 단위 안테나들을 상기 타깃 단위 안테나로 선택하여 빔포밍하고,
    상기 변조기는 상기 타깃 단위 안테나에 대한 시간 스프레딩, 주파수 스프레딩 및 코드 스프레딩 중 적어도 하나를 지원하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 송신기.
  11. 다중 안테나 장치가 입력 신호에 대한 비직교 다중 접속 변조 및 공간 변조를 수행하는 단계;
    상기 다중 안테나 장치가 복수의 단위 안테나들 중에서 현재 시점에서 공간 변조 방식으로 데이터를 전송할 타깃 단위 안테나를 결정하는 단계; 및
    상기 다중 안테나 장치가 상기 타깃 단위 안테나를 이용하여 공간 변조된 데이터를 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 단위 안테나는 복수의 안테나 유닛들 및 상기 복수의 안테나 유닛들 중 적어도 하나의 안테나 유닛이 출력하는 전자기파의 위상을 변경하는 렌즈 구조물을 포함하고, 상기 렌즈 구조물은 상기 복수의 안테나 유닛들이 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 상기 위상을 변경하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 다중 안테나 장치는 비직교 다중 접속에 따라 데이터를 전송하고,
    상기 단위 안테나는 반파장(λ/2) 이내의 거리로 배치되는 복수의 안테나 유닛들을 포함하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 다중 안테나 장치가 상기 타깃 단위 안테나에 속한 단위 안테나에 모두 동일한 데이터를 전송하거나, 서로 다른 데이터를 전송하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 유닛 중 동일한 방사 패턴을 출력하는 안테나들에 배치되는 상기 렌즈 구조물은 서로 다른 굴절률을 갖는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 다중 안테나 장치가 상기 복수의 단위 안테나 중 지향성을 기준으로 상기 타깃 단위 안테나를 결정하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    공간 변조를 위해 선택된 상기 타깃 단위 안테나는 비직교 다중 접속에 따라 동일한 주파수 대역에서 데이터를 전송하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 다중 안테나 장치가 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 통신을 하는 단말에 대한 이동성 지원을 위하여 상기 복수의 단위 안테나 중 지향성이 서로 다른 단위 안테나를 선택하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 다중 안테나 장치가 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 통신을 하는 단말에 빔 포밍을 위하여 상기 타깃 단위 안테나를 선택하고, 상기 단말에 대한 이동성 지원을 위하여 시간 스프레딩, 주파수 스프레딩 및 코드 스프레딩 중 적어도 하나를 지원하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 다중 안테나 장치가 상기 복수의 단위 안테나 중 지향성이 서로 다른 안테나들을 그룹핑하고, 특정 수신기에 대하여 동일 그룹에 속한 단위 안테나를 이용하여 빔포밍하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 다중 안테나 장치가 상기 복수의 단위 안테나 중 지향성이 서로 다른 단위 안테나들을 상기 타깃 단위 안테나로 선택하여 빔포밍하고, 상기 타깃 단위 안테나에 대한 시간 스프레딩, 주파수 스프레딩 및 코드 스프레딩 중 적어도 하나를 지원하는 렌즈 안테나를 이용한 공간 변조 기반 통신 방법.
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