WO2022098115A1 - 편파 빔들의 시간적/공간적 분리와 채널 비-가역성 보정을 위한 방법 및 이를 이용한 다중 빔 안테나 장치 - Google Patents

편파 빔들의 시간적/공간적 분리와 채널 비-가역성 보정을 위한 방법 및 이를 이용한 다중 빔 안테나 장치 Download PDF

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윤민선
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    • H04B7/0842—Weighted combining
    • H04B7/086—Weighted combining using weights depending on external parameters, e.g. direction of arrival [DOA], predetermined weights or beamforming

Definitions

  • the present invention relates generally to an antenna device that can be used in a cellular communication system, and more particularly, temporally and spatially separation of polarized beams, and channel ratio caused by polarization separation- A method of correcting reversibility and an antenna device using the same.
  • the 5G communication system or the pre-5G communication system is called a 4G network after (Beyond 4G Network) communication system or an LTE (Long Term Evolution) system after (Post LTE) system.
  • 4G network after Beyond 4G Network
  • LTE Long Term Evolution
  • the 5G communication system is being considered for implementation in a very high frequency (mmWave) band (eg, 60 gigabytes (60 GHz) band).
  • mmWave very high frequency
  • FD-MIMO Full Dimensional MIMO
  • array antenna, and large scale antenna technologies are being discussed.
  • an evolved small cell in the 5G communication system, an evolved small cell, an advanced small cell, a cloud radio access network (cloud radio access network, cloud RAN), an ultra-dense network (ultra-dense network) ), Device to Device communication (D2D), wireless backhaul, moving network, cooperative communication, Coordinated Multi-Points (CoMP), and reception interference cancellation ) and other technologies are being developed.
  • cloud radio access network cloud radio access network, cloud RAN
  • ultra-dense network ultra-dense network
  • D2D Device to Device communication
  • wireless backhaul moving network
  • cooperative communication Coordinated Multi-Points (CoMP), and reception interference cancellation
  • FQAM Hybrid Frequency Shift Keying and Quadrature Amplitude Modulation
  • SWSC Small Cell Superposition Coding
  • ACM Advanced Coding Modulation
  • FBMC Fan Bank Multi Carrier
  • NOMA Non Orthogonal Multiple Access
  • SCMA Sparse Code Multiple Access
  • the 5G communication system is being operated to increase the signal gain by using the beamforming technique in order to overcome the problem of path loss due to the characteristics of the ultra-high frequency band (eg, mmWave).
  • the ultra-high frequency band eg, mmWave
  • One aspect of the present invention provides a method for temporally and spatially separating polarized beams using two different orthogonal polarizations, while correcting channel non-reciprocity caused by polarization separation, and a multi-beam antenna device using the same would like to provide
  • the multi-beam antenna device includes an array antenna including transmit antenna elements used to form a plurality of transmit beams and receive antenna elements used to form a plurality of receive beams.
  • the method includes generating a plurality of transmit polarization components from transmit signals corresponding to a pair of transmit channels associated with each transmit beam, and each transmit beam and each transmit beam so that spatially adjacent transmit beams have different orthogonal polarizations. outputting a pair of transmission polarization components corresponding to a first orthogonal polarization or a pair of transmission polarization components corresponding to a second orthogonal polarization among the plurality of transmission polarization components for a pair of related transmission channels; include
  • the method comprises generating a plurality of receive polarization components from receive signals corresponding to a pair of receive channels associated with each receive beam to correct for channel non-reciprocity;
  • the method further includes outputting, among the plurality of receive polarization components, a pair of receive polarization components corresponding to orthogonal polarizations of transmit beams spatially formed toward the same direction with respect to the pair of receive channels.
  • the method may include orthogonal to a transmit beam formed in a spatially same direction as each receive beam, from receive signals corresponding to a pair of receive channels associated with each receive beam, in order to correct for channel non-reciprocity.
  • the method further includes generating polarization-converted signals corresponding to the polarization.
  • a multi-beam antenna device using two types of orthogonal polarizations.
  • the antenna device includes an array antenna including transmit antenna elements used to form a plurality of transmit beams and receive antenna elements used to form a plurality of receive beams, and a pair of transmit channels associated with each transmit beam.
  • a transmit polarization synthesizing unit generating a plurality of transmit polarization components from corresponding transmit signals, and a pair of transmit channels associated with each transmit beam so that spatially adjacent transmit beams have different orthogonal polarizations from each other and a transmission polarization allocator for outputting a pair of transmission polarization components corresponding to a first orthogonal polarization or a pair of transmission polarization components corresponding to a second orthogonal polarization from among the transmission polarization components.
  • the antenna device comprises: a receive polarization synthesizer for generating a plurality of receive polarization components from receive signals corresponding to a pair of receive channels associated with each receive beam in order to correct channel non-reciprocity; Receive polarization for outputting a pair of receive polarization components corresponding to orthogonal polarizations of transmit beams that are spatially formed toward the same direction among the plurality of receive polarization components for a pair of receive channels associated with each receive beam It further includes an allocator.
  • the antenna device from reception signals corresponding to a pair of reception channels associated with each reception beam, polarization-converted corresponding to an orthogonal polarization of a transmission beam formed in the same spatial direction as each reception beam It further includes a polarization converter for generating signals.
  • the antenna device achieves signal loss and noise figure (NF) in realizing time division duplexing (TDD). ), which does not require switching operations that could worsen
  • the antenna device according to the present invention can separate multiple beams in various directions in space, cell coverage can be expanded, and correlation between beams is reduced through polarization separation (ie, spatial polarization separation) of multiple beams. Therefore, communication quality can be further improved.
  • polarization separation ie, spatial polarization separation
  • the antenna device performs polarization conversion or polarization composition and polarization assignment on received signals inputted from the receiving antenna element, resulting in spatial and temporal polarization separation. It is possible to correct the channel non-reciprocity between the uplink channel and the downlink channel that occurs.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining an NF deterioration problem occurring in a conventional antenna device.
  • FIGS. 2A to 2D are block diagrams schematically showing an exemplary configuration of an antenna device capable of implementing the techniques of the present disclosure, respectively.
  • 3A to 3D are diagrams for explaining various examples of an antenna module that can be employed in the antenna system of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining polarization synthesis and polarization assignment performed in relation to one transmit antenna element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining polarization synthesis and polarization assignment performed in relation to one receiving antenna element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating an exemplary structure for performing polarization synthesis and polarization allocation on transmission signals in an antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining spatial separation of polarized waves in a horizontal direction and a vertical direction provided by the antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining temporal polarization separation provided by the antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining a channel non-reciprocity problem that may occur when a different double polarization is used between signal transmission and signal reception.
  • 10A and 10B are conceptual diagrams for explaining a method for correcting channel non-reciprocity using polarization transformation according to an embodiment of the present invention.
  • 11A and 11B are conceptual diagrams for explaining a method for correcting channel non-reciprocity using polarization synthesis and polarization allocation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating an exemplary structure for performing transmission polarization synthesis calibration in an antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a method performed by a multi-beam antenna apparatus using quadruple polarization according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining an NF deterioration problem occurring in a conventional antenna device.
  • the conventional antenna device operating in the TDD scheme shown in FIG. 1 includes an antenna (ANT), a filter (Filter), a switch (S/W), a PA, an LNA, an AD converter (not shown), and a digital (implemented by FPGA) It may be configured to include a signal processor (not shown) and the like.
  • the antenna ANT may have a form in which a plurality of antenna modules are arrayed, and each antenna module has two radiating elements having a geometric orientation perpendicular to each other (ie, having a polarization characteristic orthogonal to each other). It may be a dual polarized antenna module composed of radiators. Antenna modules perform a signal transmission function when the switch (S/W) is connected to the transmission line (Tx line), and perform a signal reception function when the switch (S/W) is connected to the reception line (Rx line) will do Accordingly, the antenna device of FIG. 1 implements the TDD function by the selective switching operation of the switch S/W.
  • Signal loss may occur in a transmission signal or a reception signal due to such a switching operation, and signal loss may also occur in a process in which the reception signal is transmitted to the rear end of the device through a cable. Such signal loss may cause problems that deteriorate a noise figure (NF) and limit an uplink coverage extension of a wireless communication system.
  • NF noise figure
  • the multi-beam antenna device employs an array antenna composed of antenna modules having a pair of dual polarization antenna elements, and uses one dual polarization antenna element to transmit a radio signal and the other dual polarization antenna element.
  • An antenna element is used to receive a radio signal. Accordingly, the multi-beam antenna device according to the present invention does not require a switching operation that may deteriorate signal loss and noise figure in implementing TDD.
  • the multi-beam antenna device allocates two kinds of orthogonal polarizations to transmission channels so that spatially adjacent transmission beams have different orthogonal polarizations from each other, thereby spatially distributing two kinds of orthogonal polarizations. can be separated into
  • FIGS. 2A to 2D are block diagrams schematically illustrating an exemplary configuration of a multi-beam antenna apparatus capable of implementing the techniques of the present disclosure.
  • the multi-beam antenna device 10 may be an M ⁇ N multiple input/output (MIMO) antenna. Accordingly, the antenna device 10 may have M transmit channels and M receive channels.
  • the antenna device 10 may include a digital processing unit 110 , an RF processing unit 120 , and an array antenna 130 .
  • the digital processing unit 110 includes a fronthaul interface 1110 , a multi-beam former 1120 , a polarization synthesizer 1130 , a polarization allocator 1140 , and a magnitude-phase beam. It may be configured to include a government 1150 and a polarization conversion unit 1160 . Alternatively, as illustrated in FIGS. 2C and 2D , the digital processing unit 110 may include a polarization synthesizing unit 1170 and a polarization allocating unit 1180 instead of the polarization converting unit 1160 .
  • the RF processing unit 120 may be configured to include a plurality of transmit RF chains (radio frequency chains 1210, 1210-1 to 1210-M) and a plurality of receive RF chains 1220, 1220-1 to 1220-M. .
  • the configuration of the antenna device 10 of FIGS. 2A to 2D is an exemplary configuration drawn only for clarity. Any other suitable components of the antenna arrangement 10 may further be used in other embodiments. Each component of such an antenna device 10 typically employs dedicated hardware, for example, using one or more application specific integrated circuits (ASICs), radio frequency integrated circuits (RFICs) and/or field programmable gate arrays (FPGAs). can be implemented. Alternatively, some components may be implemented using software running on programmable hardware or a combination of hardware and software.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • RFICs radio frequency integrated circuits
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • the array antenna 130 may include a plurality of array elements or antenna elements arranged in a plurality of rows and a plurality of columns.
  • each array element may be a dual polarized antenna element having a dual polarization characteristic.
  • Each of the plurality of array elements may be divided into a transmit antenna element and a receive antenna element.
  • the transmit antenna element may be used for transmission of a signal
  • the receive antenna element may be used for reception of a signal.
  • the orthogonal polarization characteristics of the transmit antenna element and the orthogonal polarization characteristics of the receive antenna element may be the same or different from each other.
  • each array element may be a quadruple polarized antenna element having a quadruple polarization characteristic. The polarization characteristics and structure of the array element will be described later with reference to FIGS. 3A to 3D .
  • the antenna device 10 may implement polarization diversity by using orthogonal polarization characteristics provided by the array antenna 130 .
  • the antenna device 10 may allocate dual orthogonal polarization to two transmission channels (or transmission signals) related to each transmission beam.
  • the orthogonal polarization allocated to the transmission channels may be the same as or different from the dual orthogonal polarization characteristic of the transmission antenna element included in the array antenna 130 .
  • the antenna device 10 may generate a transmission beam having an orthogonal polarization different from the orthogonal polarization characteristic of the transmission antenna element through polarization synthesis, and is different from the orthogonal polarization characteristic of the reception antenna element through polarization synthesis of the reception signals.
  • a receive beam corresponding to a different orthogonal polarization may be formed (ie, a signal component corresponding to an orthogonal polarization different from the orthogonal polarization characteristic of the receive antenna element may be generated).
  • the antenna device 10 may spatially separate the two types of orthogonal polarizations by allocating the two types of orthogonal polarizations to the transmission channels so that spatially adjacent beams have different orthogonal polarizations from each other.
  • orthogonal polarizations composed of ⁇ 45 degree linear polarizations and orthogonal polarizations composed of vertical/horizontal (V/H) linear polarizations.
  • V/H vertical/horizontal linear polarizations
  • the techniques are also applicable to combinations of these orthogonal linear polarizations and orthogonal circular polarizations, which consist of left-circle/right-circle polarizations.
  • the polarization synthesizing unit 1130 and the polarization allocating unit 1140 located in the transmission path may also be referred to as the transmission polarization combining unit 1130 and the transmission polarization allocating unit 1140, respectively, and polarization located in the receiving path.
  • the synthesizer 1170 and the polarization allocator 1180 may also be referred to as a receive polarization synthesizer 1170 and a receive polarization allocator 1180, respectively.
  • Transmission signals of the M transmission channels include a multi-beam former 1120 , a polarization synthesizer 1130 , a polarization allocator 1140 , a magnitude-phase corrector 1150 , and transmission RF chains 1210-1 to 1210- M) may be radiated in the form of a beam through the array antenna 130 through the transmission paths.
  • Each of the transmission channels has a corresponding transmission path.
  • the transmission signal may also be referred to as a downlink signal.
  • the transmission path refers to a path through which a transmission signal travels within the antenna device 10 . Accordingly, the transmission path may be referred to as “a path along which a transmission signal travels” or “a path through which a transmission signal is processed”.
  • transmission signals input through the fronthaul interface 1110 may be input to the polarization synthesizing unit 1130 and undergo a polarization synthesizing process.
  • the polarization synthesizing unit 1130 may synthesize four polarization components for each pair of transmission signals to be radiated through a transmission antenna element, which will be described later, and output them to the polarization allocator 1140 .
  • the polarization components output from the polarization synthesizer 1130 may be referred to as “polarized signals”. It should be noted that the polarized wave components synthesized by the polarization combining unit 1130 are fed to the array antenna 130 through subsequent components and radiated in free space, so that the actual polarization is synthesized.
  • the polarization allocator 1140 may determine an orthogonal polarization to be allocated to two transmission channels (or two transmission signals) related to each transmission beam so that spatially adjacent transmission beams have different orthogonal polarizations.
  • the polarization allocator 1140 may output some of the four polarization components synthesized by the polarization synthesizer 1130 to two transmission paths in response to the determined orthogonal polarization wave.
  • the polarization components output to each transmission path are "polarized components of a transmission signal (polarized signals)" or “polarized components of a transmission channel (polarized signals)” or “transmission polarization components (transmission polarized signals)”. may be referred to.
  • the orthogonal polarization of the transmit beam may be determined according to polarization components output from the polarization allocator 1140 and orthogonal polarization characteristics of the transmit antenna element. Polarization synthesis generated in the transmit antenna element according to polarization synthesis and polarization assignment will be described later with reference to FIG. 4 .
  • the polarization component of each transmit signal is applied to the transmit RF chains 1210-1 to 1210-M. It is input to the magnitude-phase correction unit 1150 before reaching M).
  • the magnitude and phase characteristics of an RF transmit path relate to the magnitude and phase changes that an RF signal experiences as it travels the RF transmit path provided by the transmit RF chain.
  • the magnitude-phase compensator 1150 performs a function of compensating for variations in amplitude and phase characteristics between the transmission RF chains 1210-1 to 1210-M. Since the deviation of the magnitude characteristic has insignificant effect on beamforming, in general, it is common to equally calibrate only the phase for all paths. However, since the accuracy of polarization synthesis generated in the antenna array 130 according to the present invention greatly depends on the size and phase of the synthesized radio signals, the correction of the size and phase increases the accuracy of the polarization synthesis.
  • the polarization components of the transmission signal that have undergone the magnitude-phase correction process may be converted into an analog signal in the transmission RF chain 1210 and processed as an RF signal.
  • the transmit RF chain 1210 may include a digital to analog converter (DAC), a filter, a mixer for frequency up-conversion, a power amplifier (PA), and the like.
  • DAC digital to analog converter
  • PA power amplifier
  • a transmission signal converted into analog by RF signal processing in the transmission RF chain 1210 may be radiated in the form of a beam through the array antenna 130 .
  • the multi-beam former 1120 may precode the transmission signals to form a multi-beam in the array antenna 130 .
  • the location of the multi-beam former 1120 on the transmission path of the antenna device 10 may vary depending on whether the weight vector (or precoding matrix) is used in the baseband or the RF band.
  • the multi-beam former 1122 may be positioned prior to the transmission polarization synthesizer 1130 in a signal transmission path.
  • the multi-beam forming unit 1122 performs digital beamforming.
  • the (baseband) digital transmission signals may be converted into a plurality of precoded signals by applying a weight vector or a precoding matrix to the multi-beam former 1122 .
  • the digital transmission signal may be branched into a plurality of signals having different phases and amplitudes according to an applied weight vector.
  • the branched signals may be radiated in the form of a beam by constructively interfering at a specific angle or direction (a direction in which communication resources are to be concentrated) through the array antenna 130 . Accordingly, the direction and shape of the beam may be determined according to the value of the weight vector applied to the digital transmission signal.
  • the multi-beam former 1124 may be located after the transmission RF chain 1210 in the signal transmission process. Accordingly, the multi-beam former 1124 may perform analog beamforming. In this case, the multi-beam former 1124 may branch an analog signal received from each transmit RF chain 1210 into a plurality of paths, and adjust the phase and amplitude of each of the branched signals.
  • the beam former 1124 may include a plurality of phase shifters for adjusting the phase of each of the branched signals and a plurality of power amplifiers for adjusting the amplitude of each of the branched signals. That is, the phase shifter and the power amplifier process the weight vector in the analog domain.
  • Analog signals whose phase and amplitude are adjusted may be radiated in a beam form by constructively interfering at a specific angle or direction through the array antenna 130 .
  • the transmit RF chain 1210 may be removed from the antenna device 10 as its function may be substantially performed by the multi-beam former 1224 composed of analog components.
  • reception signals (or uplink signals) corresponding to the M reception channels are received through the array antenna 130 , the reception RF chain 1220 , the magnitude-phase corrector 1150 , and the polarization converter ( 1160) (alternatively, the reception polarization synthesizer 1170 and the reception polarization allocator 1180) and the multi-beam former 1120 may be processed through reception paths.
  • Each of the receive channels has a corresponding receive path.
  • the received signal may also be referred to as an uplink signal.
  • the reception path refers to a path through which a reception signal travels within the antenna device 10 . Accordingly, the receive path may be referred to as “a path through which a received signal travels” or “a path through which a received signal is processed”.
  • Analog reception signals received through the array antenna 130 may be RF signal-processed in corresponding reception RF chains 1220-1 to 1220-M.
  • Each reception RF chain 1220 may include an analog to digital converter (ADC), a filter, a mixer for frequency downconversion, a low noise amplifier (LNA), and the like.
  • ADC analog to digital converter
  • LNA low noise amplifier
  • the received signal converted into a digital signal through the received RF chain 1220 is subjected to a process of correcting the deviation in magnitude and phase characteristics between the received RF chains 1220 - 1 to 1220 -M in the magnitude-phase corrector 1150 . can be rough
  • the orthogonal polarization of the transmit beam (which is changed by the orthogonal polarization assignment of the transmit polarization allocator 1140) is defined by the orthogonal polarization characteristic of the receive antenna element. ) may be the same as or different from the orthogonal polarization of the received signal.
  • the orthogonal polarization of the transmission beam is different from the orthogonal polarization of the received signal, the radio channel characteristics are different between the uplink and the downlink, so that the downlink/uplink channel reversibility is not established.
  • the antenna device 10 may include a polarization conversion unit 1160 that corrects channel non-reciprocity by using polarization conversion.
  • the polarization converter 1160 may perform polarization conversion on the received signals output from the magnitude-phase corrector 1150 to output polarization-converted signals having the same orthogonal polarization as the orthogonal polarization of the transmission beam.
  • the polarization conversion unit 1160 performs polarization conversion on V/H polarized reception signals. Polarization-converted signals having the same orthogonal polarization ( ⁇ 45 degrees) as the orthogonal polarization of the transmission beam may be output.
  • the polarization converter 1160 is Polarization conversion may not be performed on the received signals.
  • the antenna device 10 includes a polarization synthesizing unit 1170 and a polarization allocating unit 1180 for correcting channel non-reciprocity using polarization synthesis and polarization assignment.
  • a polarization synthesizing unit 1170 and a polarization allocating unit 1180 for correcting channel non-reciprocity using polarization synthesis and polarization assignment.
  • the polarization synthesis unit 1170 may synthesize four polarization components for each pair of reception signals received through each reception antenna element and output them to the polarization allocation unit 1180 .
  • the polarization components output from the polarization combining unit 1170 may be referred to as “polarized signals”.
  • the polarization allocator 1180 may determine an orthogonal polarization to be allocated to two reception channels (or two reception signals) related to each reception antenna element.
  • the polarization allocator 1180 may allocate the same orthogonal polarization as the orthogonal polarization (or orthogonal polarization of the transmission beam) set to the two corresponding transmission channels to the two reception channels.
  • the polarization allocator 1180 corresponds to the determined orthogonal polarization, and among the four polarization components synthesized by the polarization synthesis unit 1170 , two polarizations to be transmitted to a digital unit (DU) through the fronthaul interface 1110 . components can be printed.
  • the polarization components assigned for each receive channel are "polarized components of the receive channel (polarized signals)” or “polarized components of the receive signal (polarized signals)” or “receive polarization components (receive polarized signals)” may be referred to as
  • the polarization allocator ( 1180 may output two polarization components corresponding to ⁇ 45 orthogonal polarization among the four polarization components synthesized by the polarization synthesis unit 1170 .
  • the polarization allocator 1180 may output two polarization components corresponding to the V/H orthogonal polarization from among the four polarization components synthesized by the polarization combining unit 1170 .
  • the received signals may include a plurality of signals, differing in phase and amplitude, corresponding to the associated receive antenna elements.
  • the multi-beam former 1120 may adjust the phases and amplitudes of a plurality of signals, and then add the adjusted signals to generate or restore a received signal.
  • This process may be understood as a reverse process of the process in which the multi-beam former 1120 forms a plurality of signals having different phases and amplitudes from a transmission signal.
  • the multi-beam former 1122 is positioned after the polarization synthesizer 1160 and the reception polarization allocator 1180 in the reception path to perform digital beamforming, or FIG. 2B .
  • FIG. 2B the multi-beam former 1122 is positioned after the polarization synthesizer 1160 and the reception polarization allocator 1180 in the reception path to perform digital beamforming
  • the multi-beam former 1122 may be positioned between the array antenna 130 and the reception RF chain 1220 in the reception path to perform analog beamforming.
  • the receive RF chain 1220 may be removed from the antenna device 10 as its function may also be performed by the multi-beam former 1224 substantially composed of analog components.
  • the so-called “stand-alone base station” includes signal processing functions corresponding to each of a digital unit (DU) and a radio unit (RU) in one physical system, and one physical system is a service target installed in the area.
  • DU digital unit
  • RU radio unit
  • the DU and the RU are physically separated, only the RU is installed in the service target area, and the BBU pool, which is a centralized DU, is each It has a control management function for a plurality of RUs forming an independent cell of
  • the DU is a part responsible for digital signal processing and resource management control functions, and is connected to the core network through a backhaul.
  • the RU is a part in charge of the radio signal processing function. It converts the digital signal received from the DU into a radio frequency signal according to the frequency band and amplifies it, and converts the RF signal received from the antenna into a digital signal and transmits it to the DU.
  • the antenna device 10 may be installed in a stand-alone base station in which the DU and the RU are included in one physical system, or may be installed in an RU in a C-RAN structure in which the DU and the RU are physically separated.
  • the description will be focused on an example in which the antenna device 10 is installed in an RU in a C-RAN structure.
  • the baseband signal may be a signal that has undergone baseband processing such as a scrambling process, a modulation process, and a layer mapping process.
  • the scrambling process corresponds to a process of encrypting a baseband signal using a scrambling signal in order to distinguish a base station or a terminal.
  • the modulation process corresponds to a process of modulating the scrambled signals into a plurality of modulation (modulation) symbols.
  • the scrambled signal is input to a modulation mapper (not shown) through a binary phase shift keying (BPSK), quadrature phase shift keying (QPSK), or 16QAM/64QAM (quadrature amplitude modulation) method according to a signal type and/or a channel state.
  • BPSK binary phase shift keying
  • QPSK quadrature phase shift keying
  • 16QAM/64QAM quadrature amplitude modulation
  • the layer mapping process corresponds to a process of mapping modulation symbols to one or more transport layers in order to separate signals for each antenna. For the modulation symbols obtained through the modulation process, a process of mapping the modulation symbols to resource elements may be further performed.
  • the above processes may be performed in a centralized DU.
  • the above processes may be performed in the DU in the base station.
  • the exchange of signals or data between the DU and the RU is performed through a fronthaul or a fronthaul link.
  • the fronthaul link is a link connecting a DU and an RU in a cellular radio access network.
  • the fronthaul interface 1110 of the antenna device 10 is implemented to conform to standards such as Common Public Radio Interface (CPRI), enhanced CPRI (eCPRI), Open Radio Equipment Interface (ORI), and Open Base Station Architecture Initiative (OBSAI).
  • CPRI Common Public Radio Interface
  • eCPRI enhanced CPRI
  • ORI Open Radio Equipment Interface
  • OBSAI Open Base Station Architecture Initiative
  • the antenna device 10 of the present invention When the antenna device 10 of the present invention is implemented in an RU, the antenna device 10 may be divided into a digital processing unit 110 , an RF processing unit 120 , and an array antenna 130 .
  • the RF processing unit 120 is in charge of analog signal processing for transmission signals and reception signals.
  • the RF processing unit 120 is configured to include the RF chains 1210 and 1220 as shown in FIG. 2A, or includes the RF chains 1210 and 1220 and the multi-beam former 1124 as shown in FIG. 2B. can be
  • the digital processing unit 110 is in charge of digital signal processing for transmission signals and reception signals.
  • the digital processing unit 110 may be implemented as a digital front end (DFE).
  • DFE means replacing the existing analog functional blocks with digital signal processing (DSP) blocks.
  • DSP digital signal processing
  • the digital processing unit 110 may further perform an inverse fast Fourier transform (IFFT) operation and an FFT operation on the polarization-converted signals. Also, the digital processing unit 110 may insert a guard interval to prevent inter-symbol interference (ISI). To this end, the digital processing unit 110 may be configured to further include an IFFT unit (not shown)/FFT unit (not shown) and a cyclic prefix (CP) (not shown).
  • IFFT inverse fast Fourier transform
  • FFT inverse fast Fourier transform
  • Antenna Elements of an Array Antenna
  • 3A to 3D are diagrams for explaining various structures and orthogonal polarization characteristics of the antenna module 1310 that can be employed in the array antenna 130 of the antenna system of the present invention.
  • the antenna module 1310 may include a pair of a transmit antenna element 1312 corresponding to a transmit antenna and a receive antenna element 1314 corresponding to a receive antenna.
  • the transmit antenna element 1312 may be connected to the transmit lines Tx1 and Tx2 to transmit a signal
  • the receive antenna element 1314 may be connected to the receive lines Rx1 and Rx2 to receive a signal.
  • the transmit antenna element 1312 is a double polarized antenna element including two radiating elements having polarization characteristics orthogonal to each other, and the receive antenna element 1314 is also a double polarized wave including two radiating elements having orthogonal polarization characteristics to each other. antenna element.
  • the orthogonal polarization characteristics of the transmit antenna element 1312 and the orthogonal polarization characteristics of the receive antenna element 1314 may be different (eg, refer to (b) and (c) of FIGS. 3A ).
  • the radiating elements included in the transmit antenna element 1312 may have polarization characteristics of +45 degrees and -45 degrees, respectively, and the radiating elements included in the receive antenna element 1314 may have polarization characteristics of V and H, respectively. there is.
  • the radiating elements included in the transmit antenna element 1312 may have polarization characteristics of V and H, respectively, and the radiating elements included in the receive antenna element 1314 may have polarization characteristics of +45 degrees and -45 degrees, respectively.
  • the antenna module 1310 including dual orthogonal polarizations of the transmit antenna element 1312 and the double orthogonal polarization of the receive antenna element 1314, two kinds of orthogonal polarization characteristics can provide
  • the orthogonal polarization characteristics of the transmit antenna element 1312 and the orthogonal polarization characteristics of the receive antenna element 1314 may be identical to each other (refer to (a) and (d) of FIG. 3A ).
  • the transmit antenna element 1312 depending on the polarization components of the transmission signals to be transmitted through the transmission lines Tx1 and Tx2, as described below with reference to FIG. 4 , the transmit antenna element 1312 .
  • a beam radiated from may have a dual orthogonal polarization direction different from a dual polarization characteristic of the transmit antenna element 1312 . Accordingly, even when the antenna module 1310 illustrated in (a) and (d) of FIG. 3A is used, the antenna device 10 may use a different double orthogonal polarization between the transmit beam and the receive beam.
  • the two radiating elements constituting the transmitting antenna element 1312 are disposed to cross each other at the first intersection, and the radiating elements constituting the receiving antenna element 1314 are at the second intersection. They are arranged to cross each other. As the distance between the first intersection point and the second intersection point decreases, the efficiency of the area occupied by the antenna module 1310 increases.
  • a pair of radiating elements constituting the receiving antenna element 1314 are (1) disposed adjacent to the left and upper sides of the transmitting antenna element 1312 (see (a) of FIG. 3b ), ( 2) disposed adjacent to the left and lower sides of the transmit antenna element 1312 (refer to (b) of FIG. 3B ), (3) disposed adjacent to the right and upper sides of the transmit antenna element 1312 (FIG. 3b ((b)) c)) and (4) adjacent to the right and lower sides of the transmit antenna element 1312 (see (d) of FIG. 3B ).
  • a pair of radiating elements constituting the transmit antenna element 1312 are (1) disposed adjacent to the upper left and lower left sides of the receive antenna element 1314 (see (a) of FIG. 3C ) , (2) disposed adjacent to the lower left and lower right sides of the transmitting antenna element 1314 (see (b) of FIG. 3C ), or (3) disposed adjacent to the upper left and right sides of the receiving antenna element 1314 . or (refer to (c) of FIG. 3c) or (4) disposed adjacent to the upper right and lower right sides of the receiving antenna element 1314 (refer to (d) of FIG. 3C).
  • one antenna element 1312 or 1314 is disposed adjacent to the side of the other antenna element 1314 or 1312 , so the antenna shown in FIG. 3A .
  • An improved area efficiency compared to the module 1310 may be provided to the array antenna 130 .
  • improvement in area efficiency may lead to convenience in manufacturing, installation, and maintenance.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining polarization synthesis and polarization assignment performed in relation to one transmit antenna element according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a receive antenna element and one receiving antenna element according to an embodiment of the present invention
  • It is a conceptual diagram for explaining polarization synthesis and polarization assignment performed in relation to each other.
  • the transmit polarization synthesizer 1130 may synthesize and output four different polarization components from two transmit signals to be transmitted through one transmit antenna element 1312 .
  • the transmission polarization synthesizer 1130 generates different polarization components (“S1”, “S2”, “S1 + S2”, and “S1 + S2e j ⁇ ”) from the transmission signals S1 and S2. ) can be synthesized and printed.
  • “S1” and “S2” are used to generate beams having the same polarization direction as the polarization characteristic of the transmit antenna element 1312
  • “S1 + S2” and “S1 + S2e j ⁇ " are the transmit antenna elements (1312) is used to generate beams having a different polarization direction than the polarization characteristic of (1312).
  • composition of the polarization components performed by the transmit polarization synthesizer 1130 may be implemented through the matrix operation of Equation 1 below.
  • Equation 1 above denotes a PVCD (polarization vector composition-decomposition) matrix.
  • the elements of the third row and the elements of the fourth row of the PD matrix are A scale factor may be applied to . scale factor is can be
  • the transmit polarization allocator 1140 is configured to be radiated through two radiating elements of the transmit antenna element 1312 from among the four polarization components of the transmit signals S1 and S2 output from the transmit polarization synthesizer 1130 .
  • Polarization components can be output to two transmission paths.
  • the transmission polarization assignment unit 1140 (1) “S1” and “S2” “ (refer to (a) of FIG. 4) or (2) “S1 + S2” and “S1 + S2e j ⁇ “ (refer to (b) of FIG. 4).
  • beams emitted from the transmit antenna element 1312 having a ⁇ 45 degree orthogonal polarization characteristic may have a ⁇ 45 degree orthogonal polarization or V/H orthogonal polarization.
  • the polarization component “S1” radiated through the radiating element having a +45° polarization characteristic is +45°
  • a beam pattern having a polarization is formed, and the polarization component “S1” radiated through a radiation element having a -45° polarization characteristic forms a beam pattern having a -45° polarization. That is, the transmit antenna element 1312 having a ⁇ 45° orthogonal polarization characteristic forms a beam pattern having a ⁇ 45° orthogonal polarization.
  • the first beam radiated through the radiation element having the +45 ⁇ polarization characteristic has a +45 ⁇ polarization orientation
  • the radiating element has the -45 ⁇ polarization characteristic.
  • the second beam emitted through the beam has a -45° polarization direction, and thus the first beam and the second beam are combined to obtain a composite beam having a V polarization direction.
  • the third beam emitted through the radiation element having the +45 ⁇ polarization characteristic has a +45 ⁇ polarization direction
  • the fourth beam is emitted through the radiation element having the -45 ⁇ polarization characteristic. It has this "-45 ⁇ + ⁇ " polarization direction, and thus the third beam and the fourth beam are combined to obtain a combined beam having a V polarization direction.
  • the orthogonal polarization directions of the reception signals a and b are determined by the orthogonal polarization characteristics of the reception antenna element 1314 . do.
  • the dual polarization characteristic of the receiving antenna element 1314 is V/H orthogonal polarization
  • the received signals have V/H orthogonal polarization.
  • the received signal (a) captured by the radiating element having the V polarization of the receiving antenna element 1314 is the S1 signal component S1 (V) of the V polarization and
  • the received signal (b) comprising the S2 signal component S2(V) of V polarization and captured by the radiating element having H polarization is S1 signal component S1(H) of H polarization and S2 signal component S2(H) of H polarization ) is included.
  • the reception polarization synthesizer 1170 may synthesize and output four different polarization components from the two reception signals a and b received by one reception antenna element 1314 .
  • the polarization component synthesis performed by the receive polarization synthesizer 1170 may be implemented through the matrix operation of Equation (1).
  • the reception polarization synthesizer 1170 receives different polarization components “a”, “b”, “a +” from the reception signals a and b for the RF signals S1 and S2.
  • b" and "a + be j ⁇ ") can be synthesized and output.
  • a” and “b” are polarization components having the same polarization direction as the polarization characteristic of the reception antenna element 1314
  • “a + b” and “a + be j ⁇ ” are the polarization characteristics of the reception antenna element 1314 .
  • the polarization component “a” has an S1 signal component S1(V) of the V polarization and an S2 signal component S2(V) of the V polarization
  • the polarization component “b” is an S1 signal component S1(H) of the H polarization and It has an S2 signal component S2(H) of H polarization.
  • the polarization component "a + b" is (1) the S1 signal component S1(V) of the V polarization and the S1 signal component S1(H) of the H polarization are synthesized.
  • the S1 signal component S1 of the +45 ⁇ polarization (+45 ⁇ ) ) and (2) S2 signal component S2(V) of V polarization and S2 signal component S2(H) of H polarization have S2 signal component S2(+45 ⁇ ) of +45 ⁇ polarization synthesized.
  • the polarization component "a + be j ⁇ " is (1) S1 signal component of -45 ⁇ polarization, in which S1 signal component S1(V) of V polarization and S1 signal component S1(H+ ⁇ ) of H+ ⁇ polarization are synthesized S1(-45 ⁇ ) and (2) V polarization S2 signal component S2(V) and H+ ⁇ polarization S2 signal component S2(H+ ⁇ ) synthesized -45 ⁇ polarization S2 signal component S2(-45) ⁇ ) has
  • the reception polarization allocator 1180 may output two polarization components from among the polarization components of the reception signals a and b output from the reception polarization synthesis unit 1170 to two reception paths.
  • the reception polarization allocator 1180 may include (1) “a” and “ b" (refer to (a) of FIG. 5) or (2) "a + b" and "a + be j ⁇ " (refer to (b) of FIG. 5).
  • the antenna device 10 integrally performs polarization synthesis and polarization allocation for all transmission signals or transmission channels, one transmission polarization combining unit 1130 and one transmission polarization allocation It is illustrated as including the unit 1140 .
  • the antenna device 10 includes a plurality of transmission polarization synthesis units and a plurality of transmission polarization allocation units that perform polarization synthesis and polarization allocation on transmission signals or transmission channels related to each transmission beam. It may be configured to Similarly, the antenna device 10 may be configured to include a plurality of receive polarization synthesizers and a plurality of receive polarization allocators. An example of such a configuration is shown in FIG. 6 .
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating an exemplary structure for performing polarization synthesis and polarization allocation on transmission signals in an antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna device may be configured to include a plurality of polarization combining units 1130-1 to 1130-M, a plurality of polarization assignment units 1140-1 to 1140-M, and a polarization assignment control unit 1142 .
  • the polarization allocation control unit 1142 integrally manages the polarization allocation of the transmission signals performed by the plurality of transmission polarization synthesizers 1130-1 to 1130-M.
  • the polarization allocation controller 1142 may determine orthogonal polarization for each of the transmission channels based on the number of beams and orthogonal polarization of the reference beam.
  • the number of beams means the number of beams to be generated using the array antenna 130
  • the reference beam is any one predefined among multiple beams (eg, a first transmission channel among M transmission channels). and a transmission beam associated with the second transmission channel).
  • the polarization allocation controller 1142 may determine the orthogonal polarization for each of the transmission channels so that neighboring transmission beams from among the plurality of transmission beams have different orthogonal polarizations.
  • the polarization allocation control unit 1142 may generate allocation control signals for controlling allocation of orthogonal polarization to transmission channels.
  • the polarization allocation control unit 1142 may transmit allocation control signals to the polarization allocation units 1140-1 to 1140-M.
  • Each of the polarization allocators 1140-1 to 1140-M is configured to correspond to the orthogonal polarization indicated by the allocation control signal among the four polarization components generated by the corresponding polarization synthesizers 1130-1 to 1130-M. Polarization components can be output.
  • the polarization components output by each of the polarization allocators 1140-1 to 1140-M are supplied to the corresponding transmit antenna element 1312 through subsequent components.
  • Transmission signals to which the orthogonal polarization is allocated may be radiated as beams in different directions in free space through the transmission antenna elements 1312 .
  • Such spatial polarization separation may be performed in one or more directions among a horizontal direction and a vertical direction.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining spatial separation of polarized waves in a horizontal direction and a vertical direction provided by the antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna device 10 may form c beams separated in the horizontal direction corresponding to c sectors by using the array antenna 130 , and the c sectors It is possible to form d beams separated in the vertical direction for each. That is, the antenna device 10 may provide 3D beamforming. The number of beams spatially separated in the vertical direction for each sector may be the same or different. Accordingly, the coverage area of the antenna device 10 may be divided into a maximum of c ⁇ d subsectors.
  • the horizontally separated beams have different orthogonal polarizations between adjacent beams (ie, spatial polarization separation in the horizontal direction), so the correlation between horizontally adjacent beams may be sufficiently small.
  • vertically separated beams have different orthogonal polarizations between adjacent beams (ie, vertical spatial polarization separation), and the correlation between vertically adjacent beams may be sufficiently small.
  • beams having the same orthogonal polarization between adjacent sectors eg, the first beam of the first sector and the second beam of the second sector
  • the antenna device 10 improves the correlation between orthogonal polarizations by allocating different orthogonal polarizations between beams spatially adjacent to each other, so that two kinds of orthogonal polarizations (ie, four different polarizations) provide It is possible to implement polarization reuse that can fully use the efficiency of polarization diversity.
  • polarization reuse is inspired by frequency reuse.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining temporal polarization separation provided by the antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna device 10 allocates two types of orthogonal polarizations to a transmission channel and a reception channel so that a transmission beam and a reception beam formed in the same direction have different orthogonal polarizations. Polarizations can be separated in time.
  • a region Tx indicated by hatching indicates a time period in which a signal is transmitted through the transmit antenna element 1312
  • an area Rx not indicated by a hatching indicates a signal is received through the receiving antenna element 1314 . represents the time interval.
  • an orthogonal polarization of ⁇ 45 degrees is used during the transmission time interval, and vertical/horizontal orthogonal polarization is used during the reception time interval, so that different orthogonal polarizations are temporally separated.
  • an orthogonal polarization of ⁇ 45 degrees may be used during the receive time interval and a vertical/horizontal orthogonal polarization may be used during the transmit time interval.
  • orthogonal polarization characteristics between a transmit antenna element and a receive antenna element used for TDD operation may be different from each other, and thus the orthogonal polarization used for signal transmission and signal reception is may be different from each other.
  • channel reversibility is the premise that the channel characteristics of the downlink channel and the uplink channel are the same in the same frequency band. That is, channel reversibility refers to a property in which a downlink channel and an uplink channel have similar characteristics to each other.
  • channel reversibility is used, it is possible for the base station to obtain a downlink channel response using the uplink channel response, or for the terminal to obtain an uplink channel response using the downlink channel response. Accordingly, it can be said that the channel reversibility is the greatest advantage of the Time Division Duplexing (TDD) scheme compared to the Frequency Division Duplexing (FDD) scheme.
  • TDD Time Division Duplexing
  • FDD Frequency Division Duplexing
  • FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining a channel non-reciprocity problem that may occur when an antenna device uses a different double polarization between signal transmission and signal reception.
  • the antenna device uses spatial polarization separation and temporal polarization separation. Accordingly, orthogonal polarization of a transmission beam formed toward a certain spatial direction may be different from orthogonal polarization characteristics of a receiving antenna element used to receive a radio signal from that spatial direction. For example, for a certain spatial direction, the transmit beam may have orthogonal polarization of ⁇ 45° and the receive antenna element may have orthogonal polarization of H/V. As another example, the transmit beam may have orthogonal polarization of H/V, and the receive antenna element may have orthogonal polarization of ⁇ 45°.
  • the radio channel characteristics are different between the uplink and the downlink, and thereby channel reversibility between the downlink/uplink is not established. That is, channel non-reversibility occurs.
  • This non-establishment of channel reversibility occurs when beamforming is not performed or CSI-RS (channel state information-reference signal) transmitted by a base station (gNB) to a terminal (UE) in 5G NR It is not a problem when performing beamforming based on . However, in the case of performing beamforming based on a sounding reference signal (SRS), non-establishment of channel reversibility may deteriorate the performance of the antenna device.
  • SRS sounding reference signal
  • the SRS is an uplink reference signal transmitted by the UE to the base station gNB to estimate the state of the uplink channel.
  • the UE periodically or aperiodically transmits the SRS to the base station gNB to uplink Channel status information can be reported.
  • the base station gNB may obtain channel state information (CSI) of an uplink channel through the received SRS, and may determine a weight vector for downlink beamforming by using the obtained CSI.
  • CSI channel state information
  • the performance of the antenna device may be deteriorated when the weight vector obtained by using the SRS is used for downlink beamforming.
  • the antenna device 10 matches the orthogonal polarization of the received signals to the orthogonal polarization of the transmission channels (or the transmission beam) through signal processing of the received signals. Correct the channel non-reciprocity (ie, ensure the channel reversibility).
  • the channel non-reciprocity correction can be achieved by polarization conversion of the polarization converting unit 1160, alternatively by polarization synthesis and polarization assignment of the polarization combining unit 1170 and the polarization allocating unit 1180.
  • polarization conversion of the polarization converting unit 1160 alternatively by polarization synthesis and polarization assignment of the polarization combining unit 1170 and the polarization allocating unit 1180.
  • exemplary structures for correcting channel non-reciprocity and an operation thereof will be described with reference to FIGS. 10A, 10B, 10C, and 10D.
  • the exemplary structure of FIG. 10 includes a polarization conversion unit 1160 that performs a function of correcting channel non-reciprocity.
  • the channel ratio/reversibility correction is need.
  • two digital transmission signals to which ⁇ 45° orthogonal polarization is assigned are fed to the transmission antenna element 1312 through RF signal processing of the transmission RF chain 1210 .
  • the transmit antenna element 1312 has a ⁇ 45° orthogonal polarization characteristic, and radio waves of the downlink channel have ⁇ 45° orthogonal polarization.
  • the reception antenna element 1314 receives the radio wave of the uplink channel and outputs an analog reception signal.
  • the reception antenna element 1314 has a V/H orthogonal polarization characteristic, and the analog reception signal corresponds to a V/H orthogonal polarization component of a radio wave.
  • the analog reception signals are converted into digital reception signals through RF signal processing of the reception RF chain 1220 .
  • the polarization converter 1160 outputs polarization-converted signals having the same orthogonal polarization as the orthogonal polarization of the downlink channel by performing polarization conversion on the digital reception signals.
  • the polarization conversion performed by the polarization conversion unit 1160 may be implemented through the matrix operation of Equation 2 below.
  • a and b are digital reception signals input to the polarization converter 1160 .
  • a+b and a+be j ⁇ are polarization-converted reception signals output from the polarization conversion unit 1160 .
  • PD polarization decomposition
  • a scale factor may be applied to all elements in the PD matrix. scale factor is can be
  • the polarization conversion unit 1160 outputs the input digital reception signals as they are without polarization conversion.
  • the function of correcting the channel non-reciprocity is implemented by the polarization assignment control unit 1142 , the reception polarization synthesis unit 1170 , and the reception polarization wave assignment unit 1180 .
  • the orthogonal polarization characteristic (V/H) of the receiving antenna element 1314 is different from the orthogonal polarization ( ⁇ 45°) of the radio wave (or transmit beam) of the downlink channel, the channel ratio/reversibility correction is need. Accordingly, the orthogonal polarization is different between the signals input to the receive polarization synthesizer 1170 and the signals output from the receive polarization allocator 1180 .
  • the reception polarization synthesizing unit 1170 generates four polarization components with respect to a pair of transmission signals, and in response to a control signal from the polarization allocation control unit 1142 , the reception polarization allocation unit 1140 is Outputs two polarization components corresponding to ⁇ 45 ⁇ orthogonal polarization.
  • the two polarization components are fed to the transmit antenna element 1312 via the transmit RF chain 1210 .
  • the transmit antenna element 1312 has a ⁇ 45° orthogonal polarization characteristic, and a radio wave (or a transmit beam) of a downlink channel has a ⁇ 45° orthogonal polarization.
  • the receive antenna element 1314 receives the radio wave of the uplink channel and outputs two analog receive signals.
  • the reception antenna element 1314 has a V/H orthogonal polarization characteristic, and two analog reception signals correspond to V/H orthogonal polarization components of radio waves.
  • the two analog receive signals are converted into two digital receive signals through RF signal processing of the receive RF chain 1220 .
  • the reception polarization synthesizer 1170 may synthesize four orthogonal polarization components from two digital reception signals.
  • the polarization assignment control unit 1142 selects the same orthogonal polarization (ie, ⁇ 45° orthogonal polarization) as the orthogonal polarization selected for the transmission polarization assignment unit 1140, and indicates the selected orthogonal polarization. and transmits an allocation control signal to the reception polarization allocation unit 1180 .
  • the reception polarization allocator 1180 outputs two polarization components corresponding to the orthogonal polarization (ie, ⁇ 45° orthogonal polarization) indicated by the allocation control signal from among the four orthogonal polarization components.
  • the orthogonal polarization characteristic (V/H) of the receiving antenna element 1314 matches the orthogonal polarization (V/H) of the radio wave (or transmit beam) of the downlink channel, the channel ratio/reciprocity correction is It is not necessary. Accordingly, the orthogonal polarization does not change between the signals input to the receive polarization synthesizer 1170 and the signals output from the receive polarization allocator 1314 .
  • the reception polarization allocation unit 1140 in response to the control signal of the polarization allocation control unit 1142 , the reception polarization allocation unit 1140 outputs two polarization components corresponding to V/H orthogonal polarization waves.
  • the two polarization components are fed to the transmit antenna element 1312 via the transmit RF chain 1210 .
  • the transmit antenna element 1312 has a ⁇ 45° orthogonal polarization characteristic, and a radio wave (or a transmit beam) of a downlink channel has a V/H orthogonal polarization by polarization synthesis.
  • the receive antenna element 1314 receives the radio wave of the uplink channel and outputs two analog receive signals.
  • the reception antenna element 1314 has a V/H orthogonal polarization characteristic, and two analog reception signals correspond to V/H orthogonal polarization components of radio waves.
  • the two analog receive signals are converted into two digital receive signals through RF signal processing of the receive RF chain 1220 .
  • the reception polarization synthesizer 1170 may synthesize four orthogonal polarization components from two digital reception signals.
  • the polarization assignment control unit 1142 selects the same orthogonal polarization (ie, V/H orthogonal polarization) as the orthogonal polarization selected for the transmission polarization assignment unit 1140 , and transmits an assignment control signal indicating the selected orthogonal polarization to the reception polarization assignment unit Send to (1180).
  • the reception polarization allocator 1180 outputs two polarization components corresponding to the orthogonal polarization (ie, V/H orthogonal polarization) indicated by the allocation control signal from among the four orthogonal polarization components.
  • the antenna device 10 performs polarization conversion or polarization synthesis and polarization allocation on the received signals input from the receiving antenna element 1314, and thus the downlink channel (or of the transmit beam).
  • signal components corresponding to the same orthogonal polarization as the orthogonal polarization of the transmission channels may be output. Accordingly, the channel non-reciprocity between the uplink channel and the downlink channel can be corrected, and accordingly, the transmission beamforming performed based on the state information (CSI) of the uplink channel estimated from the SRS received through the uplink channel. Performance degradation can be prevented.
  • CSI state information
  • channel non-reciprocity is corrected through signal processing on received signals in the antenna device 10 implemented in the RU, channel reversibility can be secured in the DU.
  • the magnitude-phase compensator 1150 may correct a variation in magnitude and phase variation of a polarization wave generated while RF signals travel through RF paths.
  • the magnitude-phase correction unit 1150 may be implemented as one component that integrally performs magnitude and phase correction on a plurality of transmission/reception signals or transmission/reception channels, and alternatively, a plurality of transmission/reception channels. It may consist of a plurality of modules that individually perform magnitude and phase correction for each of the received signals or transmit/receive channels.
  • the magnitude and phase correction may be applied to all RF paths, but may be applied to transmission paths requiring polarization synthesis among a plurality of RF transmission paths and receiving paths requiring channel non-reciprocity correction among a plurality of RF receiving paths. It may be selectively applied only to
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating an exemplary structure for performing transmission polarization synthesis calibration in an antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • the magnitude-phase correction unit 1150 may include a correction controller 1152 and a plurality of correction execution units 1154 .
  • the correction control unit 1152 integrally manages magnitude and phase correction performed for a plurality of transmission channels.
  • the correction control unit 1152 compares “polarization components output from the transmission polarization assignment unit 1140” with “polarization components output from the transmission RF chain 1210” to be performed by the correction execution unit 1154 .
  • a correction control signal for controlling correction of magnitude and phase may be generated.
  • the correction control signal may include a magnitude value and a phase value to be compensated.
  • the correction control unit 1152 may transmit a correction control signal to each correction execution unit 1154 .
  • Each correction execution unit 1154 may perform magnitude and phase correction based on the correction control signal.
  • the size and Phase correction may be applied.
  • the correction control unit 1152 does not transmit a correction control signal to the associated correction execution unit 1154, or the magnitude value and the phase value to be compensated are 0 (zero), respectively.
  • the correction control signal set to ? may be transmitted to the relevant correction execution unit 1154 .
  • the correction control unit 1152 does not transmit the correction control signal to the correction execution unit 1154-1 or transmits the correction control signal in which the magnitude value and the phase value to be compensated are set to 0 (zero), respectively, to the correction execution unit 1154 - 1 1) can be sent to
  • the polarization allocator 1140 -E outputs the polarization components “i + j” and “i + je j ⁇ ” to the two transmission channels, respectively, the transmission beam emitted from the related transmission antenna element 1312 is polarized.
  • the correction control unit 1152 compares the polarization components output from the "transmission polarization allocation unit 1140-E and the polarization components output from the transmission RF chains 1210 E-1 and 1210 E-2, and transmits It is possible to calculate a deviation between the RF chains 1210 E-1 and 1210 E-2 and generate a correction control signal for controlling the correction of magnitude and phase to be performed by the correction execution unit 1154-E.
  • the correction execution unit 1154-E adjusts the magnitude and phase of the polarization components output from the transmission polarization allocator 1140-E based on the correction control signal, and adjusts the transmit RF chain 1210 E-1 and the transmit RF chain. It is possible to compensate for variations in the magnitude and phase characteristics of the RF path between (1210 E-2).
  • the structure illustrated in FIG. 12 and the method of operation thereof may be equally applied to compensating for deviations in size and phase characteristics of RF paths between receiving RF chains 1210-1 to 1210-M.
  • a multi-beam antenna apparatus includes an array antenna including transmit antenna elements used to form a plurality of transmit beams and receive antenna elements used to form a plurality of receive beams.
  • the multi-beam antenna apparatus may generate a plurality of transmission polarization components from transmission signals corresponding to a pair of transmission channels related to each transmission beam (S1310).
  • the multi-beam antenna apparatus includes a pair of transmit beams corresponding to a first orthogonal polarization among the plurality of transmit polarization components for a pair of transmit channels related to each transmit beam so that spatially adjacent transmit beams have different orthogonal polarizations.
  • a pair of transmission polarization components or a pair of transmission polarization components corresponding to the second orthogonal polarization may be output ( S1320 ).
  • a transmit beam having the first orthogonal polarization may be formed (ie, polarization synthesis occurs). I never do that).
  • a transmission beam having the second orthogonal polarization may be formed by polarization synthesis.
  • the multi-beam antenna apparatus may adjust magnitudes and phases of the pair of transmission polarization components to correct deviations in magnitude and phase characteristics between a pair of transmission paths corresponding to a pair of transmission channels associated with each transmission beam. There is (S1330).
  • Correcting the deviation in magnitude and phase characteristics between the transmission paths may be performed only when the transmission beam has an orthogonal polarization different from the orthogonal polarization characteristics of the transmission antenna elements by polarization synthesis. That is, when orthogonal polarization of a given transmit beam is different from orthogonal polarization characteristics of related transmit antenna elements, the multi-beam antenna apparatus is configured to correct deviations in magnitude and phase characteristics between a pair of transmit paths related to the given transmit beam. For this purpose, the magnitude and phase may be adjusted for a pair of transmit polarization components.
  • the multi-beam antenna device does not correct deviations in magnitude and phase characteristics between a pair of transmit paths related to the given transmit beam. it may not be
  • the multi-beam antenna device includes a pair of reception paths output from a pair of reception paths in order to correct deviations in magnitude and phase characteristics between a pair of reception paths corresponding to a pair of reception channels associated with each reception beam.
  • the magnitude and phase of the signals may be adjusted (S1340).
  • Correcting the deviation of magnitude and phase characteristics between the receiving paths is performed by using a pair of input from a receiving antenna element having an orthogonal polarization characteristic different from the orthogonal polarization characteristic of the corresponding transmission beam (thus requiring channel non-reciprocity correction). It can be performed only on received signals. Accordingly, when orthogonal polarization characteristics of receive antenna elements associated with a given receive beam are different from orthogonal polarization of a transmit beam that is spatially formed toward the same direction, the multi-beam antenna device performs a pair of receive signals associated with the given receive beam. The magnitude and phase of a pair of received signals may be adjusted in order to compensate for variations in magnitude and phase characteristics between paths.
  • the multi-beam antenna device performs a pair of receive signals related to the given receive beam. Deviations in magnitude and phase characteristics between paths may not be corrected.
  • the multi-beam antenna apparatus may perform channel non-reciprocity correction on reception signals corresponding to a pair of reception channels related to each reception beam ( S1350 ).
  • the multi-beam antenna device as part of performing the channel non-reciprocity correction ( S1350 ), the multi-beam antenna device, from the received signals corresponding to a pair of receive channels associated with each receive beam, spatially and to generate polarization-converted signals corresponding to orthogonal polarization of a transmission beam formed in the same direction.
  • the multi-beam antenna device polarizes a pair of reception signals input from a reception antenna element having an orthogonal polarization characteristic different from the orthogonal polarization characteristic of a corresponding transmission beam (thus requiring channel non-reciprocity correction). Transformation may be performed to output a pair of receive polarization components corresponding to orthogonal polarizations of transmit beams that are spatially formed toward the same direction.
  • the multi-beam antenna device includes a plurality of receive polarization components from receive signals corresponding to a pair of receive channels associated with each receive beam. can create In addition, the multi-beam antenna device, for a pair of reception channels related to each reception beam, from among the plurality of reception polarization components, corresponding to orthogonal polarizations of the transmission beams spatially formed toward the same direction, a pair of It is possible to output the receive polarization components.

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Abstract

편파 빔들의 시간적/공간적 분리와 채널 비-가역성 보정 방법 및 이를 이용한 다중 빔 안테나 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 다중 빔 안테나 장치는 복수의 송신 빔을 형성하기 위해 사용되는 송신 안테나 엘리먼트들과 복수의 수신 빔을 형성하기 위해 사용되는 수신 안테나 엘리먼트들을 포함하는 어레이 안테나를 구비한다. 다중 빔 안테나 장치는 서로 다른 2종의 직교 편파를 이용하여, 편파 빔들을 시간적으로 그리고 공간적으로 분리하는 한편, 시간적인 편파 분리로 인해 발생하는 채널 비-가역성을 보정한다.

Description

편파 빔들의 시간적/공간적 분리와 채널 비-가역성 보정을 위한 방법 및 이를 이용한 다중 빔 안테나 장치
본 발명은 일반적으로 셀룰러 통신 시스템에서 사용될 수 있는 안테나 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 편파 빔들(polarized beams)을 시간적으로 그리고 공간적으로 분리(separation)하고, 편파 분리로 인해 발생하는 채널 비-가역성을 보정(correction)하는 방법 및 이를 이용한 안테나 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
4G(4세대) 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G(5세대) 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다.
이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후(Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE(Long Term Evolution) 시스템 이후(Post LTE) 시스템이라 불리어지고 있다.
높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역(예를 들어, 60기가(60GHz) 대역)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실을 완화시키고 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 매시브 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중 입출력(Full Dimensional MIMO, FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 및 대규모 안테나(large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다.
또한, 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀(advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud radio access network, cloud RAN), 초고밀도 네트워크(ultra-dense network), 기기 간 통신(Device to Device communication, D2D), 무선 백홀(wireless backhaul), 이동 네트워크(moving network), 협력 통신(cooperative communication), CoMP(Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거(interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다.
이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation, ACM) 방식인 FQAM(Hybrid Frequency Shift Keying and Quadrature Amplitude Modulation) 및 SWSC(Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(Non Orthogonal Multiple Access), 및 SCMA(Sparse Code Multiple Access) 등이 개발되고 있다.
5G 통신 시스템은, 초고주파 대역(예: mmWave)의 특성으로 인한 경로 손실의 문제를 극복하기 위해, 빔포밍 기법을 이용하여 신호 이득을 높이도록 운용되고 있다.
본 발명의 일 측면은, 2종의 상이한 직교 편파들을 이용하여, 편파 빔들을 시간적으로 그리고 공간적으로 분리하는 한편, 편파 분리로 인해 발생하는 채널 비-가역성을 보정하는 방법 및 이를 이용한 다중 빔 안테나 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 2종의 직교 편파들을 이용하는 다중 빔 안테나 장치에 의해 수행되는 방법을 제공한다. 상기 다중 빔 안테나 장치는 복수의 송신 빔을 형성하기 위해 사용되는 송신 안테나 엘리먼트들과 복수의 수신 빔을 형성하기 위해 사용되는 수신 안테나 엘리먼트들을 포함하는 어레이 안테나를 구비한다.
상기 방법은, 각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 채널에 대응되는 송신 신호들로부터 복수의 송신 편파 성분들을 생성하는 단계와, 공간적으로 인접한 송신 빔들이 서로 상이한 직교 편파를 가지도록, 각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 채널에 대해, 상기 복수의 송신 편파 성분들 중에서 제1 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들 또는 제2 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들을 출력하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 채널 비-가역성을 보정하기 위해, 각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대응되는 수신 신호들로부터 복수의 수신 편파 성분들을 생성하는 단계와, 각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대해, 상기 복수의 수신 편파 성분들 중에서, 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파에 대응하는, 한 쌍의 수신 편파 성분들을 출력하는 단계를 더 포함한다. 대안적으로, 상기 방법은 채널 비-가역성을 보정하기 위해, 각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대응하는 수신 신호들로부터, 각 수신 빔과 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파에 상응하는 편파 변환된 신호들을 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 2종의 직교 편파들을 이용하는 다중 빔 안테나 장치를 제공한다. 상기 안테나 장치는 복수의 송신 빔을 형성하기 위해 사용되는 송신 안테나 엘리먼트들과 복수의 수신 빔을 형성하기 위해 사용되는 수신 안테나 엘리먼트들을 포함하는 어레이 안테나와, 각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 채널에 대응되는 송신 신호들로부터 복수의 송신 편파 성분들을 생성하는 송신 편파 합성부와, 공간적으로 인접한 송신 빔들이 서로 상이한 직교 편파를 가지도록, 각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 채널에 대해, 상기 복수의 송신 편파 성분들 중에서 제1 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들 또는 제2 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들을 출력하는 송신 편파 할당부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 안테나 장치는, 채널 비-가역성을 보정하기 위해, 각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대응되는 수신 신호들로부터 복수의 수신 편파 성분들을 생성하는 수신 편파 합성부와, 각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대해, 상기 복수의 수신 편파 성분들 중에서, 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파에 대응하는, 한 쌍의 수신 편파 성분들을 출력하는 수신 편파 할당부를 더 포함한다. 대안적으로, 상기 안테나 장치는, 각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대응하는 수신 신호들로부터, 각 수신 빔과 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파에 상응하는 편파 변환된 신호들을 생성하는 편파 변환부를 더 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 송신 안테나 엘리먼트들과 수신 안테나 엘리먼트들을 포함하는 어레이 안테나를 채용함으로써, 본 발명에 따른 안테나 장치는 TDD(Time Division Duplexing)를 구현함에 있어서 신호 손실 및 NF(noise figure, 잡음 지수)를 악화시킬 수 있는 스위칭 동작을 필요로 하지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 안테나 장치는 다중 빔들을 공간 상에서 다양한 방향으로 분리할 수 있으므로 셀 커버리지를 확장시킬 수 있고, 다중 빔들의 편파 분리(즉, 공간적인 편파 분리)를 통해 빔들 간의 상관관계를 감소시킬 수 있으므로 통신 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 안테나 장치는, 수신 안테나 엘리먼트로부터 입력되는 수신 신호들에 대해 편파 변환(conversion)을 수행하거나 편파 합성(composition) 및 편파 할당을 수행함으로써, 공간적인 그리고 시간적인 편파 분리로 인한 발생하는 업링크 채널과 다운링크 채널 사이의 채널 비-가역성을 보정할 수 있다.
도 1은 종래의 안테나 장치에서 발생하는 NF 악화 문제를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a 내지 도 2d는 각각 본 개시의 기술들을 구현할 수 있는 안테나 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 안테나 시스템에서 채용될 수 있는 안테나 모듈에 대한 다양한 예들을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 송신 안테나 엘리먼트와 관련하여 수행되는 편파 합성 및 편파 할당을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 수신 안테나 엘리먼트와 관련하여 수행되는 편파 합성 및 편파 할당을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치에서 송신 신호들에 대한 편파 합성 및 편파 할당을 수행하기 위한 예시적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치가 제공하는 수평 방향과 수직 방향으로의 공간적인 편파 분리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치가 제공하는 시간적인 편파 분리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 신호의 송신과 신호의 수신 간에 상이한 이중 편파를 사용하는 경우에 발생할 수 있는 채널 비-가역성(channel non-reciprocity) 문제를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 편파 변환을 이용하여 채널 비-가역성을 보정하기 위한 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 편파 합성 및 편파 할당을 이용하여 채널 비-가역성을 보정하기 위한 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치에서 송신 편파 합성 캘리브레이션을 수행하기 위한 예시적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 사중 편파를 이용하는 다중 빔 안테나 장치에 의해 수행되는 방법을 도시한 흐름도이다.
[부호의 설명]
10: 다중 빔 안테나 장치
110: 디지털 처리부 120: RF 처리부
130: 어레이 안테나 1310: 안테나 모듈
1312: 송신 안테나 엘리먼트
1314: 수신 안테나 엘리먼트
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함", "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 종래의 안테나 장치에서 발생하는 NF 악화 문제를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1에 나타낸 TDD 방식으로 동작하는 종래의 안테나 장치는 안테나(ANT), 필터(Filter), 스위치(S/W), PA, LNA, AD 컨버터(미도시) 및, (FPGA로 구현되는) 디지털 신호 처리기(미도시) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
안테나(ANT)는 복수 개의 안테나 모듈들이 어레이(array)된 형태를 가질 수 있으며, 각 안테나 모듈은 서로 수직하는 기하학적 방향(orientation)을 가진(즉, 서로 직교하는 편파 특성을 가진) 2개의 방사소자들(radiators)로 구성된 이중 편파 안테나(dual polarized antenna) 모듈일 수 있다. 안테나 모듈들은 스위치(S/W)가 송신 라인(Tx 라인)과 연결되면 신호의 송신 기능을 수행하게 되고, 스위치(S/W)가 수신 라인(Rx 라인)과 연결되면 신호의 수신 기능을 수행하게 된다. 따라서, 도 1의 안테나 장치는 스위치(S/W)의 선택적인 스위칭 동작에 의해 TDD 기능을 구현한다.
이러한 스위칭 동작으로 인해 송신 신호 또는 수신 신호에서 신호 손실이 발생할 수 있으며, 수신 신호가 케이블을 통해 장치 내 후단으로 전달되는 과정에서도 신호 손실이 발생할 수 있다. 이러한 신호 손실은 잡음지수(Noise Figure, NF)를 악화시키고, 무선 통신 시스템의 업링크 커버리지(coverage) 확장을 제한하는 문제들을 야기할 수 있다.
본 발명에 따른 다중 빔 안테나 장치는 한 쌍의 이중 편파 안테나 엘리먼트를 가진 안테나 모듈들로 구성된 어레이 안테나를 채용하여, 하나의 이중 편파 안테나 엘리먼트를 무선 신호를 송신하는 데에 사용하고 다른 하나의 이중 편파 안테나 엘리먼트를 무선 신호를 수신하는 데에 사용한다. 따라서, 본 발명에 따른 다중 빔 안테나 장치는 TDD를 구현함에 있어서 신호 손실 및 잡음 지수를 악화시킬 수 있는 스위칭 동작을 필요로 하지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 다중 빔 안테나 장치는, 공간적으로 인접한 송신 빔들이 서로 상이한 직교 편파를 가지도록, 2종(two kinds)의 직교 편파들을 송신 채널들에 할당함으로써, 2종의 직교 편파들을 공간적으로 분리할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 개시의 기술들을 구현할 수 있는 다중 빔 안테나 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
다중 빔 안테나 장치(10)는 M×N 다중입출력(MIMO) 안테나일 수 있다. 따라서, 안테나 장치(10)는 M개의 송신 채널들과 M개의 수신 채널들을 가질 수 있다. 안테나 장치(10)는 디지털 처리부(110), RF 처리부(120) 및 어레이 안테나(array antenna; 130)를 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 예시된 것과 같이, 디지털 처리부(110)는 프론트홀 인터페이스(1110), 다중 빔 형성부(1120), 편파 합성부(1130), 편파 할당부(1140), 크기-위상 보정부(1150), 및 편파 변환부(1160)를 포함하여 구성될 수 있다. 대안적으로, 도 2c 및 도 2d에 예시된 것과 같이, 디지털 처리부(110)는 편파 변환부(1160) 대신에 편파 합성부(1170) 및 편파 할당부(1180)를 포함하여 구성될 수 있다.
RF 처리부(120)는 복수의 송신 RF 체인(radio frequency chain; 1210, 1210-1 ~ 1210-M) 및 복수의 수신 RF 체인(1220, 1220-1 ~ 1220-M)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2d의 안테나 장치(10)의 구성은 명확성을 기할 목적으로만 그려진 예시적인 구성임을 이해하여야 한다. 다른 실시예에서 안테나 장치(10)의 임의의 다른 적절한 컴포넌트들이 더 사용될 수 있다. 이러한 안테나 장치(10)의 각각의 컴포넌트는 일반적으로 전용 하드웨어를 사용하여 예를 들어, 하나 이상의 주문형 집적 회로(ASIC), 무선 주파수 집적 회로(RFIC) 및/또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 사용하여 구현될 수 있다. 또는 일부 컴포넌트들은 프로그래머블 하드웨어에서 실행되는 소프트웨어를 사용하여 혹은 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 사용하여 구현될 수 있다.
어레이 안테나(130)는 복수의 행들과 복수의 열들로 배열된(arranged) 복수의 어레이 엘리먼트들(array elements) 혹은 안테나 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각 어레이 엘리먼트는 이중 편파(dual polarization) 특성을 가지는 이중 편파(dual polarized) 안테나 엘리먼트일 수 있다. 복수의 어레이 엘리먼트들 각각은 송신 안테나 엘리먼트와 수신 안테나 엘리먼트로 구분될 수 있다. 송신 안테나 엘리먼트는 신호의 송신에 이용되며, 수신 안테나 엘리먼트는 신호의 수신에 이용될 수 있다. 송신 안테나 엘리먼트의 직교 편파 특성과 수신 안테나 엘리먼트의 직교 편파 특성은 서로 동일할 수도 있으며, 서로 상이할 수도 있다. 다른 일부 실시예에서, 각 어레이 엘리먼트는 사중 편파(quadruple polarization) 특성을 가지는 사중 편파(quadruple polarized) 안테나 엘리먼트일 수도 있다. 어레이 엘리먼트의 편파 특성과 구조는 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 후술한다.
안테나 장치(10)는 어레이 안테나(130)가 제공하는 직교 편파 특성을 이용하여 편파 다이버시티(polarization diversity)를 구현할 수 있다. 안테나 장치(10)는 각 송신 빔과 관련된 2개의 송신 채널들(혹은 송신 신호들)에 이중 직교 편파를 할당할 수 있다. 송신 채널들에 할당된 직교 편파는 어레이 안테나(130)에 포함된 송신 안테나 엘리먼트의 이중 직교 편파 특성과 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다.
안테나 장치(10)는 편파 합성을 통해 송신 안테나 엘리먼트의 직교 편파 특성과는 상이한 직교 편파를 가진 송신 빔을 생성할 수 있으며, 수신 신호들에 대한 편파 합성을 통해 수신 안테나 엘리먼트의 직교 편파 특성과는 상이한 직교 편파에 대응하는 수신 빔을 형성할 수 있다(즉, 수신 안테나 엘리먼트의 직교 편파 특성과는 상이한 직교 편파에 대응하는 신호 성분을 생성할 수 있다).
안테나 장치(10)는, 공간적으로 인접한 빔들이 서로 상이한 직교 편파를 가지도록, 2종의 직교 편파들을 송신 채널들에 할당함으로써, 2종의 직교 편파들을 공간적으로 분리할 수 있다.
이하의 설명은 2종의 직교 편파들이 ±45도 선형 편파들로 구성된 직교 편파와 수평/수직(vertical/horizontal: V/H) 선형 편파들로 구성된 직교 편파인 경우를 전제하고 있으나, 본 개시의 기술들은 이러한 직교 선형 편파들과, 좌원/우원 편파들로 구성된, 직교 원형 편파의 조합에도 적용가능하다.
이하의 설명에서, 송신 경로에 위치한 편파 합성부(1130)과 편파 할당부(1140)는 각각 송신 편파 합성부(1130)과 송신 편파 할당부(1140)로도 지칭될 수 있으며, 수신 경로에 위치한 편파 합성부(1170)와 편파 할당부(1180)는 각각 수신 편파 합성부(1170)와 수신 편파 할당부(1180)로도 지칭될 수 있다.
송신 신호 처리
M개의 송신 채널들의 송신 신호들은 다중 빔 형성부(1120), 편파 합성부(1130), 편파 할당부(1140), 크기-위상 보정부(1150) 및 송신 RF 체인들(1210-1 ~ 1210-M)로 구성되는 송신 경로들을 거쳐 어레이 안테나(130)를 통해 빔 형태로 방사될 수 있다. 송신 채널들 각각은 대응하는 송신 경로를 가진다. 여기서, 송신 신호는 다운링크(downlink) 신호로도 지칭될 수도 있다. 송신 경로는 송신 신호가 안테나 장치(10) 내에서 진행하는 경로를 지칭한다. 따라서, 송신 경로는 "송신 신호가 진행하는 경로" 또는 "송신 신호가 처리되는 경로"로 지칭될 수도 있다.
먼저, 프론트홀 인터페이스(1110)을 통해 입력된 송신 신호들은 편파 합성부(1130)에 입력되어 편파 합성 프로세스를 거칠 수 있다. 편파 합성부(1130)는 후술한 송신 안테나 엘리먼트를 통해 방사될 한 쌍의 송신 신호들마다 4개의 편파 성분들을 합성하고, 이들을 편파 할당부(1140)에 출력할 수 있다. 편파 합성부(1130)으로부터 출력되는 편파 성분들은 "편파 신호들"로 지칭될 수도 있다. 유의할 것은, 편파 합성부(1130)에서 합성된 편파 성분들이 후속 컴포넌트들을 거쳐 어레이 안테나(130)에 공급(feeding)되어 자유공간상에 방사됨으로써 실질적인 편파 합성이 이루어진다는 점이다.
편파 할당부(1140)는, 공간적으로 인접한 송신 빔들이 서로 다른 직교 편파를 갖도록, 각 송신 빔과 관련된 2개의 송신 채널들(또는 2개의 송신 신호들)에 대해 할당할 직교 편파를 결정할 수 있다. 편파 할당부(1140)는 결정된 직교 편파에 대응하여, 편파 합성부(1130)에서 합성된 4개의 편파 성분들의 일부를 2개의 송신 경로들에 출력할 수 있다. 각 송신 경로에 출력되는 편파 성분들은 "송신 신호의 편파 성분들(편파 신호들)" 혹은 "송신 채널의 편파 성분들(편파 신호들)"혹은 "송신 편파 성분들(송신 편파 신호들)" 로 지칭될 수도 있다. 송신 빔의 직교 편파는 편파 할당부(1140)로부터 출력된 편파 성분들과 송신 안테나 엘리먼트의 직교 편파 특성에 따라 결정될 수 있다. 편파 합성 및 편파 할당에 따른 송신 안테나 엘리먼트에서 발생하는 편파 합성에 대해서는 도 4를 참조하여 후술한다.
송신 RF 체인들(1210-1 ~ 1210-M) 간의 크기(amplitude) 및 위상(phase) 특성의 편차를 보상하기 위해, 각각의 송신 신호의 편파 성분은 송신 RF 체인들(1210-1 ~ 1210-M)에 도달되기에 앞서 크기-위상 보정부(1150)에 입력된다. RF 송신 경로의 크기 및 위상 특성은, RF 신호가 송신 RF 체인이 제공하는 RF 송신 경로를 이동함에 따라 겪게 되는 크기 변화와 위상 변화에 관한 것이다.
크기-위상 보정부(1150)는 송신 RF 체인들(1210-1 ~ 1210-M) 간의 크기(amplitude) 및 위상 특성의 편차를 보상하는 기능을 수행한다. 크기 특성의 편차는 빔포밍에 미치는 영향이 미미하기 때문에 일반적으로 모든 경로에 대해 위상만을 동일하게 보정(calibration)하는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명에 따른 안테나 어레이(130)에서 발생하는 편파 합성의 정확도는 합성되는 무선 신호들의 크기와 위상에 크게 의존하므로, 이러한 크기 및 위상의 보정은 편파 합성의 정확도를 높인다.
크기-위상 보정 프로세스를 거친 송신 신호의 편파 성분들은 송신 RF 체인(1210)에서 아날로그 신호로 변환되어 RF 신호 처리될 수 있다. 송신 RF 체인(1210)은 DAC(digital to analog converter), 필터, 주파수 상향 변환을 위한 믹서(mixer), 전력 증폭기(power amplifier, PA) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
송신 RF 체인(1210)에서 RF 신호 처리되어 아날로그로 변환된 송신 신호는 어레이 안테나(130)를 통해 빔 형태로 방사될 수 있다.
다중 빔 형성부(1120)는, 어레이 안테나(130)에서 다중 빔이 형성되도록, 송신 신호들을 프리코딩(precoding)할 수 있다. 다중 빔 형성부(1120)는 웨이트 벡터(또는 프리코딩 행렬)이 기저대역에서 사용되는지 아니면 RF 대역에서 사용되는지에 따라서 안테나 장치(10)의 송신 경로 상의 위치가 달라질 수 있다..
먼저, 도 2a 혹은 도 2c의 예에서와 같이, 다중 빔 형성부(1122)는 신호의 송신 경로에서 송신 편파 합성부(1130)에 선행하여 위치할 수 있다. 다중 빔 형성부(1122)는 디지털 빔포밍을 수행한다. 이 경우, (기저대역) 디지털 송신 신호들은 다중 빔 형성부(1122)에서 웨이트 벡터(weight vector) 혹은 프리코딩 행렬이 적용되어 복수의 프리코딩된 신호들로 변환될 수 있다.
디지털 송신 신호는 적용된 웨이트 벡터에 따라 위상(phase) 및 진폭(amplitude)이 서로 다른 복수 개의 신호들로 분기될 수 있다. 또한, 분기된 신호들이 어레이 안테나(130)를 통해 특정의 각도 또는 방향(통신 자원을 집중시키고자 하는 방향)에서 보강 간섭함으로써 빔 형태로 방사될 수 있다. 따라서, 디지털 송신 신호에 적용되는 웨이트 벡터의 값에 따라 빔의 방향과 모양이 결정될 수 있다.
다음으로, 도 2b 혹은 도 2d의 예에서와 같이, 다중 빔 형성부(1124)는 신호의 송신 과정에서 송신 RF 체인(1210) 이후에 위치할 수 있다. 따라서 다중 빔 형성부(1124)는 아날로그 빔포밍을 수행할 수 있다. 이 경우, 다중 빔 형성부(1124)는 각 송신 RF 체인(1210)으로부터 수신되는 아날로그 신호를 다수의 경로로 분기하고, 분기된 신호들 각각의 위상 및 진폭을 조절할 수 있다. 빔 형성부(1124)는 분기된 신호들 각각의 위상을 조절하는 다수의 위상 쉬프터(phase shifter) 및 분기된 신호들 각각의 진폭을 조절하는 다수의 전력 증폭기를 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 아날로그 도메인에서 웨이트 벡터를 위상 쉬프터와 전력 증폭기가 처리하게 된다.　 위상 및 진폭이 조절된 아날로그 신호들은 어레이 안테나(130)를 통해 특정의 각도 또는 방향에서 보강 간섭함으로써 빔 형태로 방사될 수 있다. 여기서, 송신 RF 체인(1210)은, 그 기능이 실질적으로 아날로그 컴포넌트들로 구성된 다중 빔 형성부(1224)에 의해서도 수행될 수 있는 바, 안테나 장치(10)로부터 제거될 수도 있다.
수신 신호 처리
M개의 수신 채널들에 대응하는 수신 신호들(또는 업링크 신호들)는 어레이 안테나(130)를 통해 수신된 후에, 수신 RF 체인(1220), 크기-위상 보정부(1150), 편파 변환부(1160) (대안적으로, 수신 편파 합성부(1170), 수신 편파 할당부(1180)) 및 다중 빔 형성부(1120)로 구성되는 수신 경로들을 거쳐 처리될 수 있다. 수신 채널들 각각은 대응하는 수신 경로를 가진다. 여기서, 수신 신호는 업링크(uplink) 신호로도 지칭될 수 있다. 수신 경로는 수신 신호가 안테나 장치(10) 내에서 진행하는 경로를 지칭한다. 따라서, 수신 경로는 "수신 신호가 진행하는 경로"또는 "수신 신호가 처리되는 경로"로 지칭될 수도 있다.
어레이 안테나(130)를 통해 수신된 아날로그 수신 신호들은 대응하는 수신 RF 체인들(1220-1 ~ 1220-M)에서 RF 신호 처리될 수 있다. 각 수신 RF 체인(1220)은 ADC(analog to digital converter), 필터, 주파수 하향 변환을 위한 믹서, 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
수신 RF 체인(1220)를 거쳐 디지털 신호로 변환된 수신 신호는 크기-위상 보정부(1150)에서 수신 RF 체인들(1220-1 ~ 1220-M) 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하는 과정을 거칠 수 있다.
동일한 공간 방향을 향해 형성되는 송신 빔과 수신 빔에 대해, (송신 편파 할당부(1140)의 직교 편파 할당에 의해 변경되는) 송신 빔의 직교 편파는 (수신 안테나 엘리먼트의 직교 편파 특성에 의해 정의되는) 수신 신호의 직교 편파와 동일할 수도 있으며 상이할 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 송신 빔의 직교 편파가 수신 신호의 직교 편파와 상이한 경우에, 업링크와 다운링크 간에 무선 채널 특성이 상이하게 되며, 그로 인해 다운링크/업링크 채널 가역성이 성립되지 않게 된다.
도 2a 및 도 2b에 예시된 것과 같이, 안테나 장치(10)는 편파 변환을 이용하여 채널 비-가역성을 보정하는 편파 변환부(1160)를 포함할 수 있다. 편파 변환부(1160)는 크기-위상 보정부(1150)로부터 출력된 수신 신호들에 대해 편파 변환을 수행하여 송신 빔의 직교 편파와 동일한 직교 편파를 가지는 편파 변환된 신호들을 출력할 수 있다.
예를 들면, 송신 빔이 ±45도 직교 편파를 가지며 수신 안테나 엘리먼트가 V/H 직교 편파 특성을 가지는 경우에, 편파 변환부(1160)는 V/H 편파의 수신 신호들에 편파 변환을 수행하여 송신 빔의 직교 편파와 동일한 직교 편파(±45도)를 가지는 편파 변환된 신호들을 출력할 수 있다. 다른 예로, 송신 빔이 V/H 직교 편파를 가지며 수신 안테나 엘리먼트가 V/H 직교 편파 특성을 가지는 경우에, 송신 빔의 직교 편파와 수신 신호의 직교 편파가 동일하므로, 편파 변환부(1160)는 수신 신호들에 대해 편파 변환을 수행하지 않을 수 있다.
대안적으로, 도 2c 및 도 2d에 예시된 바와 같이, 안테나 장치(10)는 편파 합성 및 편파 할당을 이용하여 채널 비-가역성을 보정하는 편파 합성부(1170)와 편파 할당부(1180)를 포함할 수 있다.
편파 합성부(1170)는 각 수신 안테나 엘리먼트를 통해 수신된 한 쌍의 수신 신호들마다 4개의 편파 성분들을 합성하고, 이들을 편파 할당부(1180)에 출력할 수 있다. 편파 합성부(1170)으로부터 출력되는 편파 성분들은 "편파 신호들"로 지칭될 수도 있다.
편파 할당부(1180)는, 각 수신 안테나 엘리먼트와 관련된 2개의 수신 채널들(또는 2개의 수신 신호들)에 대해 할당할 직교 편파를 결정할 수 있다. 편파 할당부(1180)는 2개의 대응하는 송신 채널들에 설정된 직교 편파(혹은 송신 빔의 직교 편파)와 동일한 직교 편파를 2개의 수신 채널들에 할당할 수 있다.
편파 할당부(1180)는 결정된 직교 편파에 대응하여, 편파 합성부(1170)에서 합성된 4개의 편파 성분들 중에서, 프론트홀 인터페이스(1110)를 통해 DU(digital unit)로 전송될, 2개의 편파 성분들을 출력할 수 있다. 각 수신 채널에 대해 할당된 편파 성분들은 "수신 채널의 편파 성분들(편파 신호들)" 혹은 "수신 신호의 편파 성분들(편파 신호들)" 혹은 "수신 편파 성분들(수신 편파 신호들)"로 지칭될 수 있다.
예를 들어, 2개의 송신 채널에 ±45도 직교 편파가 설정되고(따라서, 송신 빔이 ±45도 직교 편파를 가지며) 수신 안테나 엘리먼트가 V/H 직교 편파 특성을 가지는 경우에, 편파 할당부(1180)는 편파 합성부(1170)에서 합성된 4개의 편파 성분들 중에서 ±45 직교 편파에 대응하는 2개의 편파 성분들을 출력할 수 있다. 다른 예로, 2개의 송신 채널에 V/H 직교 편파가 설정되고(따라서, 송신 빔이 V/H 직교 편파를 가지며) 수신 안테나 엘리먼트가 V/H 직교 편파 특성을 가지는 경우에, 편파 할당부(1180)는 편파 합성부(1170)에서 합성된 4개의 편파 성분들 중에서 V/H 직교 편파에 대응하는 2개의 편파 성분들을 출력할 수 있다.
채널 비-가역성과 이를 보정하기 위한 편파 변환부(1160)의 동작과 편파 합성부(1170) 및 편파 할당부(1180)의 동작에 대한 자세한 설명은 도 9, 도 10a, 도 10b, 도 11a 및 도 11b를 참조하여 후술된다.
수신 신호들은 관련된 수신 안테나 엘리먼트들에 대응되는, 위상 및 진폭이 상이한, 복수의 신호들을 포함할 수 있다. 다중 빔 형성부(1120)는 복수의 신호들의 위상 및 진폭을 조정한 후, 조정된 신호들을 합산하여 수신 신호를 생성 또는 복원할 수 있다. 이 과정은 다중 빔 형성부(1120)가 송신 신호로부터 위상과 진폭이 서로 다른 복수 개의 신호들을 형성하는 과정의 반대 과정으로 이해될 수 있다. 이를 위해, 도 2a 및 도 2c에 나타낸 바와 같이 다중 빔 형성부(1122)가 수신 경로에서 편파 합성부(1160) 및 수신 편파 할당부(1180) 이후에 위치하여 디지털 빔포밍을 수행하거나, 도 2b 및 도 2d에 나타낸 바와 같이 다중 빔 형성부(1122)가 수신 경로에서 어레이 안테나(130)와 수신 RF 체인(1220) 사이에 위치하여 아날로그 빔포밍을 수행할 수 있다. 도 2b에서, 수신 RF 체인(1220)은, 그 기능이 실질적으로 아날로그 컴포넌트들로 구성된 다중 빔 형성부(1224)에 의해서도 수행될 수 있는 바, 안테나 장치(10)로부터 제거될 수도 있다.
DU 및 RU
한편, 소위 "stand-alone 기지국"은 디지털 유닛(digital unit, DU) 및 라디오 유닛(radio unit, RU) 각각에 대응하는 신호 처리 기능들이 하나의 물리적 시스템 내에 포함하고, 하나의 물리적 시스템이 서비스 대상 지역에 설치된다. 이에 반하여, 클라우드 무선 접속망(Cloud Radio Access Network, C-RAN) 아키텍처에 따르면, DU 및 RU가 물리적으로 분리되어, RU만이 서비스 대상 지역에 설치되고, 중앙집중화된(centralized) DU들인 BBU pool이 각각의 독립적인 셀을 형성하는 복수의 RU에 대한 제어 관리 기능을 가진다.
DU는 디지털 신호 처리 및 자원 관리 제어 기능을 담당하는 파트로서, 백홀(backhaul)을 통해 코어 네트워크에 연결된다. RU는 무선 신호 처리 기능을 담당하는 파트로서, DU로부터 수신한 디지털 신호를 주파수 대역에 따라 무선 주파수 신호로 변환하고 증폭하며, 안테나에서 수신된　RF　신호를 디지털 신호로 변환하여 DU에 전송한다.
안테나 장치(10)는 DU 및 RU가 하나의 물리적인 시스템 내에 포함된 stand-alone 기지국에 설치되거나, DU 및 RU가 물리적으로 분리된 C-RAN 구조에서의 RU에 설치될 수도 있다. 이하에서는, 안테나 장치(10)가 C-RAN 구조에서의 RU에 설치되는 예를 중심으로 하여 설명하도록 한다.
기저대역 신호는 스크램블링 과정, 변조 과정, 레이어 맵핑 과정과 같은 기저대역 처리를 거친 신호일 수 있다. 스크램블링 과정은 기지국 또는 단말을 구별하기 위하여, 스크램블 신호를 이용하여 기저대역 신호를 암호화하는 과정에 해당한다. 변조 과정은 스크램블링된 신호들을 복수 개의 모듈레이션(변조) 심볼들로 변조하는 과정에 해당한다. 스크램블링된 신호는 변조 맵퍼(미도시)에 입력되어 신호의 종류 및/또는 채널 상태에 따라 BPSK(binary phase shift keying), QPSK(quadrature phase shift keying) 또는 16QAM/64QAM(quadrature amplitude modulation) 방식을 통해 변조될 수 있다. 레이어 맵핑 과정은 신호들을 안테나 별로 분리하기 위하여, 변조 심볼들을 하나 이상의 전송 레이어로 맵핑하는 과정에 해당한다. 변조 과정을 통해 얻어진 변조 심볼들에 대해, 이 변조 심볼들을 리소스 엘리먼트들에 맵핑하는 과정이 더 수행할 수 있다.
안테나 장치(10)가 C-RAN 구조에서의 RU에 설치되는 경우에는 위 과정들이 중앙집중화된 DU에서 수행될 수 있다. 반면, 안테나 장치(10)가 stand-alone 기지국에 설치되는 경우에는 위 과정들이 기지국 내 DU에서 수행될 수 있다.
DU와 RU 사이의 신호 또는 데이터의 교환은 프론트홀(fronthaul) 혹은 프론트홀 링크(fronthaul link)를 통해 이루어진다. 프론트홀 링크는 셀룰러 무선 접속망에서 DU와 RU 사이를 연결하는 링크이다. 안테나 장치(10)의 프론트홀 인터페이스(1110)는 CPRI(Common Public Radio Interface), eCPRI(enhanced CPRI), ORI(Open Radio Equipment Interface), OBSAI(Open Base Station Architecture Initiative) 등의 표준에 부합하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 안테나 장치(10)가 RU에서 구현되는 경우, 안테나 장치(10)는 디지털 처리부(110), RF 처리부(120) 및 어레이 안테나(130)로 구분될 수 있다.
RF 처리부(120)는 송신 신호들과 수신 신호들에 대한 아날로그 신호 처리를 담당한다. RF 처리부(120)는 도 2a에 나타낸 바와 같이 RF 체인(1210, 1220)을 포함하여 구성되거나, 도 2b에 나타낸 바와 같이 RF 체인(1210, 1220) 및 다중 빔 형성부(1124)를 포함하여 구성될 수 있다.
디지털 처리부(110)는 송신 신호들과 수신 신호들에 대한 디지털 신호 처리를 담당한다. 디지털 처리부(110)는 디지털 프론트 엔드(digital front end, DFE)로 구현될 수 있다. DFE는 기존의 아날로그 기능 블록들을 디지털 신호 처리(digital　signal processing, DSP) 블록으로 대체한 것을 의미한다. 디지털 처리부(110)가 DFE로 구현되는 경우에는 설계 소모시간, 전력 소모 그리고 면적을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 다중 모드, 다중 밴드를 지원할 수 있는 유동성을 확보할 수 있게 된다.
디지털 처리부(110)는 편파 변환된 신호들에 대해 IFFT(inverse fast fourier transform) 연산과 FFT 연산을 더 수행할 수 있다. 또한, 디지털 처리부(110)는 심볼 간 간섭(inter-symbol interference, ISI)을 방지하기 위해 보호구간(guard interval)을 삽입할 수 있다. 이를 위해, 디지털 처리부(110)는 IFFT부(미도시)/FFT부(미도시)와 CP(cyclic prefix, 미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
어레이 안테나의 안테나 엘리먼트들
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 안테나 시스템의 어레이 안테나(130)에 채용될 수 있는 안테나 모듈(1310)의 다양한 구조와 직교 편파 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d에 보인 바와 같이, 안테나 모듈(1310)은 송신용 안테나에 해당하는 송신 안테나 엘리먼트(1312) 및 수신용 안테나에 해당하는 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 페어로 구성될 수 있다. 송신 안테나 엘리먼트(1312)는 송신 라인(Tx1, Tx2)과 연결되어 신호의 송신에 이용되고, 수신 안테나 엘리먼트(1314)는 수신 라인(Rx1, Rx2)과 연결되어 신호의 수신에 이용될 수 있다.
송신 안테나 엘리먼트(1312)는 서로 직교하는 편파 특성을 가지는 두 개의 방사소자들을 포함하는 이중 편파 안테나 엘리먼트이며, 수신 안테나 엘리먼트(1314)도 서로 직교하는 편파 특성을 가지는 두 개의 방사소자들을 포함하는 이중 편파 안테나 엘리먼트이다.
송신 안테나 엘리먼트(1312)의 직교 편파 특성과 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 직교 편파 특성은 다를 수 있다(예컨대, 도 3a의 (b) 및 (c) 참조). 예를 들어, 송신 안테나 엘리먼트(1312)에 포함된 방사소자들이 각각 +45도와 -45도의 편파 특성을 가지고, 수신 안테나 엘리먼트(1314)에 포함된 방사소자들이 각각 V 및 H의 편파 특성을 가질 수 있다. 다른 예로, 송신 안테나 엘리먼트(1312)에 포함된 방사소자들이 각각 V 및 H의 편파 특성을 가지고, 수신 안테나 엘리먼트(1314)에 포함된 방사소자들이 각각 +45도와 -45도의 편파 특성을 가질 수 있다. 즉, 안테나 모듈(1310)은, 송신 안테나 엘리먼트(1312)의 이중 직교 편파(dual orthogonal polarizations)와 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 이중 직교 편파를 포함하는, 2종(two kinds)의 직교 편파 특성을 제공할 수 있다.
송신 안테나 엘리먼트(1312)의 직교 편파 특성과 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 직교 편파 특성은 서로 동일할 수도 있다(도 3a의 (a) 및 (d) 참조). 이러한 안테나 모듈(1310)이 채용된 실시예에서, 도 4를 참조하여 후술하는 바와 같이, 송신 라인(Tx1, Tx2)을 통해 전달될 송신 신호들의 편파 성분들에 의존하여, 송신 안테나 엘리먼트(1312)로부터 방사되는 빔은 송신 안테나 엘리먼트(1312)의 이중 편파 특성과는 상이한 이중 직교 편파 방향을 가질 수 있다. 따라서, 도 3a의 (a) 및 (d)에 예시된 안테나 모듈(1310)을 이용하는 경우에도, 안테나 장치(10)는 송신 빔과 수신 빔 간에 상이한 이중 직교 편파를 사용할 수 있다.
도 3a에 보인 안테나 모듈(1310)에서, 송신 안테나 엘리먼트(1312)를 구성하는 2개의 방사소자들은 제1교차점에서 서로 교차하도록 배치되고 수신 안테나 엘리먼트(1314)를 구성하는 방사소자들은 제2교차점에서 서로 교차하도록 배치되어 있다. 제1교차점과 제2교차점 사이의 거리가 작아질수록 안테나 모듈(1310)이 점유하는 면적의 효율성이 높아진다.
도 3b을 참조하면, 수신 안테나 엘리먼트(1314)를 구성하는 한 쌍의 방사소자들이 (1) 송신 안테나 엘리먼트(1312)의 좌측 및 상측에 인접하여 배치되거나(도 3b의 (a) 참조), (2) 송신 안테나 엘리먼트(1312)의 좌측 및 하측에 인접하여 배치되거나(도 3b의 (b) 참조), (3) 송신 안테나 엘리먼트(1312)의 우측 및 상측에 인접하여 배치되거나(도 3b의 (c) 참조), (4) 송신 안테나 엘리먼트(1312)의 우측 및 하측에 인접하여 배치(도 3b의 (d) 참조)될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 송신 안테나 엘리먼트(1312)를 구성하는 한 쌍의 방사소자들이 (1) 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 좌상측 및 좌하측에 인접하여 배치되거나(도 3c의 (a) 참조), (2) 송신 안테나 엘리먼트(1314)의 좌하측 및 우하측에 인접하여 배치되거나(도 3c의 (b) 참조), (3) 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 좌상측 및 우상측에 인접하여 배치되거나(도 3c의 (c) 참조), (4) 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 우상측 및 우하측에 인접하여 배치(도 3c의 (d) 참조)될 수 있다.
이와 같이, 도 3b 및 도 3c에서 보인 안테나 모듈(1310)은 어느 하나의 안테나 엘리먼트(1312 혹은 1314)가 다른 하나의 안테나 엘리먼트(1314 혹은 1312)에 측면에 인접하여 배치되므로, 도 3a에 보인 안테나 모듈(1310)에 비해 향상된 면적 효율성을 어레이 안테나(130)에 제공할 수 있다. 또한, 면적 효율성의 향상은 제작, 설치, 유지 보수 등의 편의성으로 이어질 수 있다.
도 3d에 보인 안테나 모듈(1310)에서, 송신 안테나 엘리먼트(1312)를 구성하는 2개의 방사소자들과 수신 안테나 엘리먼트(1314)를 구성하는 방사소자들이 하나의 교차점(1316)에서 서로 교차하며, 따라서 도 3d의 배열은 도 3a 내지 도 3c의 배열들에 비해 면적 효율성이 극대화된다.
덧붙여, 도 3a 내지 도 3d을 참조하여 기술된 위 설명에서, 송신 안테나 엘리먼트(1312)의 위치와 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 위치는 서로 뒤바뀔 수 있음을 이해하여야 한다.
편파 합성 및 편파 할당
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 송신 안테나 엘리먼트와 관련하여 수행되는 편파 합성 및 편파 할당을 설명하기 위한 개념도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 수신 안테나 엘리먼트와 관련하여 수행되는 편파 합성 및 편파 할당을 설명하기 위한 개념도이다.
앞서 설명된 바와 같이, 송신 편파 합성부(1130)는 하나의 송신 안테나 엘리먼트(1312)를 통해 송신될 2개의 송신 신호로부터 4개의 서로 다른 편파 성분들을 합성하여 출력할 수 있다.
도 4를 참조하면, 송신 편파 합성부(1130)는 송신 신호들(S1, S2)로부터 서로 다른 편파 성분들("S1", "S2", "S1 + S2", 및 "S1 + S2ejπ")을 합성하여 출력할 수 있다. 여기서, "S1"과 "S2"는 송신 안테나 엘리먼트(1312)의 편파 특성과 동일한 편파 방향을 가지는 빔들을 생성하는 데에 사용되며, "S1 + S2"와 "S1 + S2ejπ"은 송신 안테나 엘리먼트(1312)의 편파 특성과는 상이한 편파 방향을 가지는 빔들을 생성하는 데에 사용된다.
송신 편파 합성부(1130)에서 수행되는 편파 성분들의 합성(composition)은 아래 수학식 1의 행렬 연산을 통해 구현될 수 있다.
Figure PCTKR2021015883-appb-img-000001
위 수학식 1에서,
Figure PCTKR2021015883-appb-img-000002
는 PVCD(polarization vector composition-decomposition) 행렬을 나타낸다. 여기서, 세 번째 및 네 번째 편파 성분들("S1 + S2"와 "S1 + S2ejπ")의 파워가 증가하는 것을 방지하기 위하여, PD 행렬의 세 번째 행의 원소들과 네 번째 행의 원소들에 스케일 계수가 적용될 수 있다. 스케일 계수는
Figure PCTKR2021015883-appb-img-000003
일 수 있다.
송신 편파 할당부(1140)는 송신 편파 합성부(1130)로부터 출력된 송신 신호들(S1, S2)의 4개의 편파 성분들 중에서 송신 안테나 엘리먼트(1312)의 2개의 방사소자들을 통해 방사될 2개의 편파 성분들을 2개의 송신 경로에 출력할 수 있다.
예를 들어, 송신 편파 할당부(1140)는 4개의 편파 성분들("S1", "S2", "S1 + S2", "S1 + S2ejπ") 중에서, (1) "S1" 및 "S2"를 출력하거나(도 4의 (a) 참조) (2) "S1 + S2" 및 "S1 + S2ejπ"를 출력(도 4의 (b) 참조)할 수 있다.
송신 편파 할당부(1140)로부터 출력된 편파 성분들에 따라, ±45도 직교 편파 특성을 가진 송신 안테나 엘리먼트(1312)로부터 방사되는 빔들은 ±45도 직교 편파 혹은 V/H 직교 편파를 가질 수 있다.
도 4의 (a)에서와 같이, 편파 성분들 "S1" 및 "S2"가 송신 채널들에 할당되면, +45˚ 편파 특성을 가지는 방사소자를 통해 방사되는 편파 성분 "S1"은 +45˚ 편파를 가진 빔 패턴을 형성하고, -45˚ 편파 특성을 가지는 방사소자를 통해 방사되는 편파 성분 "S1"은 -45˚ 편파를 가진 빔 패턴을 형성한다. 즉, ±45˚ 직교 편파 특성을 가진 송신 안테나 엘리먼트(1312)는 ±45˚ 직교 편파를 가지는 빔 패턴을 형성한다.
도 4의 (b)에서와 같이, 편파 성분들 "S1 + S2" 및 "S1 + S2ejπ"가 송신 채널들에 할당되면, +45˚ 편파 특성을 가지는 방사소자를 통해 방사되는 편파 성분 "S1 + S2"이 형성하는 빔과, -45˚ 편파 특성을 가지는 방사소자를 통해 방사되는 편파 성분 "S1 + S2ejπ"이 형성하는 빔 간에 편파 합성이 발생한다.
구체적으로, 편파 성분 "S1"의 경우에, +45˚ 편파 특성을 가지는 방사소자를 통해 방사되는 제1빔이 +45˚ 편파 방향(polarization orientation)을 가지며, -45˚ 편파 특성을 가지는 방사소자를 통해 방사되는 제2빔이 -45˚ 편파 방향을 가지며, 따라서 제1빔과 제2빔이 합성되어 V 편파 방향을 가지는 합성 빔이 나타난다. 편파 성분 "S2"의 경우에, +45˚ 편파 특성을 가지는 방사소자를 통해 방사되는 제3빔이 +45˚ 편파 방향을 가지며, -45˚ 편파 특성을 가지는 방사소자를 통해 방사되는 제4빔이 "-45˚+π" 편파 방향을 가지며, 따라서 제3빔과 제4빔이 합성되어 V 편파 방향을 가지는 합성 빔이 나타난다.
한편, 수신 안테나 엘리먼트(1314)가 자유공간상의 무선 신호들(S1, S2)를 수신할 때 수신 신호들(a, b)의 직교 편파 방향은 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 직교 편파 특성에 의해 결정된다. 예를 들어, 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 이중 편파 특성이 V/H 직교 편파인 경우에, 수신 신호들은 V/H 직교 편파를 가진다.
도 5를 참조하면, 무선 신호(S1, S2)에 대해, 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 V 편파를 가진 방사소자에 의해 캡쳐된 수신 신호(a)는 V 편파의 S1 신호성분 S1(V)과 V 편파의 S2 신호성분 S2(V)을 포함하고, H 편파를 가진 방사소자에 의해 캡쳐된 수신 신호(b)는 H 편파의 S1 신호성분 S1(H)과 H 편파의 S2 신호성분 S2(H)을 포함한다.
앞서 설명된 바와 같이, 수신 편파 합성부(1170)는 하나의 수신 안테나 엘리먼트(1314)가 수신한 2개의 수신 신호들(a, b)로부터 서로 다른 4개의 편파 성분들을 합성하여 출력할 수 있다. 수신 편파 합성부(1170)에서 수행되는 편파 성분 합성은 수학식 1의 행렬 연산을 통해 구현될 수 있다.
도 5에 보인 바와 같이, 수신 편파 합성부(1170)는 RF 신호(S1, S2)에 대한 수신 신호들(a, b)로부터 서로 다른 편파 성분들("a", "b", "a + b" 및 "a + bejπ")을 합성하여 출력할 수 있다. 여기서, a"과 "b" 은 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 편파 특성과 동일한 편파 방향을 가지는 편파 성분들이며, "a + b"와 "a + bejπ"는 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 편파 특성과는 상이한 편파 방향을 가지는 편파 성분들이다.
구체적으로, 편파 성분 "a"는 V 편파의 S1 신호성분 S1(V)과 V 편파의 S2 신호성분 S2(V)을 가지며, 편파 성분 "b"는 H 편파의 S1 신호성분 S1(H)과 H 편파의 S2 신호성분 S2(H)을 가진다.
또한, 편파 성분 "a + b"는 (1) V 편파의 S1 신호성분 S1(V)과 H 편파의 S1 신호성분 S1(H)가 합성된 +45˚편파의 S1 신호성분 S1(+45˚)과 (2) V 편파의 S2 신호성분 S2(V)과 H 편파의 S2 신호성분 S2(H)가 합성된 +45˚편파의 S2 신호성분 S2(+45˚)를 가진다.
또한, 편파 성분 "a + bejπ"는 (1) V 편파의 S1 신호성분 S1(V)과 H+π편파의 S1 신호성분 S1(H+π)가 합성된 -45˚편파의 S1 신호성분 S1(-45˚)과 (2) V 편파의 S2 신호성분 S2(V)과 H+π 편파의 S2 신호성분 S2(H+π)가 합성된 -45˚편파의 S2 신호성분 S2(-45˚)를 가진다.
수신 편파 할당부(1180)는 수신 편파 합성부(1170)로부터 출력된 수신 신호들(a, b)의 편파 성분들 중에서 2개의 편파 성분들을 2개의 수신 경로에 출력할 수 있다. 예를 들어, 수신 편파 할당부(1180)는 4개의 편파 성분들("a", "b", "a + b", 및 "a + bejπ") 중에서, (1) "a" 및 "b"를 출력하거나(도 5의 (a) 참조) (2) "a + b" 및 "a + bejπ"를 출력(도 5의 (b) 참조)할 수 있다.
도 5의 (a)에서와 같이, 편파 성분들 "a" 및 "b"가 수신 채널들에 할당되면, RF 신호(S1, S1)에 대해, 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 직교 편파 특성과 동일한 직교 편파의 신호성분들 "S1(V), S2(V)"과 "S1(H), S2(H)"이 수신 채널들로 출력된다.
도 5의 (b)에서와 같이, 편파 성분들 "a + b" 및 "a + bejπ"가 수신 채널들에 할당되면, RF 신호(S1, S1)에 대해, 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 직교 편파 특성과는 상이한 합성된 직교 편파의 신호성분들 "S1(+45˚), S2(+45˚)"과 "S1(-45˚), S2(-45˚)"이 수신 채널들로 출력된다.
도 2a 내지 도 2d는, 안테나 장치(10)가, 모든 송신 신호들 혹은 송신 채널들에 대해 편파 합성 및 편파 할당을 통합적으로 수행하는, 하나의 송신 편파 합성부(1130)와 하나의 송신 편파 할당부(1140)를 포함하는 것으로 예시하고 있다.
그러나, 다른 실시예에서, 안테나 장치(10)는 각각의 송신 빔과 관련된 송신 신호들 혹은 송신 채널들에 대해 편파 합성 및 편파 할당을 수행하는 복수의 송신 편파 합성부와 복수의 송신 편파 할당부를 포함하도록 구성될 수도 있다. 유사하게, 안테나 장치(10)은 복수의 수신 편파 합성부와 복수의 수신 편파 할당부를 포함하도록 구성될 수도 있다. 그러한 구성의 일 예가 도 6에 도시되어 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치에서 송신 신호들에 대한 편파 합성 및 편파 할당을 수행하기 위한 예시적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 안테나 장치는 복수의 편파 합성부(1130-1 ~ 1130-M), 복수의 편파 할당부(1140-1 ~ 1140-M) 및 편파 할당 제어부(1142)를 포함하여 구성될 수 있다. 편파 할당 제어부(1142)는 복수의 송신 편파 합성부(1130-1 ~ 1130-M)에 의해 수행되는 송신 신호들의 편파 할당을 통합적으로 관리한다.
편파 할당 제어부(1142)는 빔의 개수와 기준 빔의 직교 편파에 기초하여, 송신 채널들 각각에 대한 직교 편파를 결정할 수 있다. 여기서, 빔의 개수는 어레이 안테나(130)을 이용하여 생성할 빔들의 개수를 의미하며, 기준 빔은 다중 빔들 중에서 미리 정의된 어느 하나의 빔(예를 들어, M개의 송신 채널 중에서 제1 송신 채널과 제2 송신 채널과 관련된 송신 빔)일 수 있다. 다중의 송신 빔들 중에서 서로 이웃하는 송신 빔들이 서로 다른 직교 편파를 가지도록, 편파 할당 제어부(1142)는 송신 채널들 각각에 대한 직교 편파를 결정할 수 있다.
편파 할당 제어부(1142)는 송신 채널들에 대한 직교 편파의 할당을 제어하기 위한 할당 제어신호들을 생성할 수 있다. 편파 할당 제어부(1142)는 할당 제어신호들을 편파 할당부들(1140-1 ~ 1140-M)로 전송할 수 있다. 각 편파 할당부(1140-1 ~ 1140-M)는 대응하는 편파 합성부(1130-1 ~ 1130-M)에서 생성된 4개의 편파 성분들 중에서, 할당 제어신호에 의해 지시되는 직교 편파에 대응하는 편파 성분들을 출력할 수 있다.
각 편파 할당부(1140-1 ~ 1140-M)에 의해 출력된 편파 성분들이 후속 컴포넌트들을 거쳐 대응하는 송신 안테나 엘리먼트(1312)에 공급된다. 직교 편파가 할당된 송신 신호들은 송신 안테나 엘리먼트들(1312)를 통해 자유공간 상에서 서로 다른 방향의 빔들로 방사될 수 있다. 이러한 공간적인 편파 분리는 수평 방향(direction)과 수직 방향 중에서 하나 이상의 방향으로 이루어질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치가 제공하는 수평 방향과 수직 방향으로의 공간적인 편파 분리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7에 보인 바와 같이, 안테나 장치(10)는, 어레이 안테나(130)를 이용하여, c개의 섹터들(sectors)에 대응하여 수평 방향으로 분리된 c개의 빔들을 형성할 수 있으며, c개의 섹터 각각에 대해 수직 방향으로 분리된 d개의 빔들을 형성할 수 있다. 즉, 안테나 장치(10)는 3D 빔포밍을 제공할 수 있다. 각 섹터들 마다 수직 방향으로 공간 분리된 빔들의 수는 동일하거나 상이할 수도 있다. 따라서 안테나 장치(10)의 커버리지 영역(coverage area)은 최대 c×d 개의 서브섹터들로 나뉠 수 있다.
수평 방향으로 분리된 빔들은 인접한 빔들 간에 서로 상이한 직교 편파를 가지며(즉, 수평 방향의 공간적 편파 분리), 따라서 수평으로 인접한 빔들 간의 상관관계는 충분히 작을 수 있다. 또한, 각 섹터에서, 수직 방향으로 분리된 빔들은 인접한 빔들 간에 서로 상이한 직교 편파를 가지며(즉, 수직 방향의 공간적 편파 분리), 수직으로 인접한 빔들 간의 상관관계는 충분히 작을 수 있다. 나아가, 인접한 섹터 간에 동일한 직교 편파를 가지는 빔들(예를 들어, 첫 번째 섹터의 첫 번째 빔과 두 번째 섹터의 두 번째 빔)은 수평 방향으로 그리고 수직 방향으로 충분히 이격되어 있어서, 두 빔들 사이의 상관관계도 충분히 작을 수 있다.
이전까지는, ±45˚의 직교 편파와 H/V의 직교 편파 간의 높은 상관관계로 인해, 이들 2종의 직교 편파들을 함께 사용하는 안테나 장치가 시도되지 않았음에 주목한다. 본 발명에 따른 안테나 장치(10)는 공간적으로 서로 인접한 빔들 간에 상이한 직교 편파를 할당함으로써 직교 편파들 간 상관관계를 개선하여, 2종의 직교 편파들(즉, 4개의 상이한 편파들)이 제공하는 편파 다이버시티의 효율을 완전하게 사용할 수 있는 편파 재사용(polarization reuse)를 구현할 수 있다. "편파 재사용"이라는 용어는 주파수 재사용(frequency reuse)에 착안한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치가 제공하는 시간적인 편파 분리를 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명에 따른 안테나 장치(10)는, 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔과 수신 빔이 서로 상이한 직교 편파를 가지도록, 2종의 직교 편파들을 송신 채널과 수신 채널에 할당함으로써, 2종의 직교 편파들을 시간적으로 분리할 수 있다.
도 8에서, 빗금으로 표시된 영역(Tx)은 송신 안테나 엘리먼트(1312)를 통해 신호가 송신되는 시간 구간을 나타내고, 빗금으로 표시되지 않은 영역(Rx)은 수신 안테나 엘리먼트(1314)를 통해 신호가 수신되는 시간 구간을 나타낸다.
도 8의 예시에서, 송신 시간 구간 동안에 ±45도의 직교 편파가 사용되며, 수신 시간 구간 동안에 vertical/horizontal의 직교 편파가 사용되어, 상이한 직교 편파가 시간적으로 분리되어 사용된다. 예시된 것과 반대로, 수신 시간 구간 동안에 ±45도의 직교 편파가 사용되고 송신 시간 구간 동안에 vertical/horizontal의 직교 편파가 사용될 수도 있음을 이해하여야 한다.
특히, 본 발명에 따른 안테나 장치(10)는 TDD 동작을 위해 사용하는 송신 안테나 엘리먼트와 수신 안테나 엘리먼트 간의 직교 편파 특성이 서로 상이할 수도 있으며, 따라서 신호의 송신과 신호의 수신에 사용하는 직교 편파가 서로 상이할 수 있다.
채널 비-가역성 보정(correction)
채널 가역성이란, 동일한 주파수 대역에서 다운링크 채널과 업링크 채널의 채널 특성이 동일하다는 전제이다. 즉, 채널 가역성은 다운링크 채널과 업링크 채널이 서로 유사한 특성을 가지는 성질을 의미한다.
채널　가역성을 이용하면, 기지국이 업링크　채널　응답을 이용하여 다운링크　채널　응답을 얻거나 단말이 다운링크　채널　응답을 이용하여 업링크　채널　응답을 얻는 것이 가능하다. 따라서, 채널 가역성은 FDD(Frequency Division Duplexing) 방식에 비해 TDD(Time Division Duplexing) 방식이 가지는 가장 큰 이점이라 할 수 있다.
도 9는 안테나 장치가 신호의 송신과 신호의 수신 간에 상이한 이중 편파를 사용하는 경우에 발생할 수 있는 채널 비-가역성(channel non-reciprocity) 문제를 설명하기 위한 개념도이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나 장치는 공간적인 편파 분리와 시간적인 편파 분리를 사용한다. 따라서, 어떤 공간 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파는 그 공간 방향으로부터 무선 신호를 수신하는 데에 사용되는 수신 안테나 엘리먼트의 직교 편파 특성과 상이할 수도 있다. 예를 들어, 어떤 공간 방향에 대해, 송신 빔이 ±45˚의 직교 편파를 가지고 수신 안테나 엘리먼트가 H/V의 직교 편파 특성을 가질 수 있다. 다른 예로, 송신 빔이 H/V의 직교 편파를 가지고, 수신 안테나 엘리먼트가 ±45˚의 직교 편파 특성을 가질 수 있다. 이와 같이, 다운링크와 업링크에 서로 다른 직교 편파가 사용되면, 업링크와 다운링크 간에 무선 채널 특성이 상이하게 되며, 그로 인해 다운링크/업링크 간의 채널 가역성이 성립되지 않게 된다. 즉, 채널 비-가역성이 발생한다.
이러한 채널 가역성의 불성립(즉, 채널 비-가역성의 발생)은 빔포밍을 수행하지 않는 경우 혹은 5G NR에서 기지국(gNB)이 단말(UE)에 전송하는 CSI-RS(channel state information-reference signal)에 기반한 빔포밍을 수행하는 경우에는 문제가 되지 않는다. 그러나, SRS(sounding reference signal)에 기반한 빔포밍을 수행하는 경우에는 채널 가역성의 불성립이 안테나 장치의 성능을 저하시킬 수 있다.
SRS는 업링크 채널의 상태를 추정하기 위해 단말(UE)이 기지국(gNB)으로 전송하는 업링크 기준 신호로서, 단말(UE)은 주기적 또는 비주기적으로 SRS를 기지국(gNB)으로 전송하여 업링크 채널의 상태정보를 알릴 수 있다. 기지국(gNB)은 수신된 SRS를 통해 업링크 채널의 채널상태정보(CSI)를 획득하고, 획득된 CSI를 이용하여 다운링크 빔포밍을 위한 가중치 벡터를 결정할 수 있다.
따라서, 채널 가역성이 성립하지 않는 경우에는, SRS를 이용하여 구한 가중치 벡터를 다운링크 빔포밍에 이용하면 안테나 장치의 성능이 저하될 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 안테나 장치(10)는, 수신 신호들의 신호 처리를 통해, 수신 신호들의 직교 편파를 송신 채널들(혹은 송신 빔)의 직교 편파에 일치시킴으로써 채널 비-가역성을 보정한다(즉, 채널 가역성을 확보한다).
전술한 바와 같이, 채널 비-가역성 보정은 편파 변환부(1160)의 편파 변환에 의해, 대안적으로 편파 합성부(1170) 및 편파 할당부(1180)의 편파 합성 및 편파 할당에 의해 달성될 수 있다. 이하, 도 10a, 도 10b, 도 10c, 및 도 10d를 참조하여, 채널 비-가역성을 보정하기 위한 예시적인 구조들과 그 동작을 설명한다.
도 10의 예시적인 구조는 채널 비-가역성을 보정하는 기능을 수행하는 편파 변환부(1160)를 포함한다.
도 10a의 예에서는, 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 직교 편파 특성(V/H)이 다운링크 채널의 전파(혹은 송신 빔)의 직교 편파(±45˚)와 상이하므로, 채널 비/가역성 보정이 필요하다.
도 10a를 참조하면, ±45˚ 직교 편파가 할당된 2개의 디지털 송신 신호가 송신 RF 체인(1210)의 RF 신호 처리를 거쳐 송신 안테나 엘리먼트(1312)에 공급(feed)된다. 송신 RF 체인에 ±45˚ 직교 편파에 대응하는 편파 성분들이 입력되면, 송신 안테나 엘리먼트(1312)은 ±45˚ 직교 편파 특성을 가지는 바, 다운링크 채널의 전파는 ±45˚ 직교 편파를 가진다. 수신 안테나 엘리먼트(1314)는 업링크 채널의 전파를 수신하여 아날로그 수신 신호를 출력한다. 수신 안테나 엘리먼트(1314)은 V/H 직교 편파 특성을 가지는 바, 아날로그 수신 신호는 전파의 V/H 직교 편파 성분에 대응한다. 아날로그 수신 신호들은 수신 RF 체인(1220)의 RF 신호 처리를 거쳐 디지털 수신 신호들로 변환된다.
편파 변환부(1160)는 디지털 수신 신호들에 대해 편파 변환을 수행하여 다운링크 채널의 직교 편파와 동일한 직교 편파를 가지는 편파 변환된 신호들을 출력한다. 편파 변환부(1160)에서 수행되는 편파 변환은 아래 수학식 2의 행렬 연산을 통해 구현될 수 있다.
Figure PCTKR2021015883-appb-img-000004
위 수학식 2에서, a와 b는 편파 변환부(1160)에 입력되는 디지털 수신 신호들이며. a+b와 a+bejπ는 편파 변환부(1160)로부터 출력되는 편파 변환된 수신 신호이다. 나아가,
Figure PCTKR2021015883-appb-img-000005
는 직교 편파의 변환을 위한 PD(polarization decomposition) 행렬을 나타낸다. 다만, 편파 변환된 수신 신호의 파워가 증가하는 것을 피하기 위하여, PD 행렬 내 모든 원소들에 스케일 계수가 적용될 수 있다. 스케일 계수는
Figure PCTKR2021015883-appb-img-000006
일 수 있다.
도 10b의 예에서는, 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 직교 편파 특성(V/H)이 다운링크 채널의 전파(혹은 송신 빔)의 직교 편파(V/H)와 일치하므로, 채널 비/가역성 보정이 필요하지 않다. 따라서, 편파 변환부(1160)는, 편파 변환 없이, 입력된 디지털 수신 신호들을 그대로 출력한다.
도 11a 및 도 11b의 예시적인 구조에서, 채널 비-가역성을 보정하는 기능은 편파 할당 제어부(1142), 수신 편파 합성부(1170), 및 수신 편파 할당부(1180)에 의해 구현된다.
도 11a의 예에서는, 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 직교 편파 특성(V/H)이 다운링크 채널의 전파(혹은 송신 빔)의 직교 편파(±45˚)와 상이하므로, 채널 비/가역성 보정이 필요하다. 따라서, 수신 편파 합성부(1170)에 입력되는 신호들과 수신 편파 할당부(1180)로부터 출력되는 신호 간에 직교 편파가 달라진다.
도 11a를 참조하면, 수신 편파 합성부(1170)은 한 쌍의 송신 신호에 대해 4개의 편파 성분들을 생성하고, 편파 할당 제어부(1142)의 제어신호에 응답하여, 수신 편파 할당부(1140)은 ±45˚ 직교 편파에 대응하는 2개의 편파 성분들을 출력한다. 2개의 편파 성분들은 송신 RF 체인(1210)을 거쳐 송신 안테나 엘리먼트(1312)에 공급(feed)된다. 송신 안테나 엘리먼트(1312)은 ±45˚ 직교 편파 특성을 가지는 바, 다운링크 채널의 전파(혹은 송신 빔)는 ±45˚ 직교 편파를 가진다.
수신 안테나 엘리먼트(1314)는 업링크 채널의 전파를 수신하여 2개의 아날로그 수신 신호들을 출력한다. 수신 안테나 엘리먼트(1314)은 V/H 직교 편파 특성을 가지는 바, 2개의 아날로그 수신 신호들은 전파의 V/H 직교 편파 성분에 대응한다. 2개의 아날로그 수신 신호들은 수신 RF 체인(1220)의 RF 신호 처리를 거쳐 2개의 디지털 수신 신호들로 변환된다. 수신 편파 합성부(1170)는 2개의 디지털 수신 신호로부터 4개의 직교 편파 성분들을 합성할 수 있다.
채널 비-가역성을 보정하기 위해, 편파 할당 제어부(1142)는 송신 편파 할당부(1140)에 대해 선택된 직교 편파와 동일한 직교 편파(즉, ±45˚ 직교 편파)를 선택하고, 선택된 직교 편파를 지시하는 할당 제어신호를 수신 편파 할당부(1180)에 전송한다. 수신 편파 할당부(1180)는 4개의 직교 편파 성분들 중에서, 할당 제어신호에 의해 지시되는 직교 편파(즉, ±45˚ 직교 편파)에 대응하는 2개의 편파 성분을 출력한다.
도 11b의 예에서는, 수신 안테나 엘리먼트(1314)의 직교 편파 특성(V/H)이 다운링크 채널의 전파(혹은 송신 빔)의 직교 편파(V/H)와 일치하므로, 채널 비/가역성 보정이 필요하지 않다. 따라서, 수신 편파 합성부(1170)에 입력되는 신호들과 수신 편파 할당부(1314)로부터 출력되는 신호 간에 직교 편파가 달라지지 않는다.
도 11b를 참조하면, 편파 할당 제어부(1142)의 제어신호에 응답하여, 수신 편파 할당부(1140)은 V/H 직교 편파에 대응하는 2개의 편파 성분들을 출력한다. 2개의 편파 성분들은 송신 RF 체인(1210)을 거쳐 송신 안테나 엘리먼트(1312)에 공급(feed)된다. 송신 안테나 엘리먼트(1312)은 ±45˚ 직교 편파 특성을 가지는 바, 편파 합성에 의해 다운링크 채널의 전파(혹은 송신 빔)는 V/H 직교 편파를 가진다.
수신 안테나 엘리먼트(1314)는 업링크 채널의 전파를 수신하여 2개의 아날로그 수신 신호들을 출력한다. 수신 안테나 엘리먼트(1314)은 V/H 직교 편파 특성을 가지는 바, 2개의 아날로그 수신 신호들은 전파의 V/H 직교 편파 성분에 대응한다. 2개의 아날로그 수신 신호들은 수신 RF 체인(1220)의 RF 신호 처리를 거쳐 2개의 디지털 수신 신호들로 변환된다. 수신 편파 합성부(1170)는 2개의 디지털 수신 신호로부터 4개의 직교 편파 성분들을 합성할 수 있다.
편파 할당 제어부(1142)는 송신 편파 할당부(1140)에 대해 선택된 직교 편파와 동일한 직교 편파(즉, V/H 직교 편파)를 선택하고, 선택된 직교 편파를 지시하는 할당 제어신호를 수신 편파 할당부(1180)에 전송한다. 수신 편파 할당부(1180)는 4개의 직교 편파 성분들 중에서, 할당 제어신호에 의해 지시되는 직교 편파(즉, V/H 직교 편파)에 대응하는 2개의 편파 성분을 출력한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 안테나 장치(10)는 수신 안테나 엘리먼트(1314)로부터 입력되는 수신 신호들에 대해 편파 변환을 수행하거나 편파 합성 및 편파 할당을 수행하여, 다운링크 채널의 (혹은 송신 빔의 혹은 송신 채널들의) 직교 편파와 동일한 직교 편파에 대응하는 신호 성분들을 출력할 수 있다. 이로써 업링크 채널과 다운링크 채널 사이의 채널 비-가역성이 보정될 수 있으며, 그에 따라 업링크 채널로 수신되는 SRS로부터 추정된 업링크 채널의 상태정보(CSI)에 기초하여 수행되는 송신 빔포밍의 성능 저하가 방지될 수 있다. 덧붙여, RU에서 구현되는 안테나 장치(10)에서 수신 신호들에 대한 신호처리를 통해 채널 비-가역성을 보정(correction)되므로, DU에서는 채널 가역성이 확보될 수 있다.
크기-위상 보정(calibration)
앞서 언급한 바와 같이, 도 2a 및 도 2b에서, 크기-위상 보정부(1150)는 RF 신호들이 RF 경로들을 이동하는 과정에서 발생하는 편파의 크기 변화와 위상 변화의 편차를 보정할 수 있다.
크기-위상 보정부(1150)는 복수의 송신/수신 신호들 혹은 송신/수신 채널들에 대해 크기 및 위상 보정을 통합적으로 수행하는 하나의 컴포넌트로 구현될 수 있으며, 대안적으로, 복수의 송신/수신 신호들 혹은 송신/수신 채널들 각각에 대해 크기 및 위상 보정을 개별적으로 수행하는 복수의 모듈로 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 안테나 어레이(130)에서 발생하는 편파 합성의 정확도는 합성되는 무선 신호들의 크기와 위상에 크게 의존하므로, 이러한 크기 및 위상의 보정은 편파 합성의 정확도를 높인다. 따라서 크기 및 위상 보정은 모든 RF 경로들에 대해 적용될 수도 있으나, 복수의 RF 송신 경로들 중에서 편파 합성이 필요한 송신 경로들과, 복수의 RF 수신 경로들 중에서 채널 비-가역성 보정이 필요한 수신 경로들에 대해서만 선택적으로 적용될 수도 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치에서 송신 편파 합성 캘리브레이션을 수행하기 위한 예시적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 12에 예시된 바와 같이, 크기-위상 보정부(1150)는 보정 제어부(1152) 및 복수의 보정 실행부(1154)를 포함하여 구성될 수 있다.
보정 제어부(1152)는 복수의 송신 채널에 대해 수행되는 크기 및 위상 보정을 통합적으로 관리한다. 보정 제어부(1152)는 "송신 편파 할당부(1140)로부터 출력되는 편파 성분들"과 "송신 RF 체인(1210)으로부터 출력되는 편파 성분들"을 비교하여, 보정 실행부(1154)에 의해 수행될 크기 및 위상의 보정을 제어하기 위한 보정 제어신호를 생성할 수 있다. 보정 제어신호는 보상될 크기 값과 위상 값을 포함할 수 있다.
보정 제어부(1152)는 각 보정 실행부(1154)에 보정 제어신호를 송신할 수 있다. 각 보정 실행부(1154)는 보정 제어신호에 기초하여 크기 및 위상의 보정을 수행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 복수의 송신 경로들 중에서, 송신 경로에 할당된 직교 편파와 송신 안테나 엘리먼트의 직교 편파 특성이 상이한 (따라서 송신 안테나 엘리먼트에서 편파 합성이 발생하는) 송신 경로들에 대해서만 선택적으로 크기 및 위상 보정이 적용될 수도 있다.
따라서, 송신 안테나 엘리먼트에서 편파 합성이 발생하지 않는 경우에, 보정 제어부(1152)는 관련된 보정 실행부(1154)에 보정 제어신호를 전송하지 않거나, 보상될 크기 값과 위상 값이 각각 0(zero)로 설정된 보정 제어신호를 관련된 보정 실행부(1154)에 전송할 수 있다.
도 12를 참조하면, 편파 할당부(1140-1)는 2개의 송신 채널에 각각 편파 성분들 "a" 와 "b"을 출력하므로, 관련된 송신 안테나 엘리먼트(1312)에서 방사되는 송신 빔은 편파 합성을 수반하지 않는다. 따라서, 보정 제어부(1152)는 보정 실행부(1154-1)에 보정 제어신호를 전송하지 않거나, 보상될 크기 값과 위상 값이 각각 0(zero)로 설정된 보정 제어신호를 보정 실행부(1154-1)에 전송할 수 있다. 반면, 편파 할당부(1140-E)는 2개의 송신 채널에 각각 편파 성분들 "i + j"와 "i + jejπ"을 출력하므로, 관련된 송신 안테나 엘리먼트(1312)에서 방사되는 송신 빔은 편파 합성을 수반한다. 따라서, 보정 제어부(1152)는 "송신 편파 할당부(1140-E)로부터 출력되는 편파 성분들과 송신 RF 체인들(1210 E-1, 1210 E-2)으로부터 출력되는 편파 성분들을 비교하여, 송신 RF 체인들(1210 E-1, 1210 E-2) 간의 편차를 계산하고, 보정 실행부(1154-E)에 의해 수행될 크기 및 위상의 보정을 제어하기 위한 보정 제어신호를 생성할 수 있다. 보정 실행부(1154-E)는 보정 제어신호를 기초로 송신 편파 할당부(1140-E)로부터 출력되는 편파 성분들의 크기 및 위상을 조정하여, 송신 RF 체인(1210 E-1)과 송신 RF 체인(1210 E-2) 간의 RF 경로의 크기 및 위상 특성의 편차를 보상할 수 있다.
도 12에 예시된 구조 및 그 동작 방법이 수신 RF 체인들(1210-1 ~ 1210-M) 간의 RF 경로의 크기 및 위상 특성의 편차를 보상하는 데에도 동등하게 적용될 수 있다.
이러한 크기-위상 보정 기능을 통해, 안테나 어레이(130)에서 발생하는 편파 합성과 채널 비-가역성 보정이 더욱 정확하게 구현될 수 있게 된다. 또한, 크기-위상 보정 기능을 편파 합성을 수반하는 송신 경로들과 채널 비-가역성 보정을 수반하는 수신 경로들에 대해서만 선택적으로 적용함으로써, 보정 제어부(1152)의 보정 제어신호 생성에 따른 연산 부담을 줄여, 신속한 크기-위상 보정을 가능하게 한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 사중 편파를 이용하는 다중 빔 안테나 장치에 의해 수행되는 방법을 도시한 흐름도이다. 다중 빔 안테나 장치는 복수의 송신 빔을 형성하기 위해 사용되는 송신 안테나 엘리먼트들과 복수의 수신 빔을 형성하기 위해 사용되는 수신 안테나 엘리먼트들을 포함하는 어레이 안테나를 구비한다.
다중 빔 안테나 장치는 각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 채널에 대응되는 송신 신호들로부터 복수의 송신 편파 성분들을 생성할 수 있다(S1310).
다중 빔 안테나 장치는, 공간적으로 인접한 송신 빔들이 서로 상이한 직교 편파를 가지도록, 각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 채널에 대해, 상기 복수의 송신 편파 성분들 중에서 제1 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들 또는 제2 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들을 출력할 수 있다(S1320).
제1 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들은 제1 직교 편파를 가지는 송신 안테나 엘리먼트들에 방사되는 경우에, 제1 직교 편파를 가지는 송신 빔을 형성할 수 있다(즉, 편파 합성이 발생하지 않는다). 제2 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들은 제1 직교 편파를 가지는 송신 안테나 엘리먼트들에 방사되는 경우에, 편파 합성에 의해, 제2 직교 편파를 가지는 송신 빔을 형성할 수 있다.
다중 빔 안테나 장치는, 각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 채널에 대응하는 한 쌍의 송신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해 상기 한 쌍의 송신 편파 성분들의 크기 및 위상을 조정할 수 있다(S1330).
송신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정은, 편파 합성에 의해, 송신 빔이 송신 안테나 엘리먼트들의 직교 편파 특성과는 상이한 직교 편파를 가지는 경우에만 수행될 수 있다. 즉, 주어진 송신 빔의 직교 편파가 관련된 송신 안테나 엘리먼트들의 직교 편파 특성과 상이한 경우에, 다중 빔 안테나 장치는, 상기 주어진 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해 한 쌍의 송신 편파 성분들에 대해 크기 및 위상을 조정할 수 있다. 또한, 주어진 송신 빔의 직교 편파가 관련된 송신 안테나 엘리먼트들의 직교 편파 특성과 동일한 경우에, 다중 빔 안테나 장치는, 상기 주어진 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하지 않을 수 있다.
다중 빔 안테나 장치는, 각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대응하는 한 쌍의 수신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해, 한 쌍의 수신 경로들로부터 출력되는 한 쌍의 수신 신호들의 크기 및 위상을 조정할 수 있다(S1340).
수신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하는 것은, 대응하는 송신 빔의 직교 편파와는 상이한 직교 편파 특성을 가지는 수신 안테나 엘리먼트로부터 입력되는 (그에 따라 채널 비-가역성 보정이 필요한) 한 쌍의 수신 신호들에 대해서만 수행될 수 있다. 따라서, 주어진 수신 빔과 관련된 수신 안테나 엘리먼트들의 직교 편파 특성이 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파와는 상이한 경우에, 다중 빔 안테나 장치는, 상기 주어진 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해 한 쌍의 수신 신호들에 대해 크기 및 위상을 조정할 수 있다. 또한, 주어진 수신 빔과 관련된 수신 안테나 엘리먼트들의 직교 편파 특성이 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파와는 동일한 경우에, 다중 빔 안테나 장치는, 상기 주어진 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하지 않을 수 있다.
다중 빔 안테나 장치는, 각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널들에 대응되는 수신 신호들에 대해 채널 비-가역성 보정을 수행할 수 있다(S1350).
일부 실시예에서, 채널 비-가역성 보정을 수행하는 것(S1350)의 일부로서, 다중 빔 안테나 장치는, 각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대응하는 수신 신호들로부터, 각 수신 빔과 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파에 상응하는 편파 변환된 신호들을 생성할 수 있다. 구체적으로, 다중 빔 안테나 장치는, 대응하는 송신 빔의 직교 편파와는 상이한 직교 편파 특성을 가지는 수신 안테나 엘리먼트로부터 입력되는 (그에 따라 채널 비-가역성 보정이 필요한) 한 쌍의 수신 신호들에 대해서 편파 변환을 수행하여, 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파에 상응하는, 한 쌍의 수신 편파 성분들을 출력할 수 있다.
다른 일부 실시예에서, 채널 비-가역성 보정을 수행하는 것(S1350)의 일부로서, 다중 빔 안테나 장치는, 각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대응되는 수신 신호들로부터 복수의 수신 편파 성분들을 생성할 수 있다. 또한, 다중 빔 안테나 장치는, 각 수신 빔에 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대해, 상기 복수의 수신 편파 성분들 중에서, 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파에 상응하는, 한 쌍의 수신 편파 성분들을 출력할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATION]
본 특허출원은, 본 명세서에 그 전체가 참고로서 포함되는, 2020년 11월 4일에 출원한 한국특허출원번호 제10-2020-0145879호 및 2021년 11월 4일에 출원한 한국특허출원번호 제10-2021-0150406호에 대해 우선권을 주장한다.

Claims (15)

  1. 2종의 직교 편파들을 이용하는 다중 빔 안테나 장치에 의해 수행되는 방법으로서, 상기 다중 빔 안테나 장치는 복수의 송신 빔을 형성하기 위해 사용되는 송신 안테나 엘리먼트들과 복수의 수신 빔을 형성하기 위해 사용되는 수신 안테나 엘리먼트들을 포함하는 어레이 안테나를 구비하고, 상기 방법은,
    각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 채널에 대응되는 송신 신호들로부터 복수의 송신 편파 성분들을 생성하는 단계;
    공간적으로 인접한 송신 빔들이 서로 상이한 직교 편파를 가지도록, 각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 채널에 대해, 상기 복수의 송신 편파 성분들 중에서 제1 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들 또는 제2 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들을 출력하는 단계; 및
    각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대응하는 수신 신호들로부터, 각 수신 빔과 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파에 상응하는 편파 변환된 신호들을 생성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들은 상기 제1 직교 편파를 가지는 상기 송신 안테나 엘리먼트들에 방사되는 경우에, 상기 제1 직교 편파를 가지는 송신 빔을 형성하고,
    상기 제2 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들은 상기 제1 직교 편파를 가지는 상기 송신 안테나 엘리먼트들에 방사되는 경우에, 편파 합성에 의한 상기 제2 직교 편파를 가지는 송신 빔을 형성하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해 상기 한 쌍의 송신 편파 성분들의 크기 및 위상을 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    주어진 송신 빔의 직교 편파가 관련된 송신 안테나 엘리먼트들의 직교 편파 특성과 상이한 경우에, 상기 주어진 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해 한 쌍의 송신 편파 성분들에 대해 크기 및 위상을 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해 상기 한 쌍의 수신 편파 성분들의 크기 및 위상을 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    주어진 수신 빔과 관련된 수신 안테나 엘리먼트들의 직교 편파 특성이 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파와는 상이한 경우에, 상기 주어진 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해 한 쌍의 수신 신호들에 대해 크기 및 위상을 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 송신 안테나 엘리먼트들과 상기 수신 안테나 엘리먼트는 서로 상이한 직교 편파 특성을 가지는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 송신 안테나 엘리먼트들과 상기 수신 안테나 엘리먼트는 서로 동일한 직교 편파 특성을 가지는, 방법.
  9. 2종의 직교 편파들을 이용하는 다중 빔 안테나 장치로서,
    복수의 송신 빔을 형성하기 위해 사용되는 송신 안테나 엘리먼트들과 복수의 수신 빔을 형성하기 위해 사용되는 수신 안테나 엘리먼트들을 포함하는 어레이 안테나;
    각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 채널에 대응되는 송신 신호들로부터 복수의 송신 편파 성분들을 생성하는 송신 편파 합성부;
    공간적으로 인접한 송신 빔들이 서로 상이한 직교 편파를 가지도록, 각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 채널에 대해, 상기 복수의 송신 편파 성분들 중에서 제1 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들 또는 제2 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들을 출력하는 송신 편파 할당부; 및
    각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 채널에 대응하는 수신 신호들로부터, 각 수신 빔과 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파에 상응하는 편파 변환된 신호들을 생성하는 편파 변환부
    를 포함하는, 다중 빔 안테나 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들은 상기 제1 직교 편파를 가지는 상기 송신 안테나 엘리먼트들에 방사되는 경우에, 상기 제1 직교 편파를 가지는 송신 빔을 형성하고,
    상기 제2 직교 편파에 대응하는 한 쌍의 송신 편파 성분들은 상기 제1 직교 편파를 가지는 상기 송신 안테나 엘리먼트들에 방사되는 경우에, 편파 합성에 의한 상기 제2 직교 편파를 가지는 송신 빔을 형성하는, 다중 빔 안테나 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 송신 채널들에 대응하는 복수의 송신 경로들을 형성하는 복수의 송신 RF 체인 및 상기 복수의 수신 채널들에 대응하는 복수의 수신 경로들을 형성하는 복수의 수신 RF 체인; 및
    각 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해 상기 한 쌍의 송신 편파 성분들의 크기 및 위상을 조정하고, 각 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해 상기 한 쌍의 수신 신호들에 대해 크기 및 위상을 조정 크기-위상 보정부를 더 포함하는, 다중 빔 안테나 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 크기-위상 보정부는,
    주어진 송신 빔의 직교 편파가 관련된 송신 안테나 엘리먼트들의 직교 편파 특성과 상이한 경우에, 상기 주어진 송신 빔과 관련된 한 쌍의 송신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해 한 쌍의 송신 편파 성분들에 대해 크기 및 위상을 조정하도록 구성된, 다중 빔 안테나 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 크기-위상 보정부는,
    주어진 수신 빔과 관련된 수신 안테나 엘리먼트들의 직교 편파 특성이 공간적으로 동일한 방향을 향해 형성되는 송신 빔의 직교 편파와는 상이한 경우에, 상기 주어진 수신 빔과 관련된 한 쌍의 수신 경로들 간의 크기 및 위상 특성의 편차를 보정하기 위해 한 쌍의 수신 신호들에 대해 크기 및 위상을 조정하도록 구성된, 다중 빔 안테나 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 송신 안테나 엘리먼트들과 상기 수신 안테나 엘리먼트는 서로 상이한 직교 편파 특성을 가지는, 다중 빔 안테나 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 송신 안테나 엘리먼트들과 상기 수신 안테나 엘리먼트는 서로 동일한 직교 편파 특성을 가지는, 다중 빔 안테나 장치.
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