KR101994325B1

KR101994325B1 - 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR101994325B1
Application number: KR1020130062811A
Authority: KR
Inventors: 설지윤; 양희성; 전주환
Original assignee: 삼성전자주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2019-09-30
Also published as: US10361765B2; US20140355467A1; KR20140141261A

Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따르면, 통신 시스템에서 다수의 안테나들을 포함하는 제1안테나 어레이 장치가 적어도 하나의 제2안테나 어레이 장치와 협력하여 적어도 하나의 단말과 데이터 통신을 수행하고, 상기 다수의 안테나들 중 적어도 하나의 기준(reference) 안테나를 결정하고, 상기 데이터 통신 동안 상기 제1안테나 어레이 장치에 대한 제1보호 구간(guard interval)의 시작을 확인하고, 상기 제1보호 구간은 상기 적어도 하나의 제2안테나 어레이 장치에 대한 제2보호 구간과 오버랩(overlap)되지 않으며, 상기 제1보호 구간 동안 상기 데이터 통신을 중단하고, 상기 다수의 안테나들 중 상기 적어도 하나의 기준 안테나를 제외한 노말(normal) 안테나들 각각과 상기 적어도 하나의 기준 안테나 간의 송신 패스들에 대응하는 송신 캘리브레이션 계수(calibration factor)를 결정하고, 상기 노말 안테나들 각각과 상기 적어도 하나의 기준 안테나 간의 수신 패스들에 대응하는 수신 캘리브레이션 계수를 결정하고, 상기 제1보호 구간이 종료됨이 확인되면, 상기 중단된 데이터 통신을 재개한다.

Description

통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 및 그 제어 방법{ARRAY ANTENNA APPARATUS AND CONTROL METHOD THEREOF IN COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 통신 시스템에서 어레이 안테나(array antenna) 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 다양한 동작 모드들을 운영할 수 있는 어레이 안테나 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 구조의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 설명하기에 앞서, 도 1에 도시되어 있는 통신 시스템은 부호 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access: CDMA, 이하 "CDMA"라 칭하기로 한다) 방식을 사용하는 주파수 분할 듀플렉싱(Frequency Division Duplexing) 통신 시스템이라고 가정하기로 한다.

도 1을 참조하면, 상기 어레이 안테나 장치는 N+1개의 안테나들, 즉 1개의 추가 안테나(additional antenna)(110) 및 N개의 어레이 안테나들, 즉 어레이 안테나 # 1(120-1)와, 어레이 안테나 # 2(120-2)와, … , 어레이 안테나 # n(120-n)와, … , 어레이 안테나 # N(120-N)과, N+1개의 서큘레이터(circulator)들, 즉 서큘레이터 # 0(130-0)과, 서큘레이터 # 1(130-1)과, … , 서큘레이터 # n(130-n)과, … , 서큘레이터 # N(130-N)과, N+1개의 무선 주파수(Radio Frequency: RF, 이하 "RF"라 칭하기로 한다) 체인(chain)들, 즉 N+1개의 RF 송신 체인들, 즉 RF 송신 체인 #0(140-0)과, RF 송신 체인 #1(140-1)과, … , RF 송신 체인 #n(140-n)과, … , RF 송신 체인 #N(140-N)과, N+1개의 RF 수신 체인들, 즉 RF 수신 체인 #0(150-0)과, RF 수신 체인 #1(150-1)과, … , RF 수신 체인 #n(150-n)과, … , RF 수신 체인 #N(150-N)과, 캘리브레이션 프로세서(calibration processor)(160)를 포함한다.

상기 추가 안테나(110)는 상기 CDMA 방식을 사용하는 주파수 분할 듀플렉싱(Frequency Division Duplexing: FDD, 이하 "FDD"라 칭하기로 한다) 기반의 통신 시스템에서 상기 어레이 안테나 장치를 캘리브레이션하기 위해 사용되는 안테나로서, 상기 어레이 안테나 장치는 캘리브레이션 신호를 송신할 경우 안테나들끼리 그 신호가 커플링(coupling)되는 현상을 사용하여 상기 어레이 안테나 장치를 캘리브레이션한다.

또한, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 상기 안테나 어레이 장치가 포함하는 모든 안테나들 각각에 RF 체인, 즉 RF 송신 체인 및 RF 수신 체인이 연결되어 있기 때문에 상기 안테나 어레이 장치는 완전한 디지털 시스템(fully digital system)이 된다. 또한, 상기 안테나 어레이 장치에서 사용하는 송신 주파수는 "

"이고, 수신 주파수는 "

"라고 가정하기로 한다.

또한, 상기 추가 안테나(110)와 상기 어레이 안테나들 각각, 즉 어레이 안테나 # 1(120-1)와, 어레이 안테나 # 2(120-2)와, … , 어레이 안테나 # n(120-n)와, … , 어레이 안테나 # N(120-N)간의 캘리브레이션 신호 송수신시 발생하는 위상 차이(phase difference)는 미리 측정되어 있다고 가정하기로 한다. 이렇게, 상기 추가 안테나(110)와 상기 어레이 안테나 # 1(120-1)와, 어레이 안테나 # 2(120-2)와, … , 어레이 안테나 # n(120-n)와, … , 어레이 안테나 # N(120-N)간의 캘리브레이션 신호 송수신시 발생하는 위상 차이를 미리 측정할 수 있는 이유는 상기 추가 안테나(110)와 어레이 안테나 # 1(120-1)와, 어레이 안테나 # 2(120-2)와, … , 어레이 안테나 # n(120-n)와, … , 어레이 안테나 # N(120-N)의 위치가 고정적이고, 상기 추가 안테나(110)와 어레이 안테나 # 1(120-1)와, 어레이 안테나 # 2(120-2)와, … , 어레이 안테나 # n(120-n)와, … , 어레이 안테나 # N(120-N) 혹은 상기 추가 안테나(110)와 어레이 안테나 # 1(120-1)와, 어레이 안테나 # 2(120-2)와, … , 어레이 안테나 # n(120-n)와, … , 어레이 안테나 # N(120-N) 주변 유선 환경의 패시브(passive)한 특성으로 인해 원하지 않는 콤플렉스 이득(undesired complex gain, 이하 "undesired complex gain"라 칭하기로 한다)은 거의 변하지 않기 때문이다.

한편, 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 안테나 어레이 장치의 송신 패스(path) 캘리브레이션은 하기와 같은 (a1) 과정 내지 (c1) 과정을 통해 수행되며, 이에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

(a1) 캘리브레이션 프로세서(160)는 캘리브레이션 신호를 생성하고, 상기 생성한 캘리브레이션 신호를 RF 송신 체인 #1(140-1)과, … , RF 송신 체인 #n(140-n)과, … , RF 송신 체인 #N(140-N)으로 출력한다. 상기 RF 송신 체인 #1(140-1)과, … , RF 송신 체인 #n(140-n)과, … , RF 송신 체인 #N(140-N) 각각은 상기 캘리브레이션 프로세서(160)에서 출력한 캘리브레이션 신호를 상기 송신 주파수

에 상응하게 변조한 후 송신한다.

(b1) 상기 RF 수신 체인 #0(150-0)은 상기 RF 송신 체인 #1(140-1)과, … , RF 송신 체인 #n(140-n)과, … , RF 송신 체인 #N(140-N) 각각에서 송신한 신호를 커플링(coupling)된 형태로 수신하게 되고, 상기 캘리브레이션 프로세서(160)는 데이터 신호 뿐만 아니라 상기 어레이 안테나 # 1(120-1)와, 어레이 안테나 # 2(120-2)와, … , 어레이 안테나 # n(120-n)와, … , 어레이 안테나 # N(120-N) 각각에서 송신된 캘리브레이션 신호와 선형 결합된 신호 데이터를 각 안테나 패스별 신호로 분리한다.

(c1) 상기 캘리브레이션 프로세서(160)는 상기 분리된 안테나 패스별 캘리브레이션 신호로부터 각 송신 패스에 대한 캘리브레이션 계수(calibration factor)를 계산하며, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

첫 번째로, 상기 (b1) 과정에서 상기 RF 수신 체인 #0(150-0)이 수신한 신호는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 1에서, c_n(t)는 상기 n번째 어레이 안테나로부터 송신된 캘리브레이션 신호를 나타내고, z_c(t)는 캘리브레이션 안테나 패스에서 부가 백색 가우시안 잡음(additive white Gaussian noise: AWGN, 이하 "AWGN"라 칭하기로 한다)를 나타낸다.

는 각각 번째 어레이 안테나에 연결되어 있는 RF 수신 체인의 테스트 신호 및 송신 위상 특성(phase characteristic)을 나타내고,

는 n번째 어레이 안테나의 송신 위상 특정을 나타내고,

는 상기 추가 안테나와 n번째 어레이 안테나간의 위상 지연(phase delay)을 나타내고,

는 상기 n번째 어레이 안테나로부터의 m번째 데이터 신호를 나타낸다.

두 번째로, 상기 (b1) 과정에서 j번째 안테나와 k번째 어레이 안테나 사이의 위상 차이(phase difference)는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 2에서, T는 테스트 신호(test signal)의 주기를 나타내며, 이는

가 미리 보상될 수 있기 때문이다.

따라서, 상기 번째 안테나와 k번째 어레이 안테나 사이의 위상

를 사용하여 송신 캘리브레이션 계수를 구할 수 있게 된다.

또한, 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 안테나 어레이 장치의 수신 패스 캘리브레이션은 하기와 같은 (a2) 과정 내지 (c2) 과정을 통해 수행되며, 이에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

(a2) 상기 캘리브레이션 프로세서(160)에서 출력하는 캘리브레이션 신호를 상기 RF 송신 체인 #0(140-0)이 수신 주파수

에 상응하게 변조하여 송신한다.

(b2) 상기 RF 수신 체인 #1(150-1) 내지 상기 RF 수신 체인 #N(150-N)은 상기 (a2) 과정에서 상기 RF 송신 체인 #0(140-0)이 송신한 캘리브레이션 신호를 커플링 형태로 수신하고, 상기 캘리브레이션 프로세서(160)는 상기 RF 수신 체인 #1(150-1) 내지 상기 RF 수신 체인 #N(150-N)에서 수신한 디지털 신호와 결합된 캘리브레이션 신호를 분리시킨다.

(c2) 상기 캘리브레이션 프로세서(160)는 상기 분리된 캘리브레이션 신호로부터 각 수신 패스에 대한 캘리브레이션 계수를 계산하며, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

첫 번째로, 상기 (b2) 과정에서 n번째 어레이 안테나를 통해 수신한 신호는 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 3에서, c(t) 및

는 각각 n번째 어레이 안테나에 연결되어 있는 RF 송신 체인의 테스트 신호 및 송신 위상 특성(phase characteristic)을 나타내고,

는 n번째 어레이 안테나의 수신 위상 특정을 나타내고,

는 상기 n번째 어레이 안테나로부터의 m번째 데이터 신호를 나타내고,

는 n번째 어레이 안테나 패스로부터의 AWGN을 나타낸다.

두 번째로, 상기 (b2) 과정에서 j번째 어레이 안테나와 k번째 어레이 안테나간의 위상 차이는 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 4에서, T는 테스트 신호의 주기를 나타내고, 이는

가 미리 보상될 수 있기 때문이다.

도 1에서는 일반적인 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 구조의 일 예에 대해서 설명하였으며, 다음으로 도 2를 참조하여 일반적인 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 구조의 다른 예에 대해서 설명하기로 한다.

도 2는 일반적인 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 구조의 다른 예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2를 설명하기에 앞서, 도 2에 도시되어 있는 어레이 안테나 장치는 커플러(coupler)를 사용하여 캘리브레이션 신호를 내부 순환시킴으로써 획득하게 되는 신호를 사용하여 캘리브레이션을 수행한다. 따라서, 도 2에 도시되어 있는 어레이 안테나 장치는 비교적 복잡한 RF 네트워크를 사용한다.

도 2를 참조하면, 상기 어레이 안테나 장치는 N개의 안테나들, 즉 안테나#1(210-1)과, 안테나 #2(210-2), … , 안테나 #N(210-N)과, N개의 서큘레이터들, 즉 서큘레이터 #1(220-1)과, 서큘레이터 #2(220-2), …. , 서큘레이터 #N(220-N)과, N개의 방향성 커플러(directional coupler: DC, 이하 "DC"라 칭하기로 한다)들, 즉 DC #1(230-1), DC #2(230-2), … , DC #N(230-N)과, 주파수 변환기(Frequency convertor: FC, 이하 "FC"라 칭하기로 한다)(240)와, 다수의 스위치(switch: SW, 이하 "SW"라 칭하기로 한다)들, 즉 SW#1(250-1), SW#2(250-2), SW#3(250-3), … , N개의 RF 송신 체인, 즉 RF 송신 체인 #1(260-1), RF 송신 체인 #2(260-2), …, RF 송신 체인 #N(260-N)과, N개의 RF 수신 체인, 즉 RF 수신 체인 #1(270-1), RF 수신 체인 #2(270-2), …, RF 수신 체인 #N(270-N)과, 적응적 & 캘리브레이션 프로세서(adaptive & calibration processor)(280)를 포함한다.

또한, 도 2에서 f1은 송신 동작 주파수를 나타내고, f2는 수신 동작 주파수를 나타내고, Q는 상기 FC(240)에 의해서 발생되는 undesired complex gain을 나타내고,

는 i번째 수신기, 즉 i번째 RF 수신 체인에서 발생되는 undesired complex gain을 나타내고,

는 i번째 송신기, 즉 i번째 RF 송신 체인에서 발생되는 undesired complex gain을 나타낸다.

한편, 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 안테나 어레이 장치의 송신 패스 캘리브레이션은 하기와 같은 (a1) 과정 내지 (c1) 과정을 통해 수행되며, 이에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

(a1) 상기 RF 송신 체인 #1(260-1), RF 송신 체인 #2(260-2), …, RF 송신 체인 #N(260-N) 각각을 통해 송신되는 신호는 상기 DC #1(230-1), DC #2(230-2), … , DC #N(230-N) 각각으로 커플링되어 상기 SW1(250-1)로 전달된다.

(b1) 상기 SW1(250-1)은 상기 FC(240)로 상기 DC #1(230-1), DC #2(230-2), … , DC #N(230-N) 각각에서 전달된 신호를 전달한다. 그러면, 상기 FC(240)는 로 상기 DC #1(230-1), DC #2(230-2), … , DC #N(230-N) 각각에서 전달된 신호의 송신 동작 주파수를 수신 동작 주파수로 변환하고, 상기 수신 동작 주파수로 변환된 신호를 상기 RF 수신 체인 #1(270-1)로 전달한다.

(c1) 상기와 같은 동작들을 통해 상기 어레이 안테나 장치는 하기 수학식 5와 같은 이득을 획득할 수 있다.

(d1) 상기 (c1) 과정에서 획득한 이득을 사용하여 하기 수학식 6과 같은 송신 캘리브레이션 계수를 획득할 수 있다.

한편, 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 안테나 어레이 장치의 수신 패스 캘리브레이션은 하기와 같은 (a2) 과정 내지 (c2) 과정을 통해 수행되며, 이에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

(a2) 상기 RF 송신 체인 #1(260-1)에서 송신한 신호가 상기 DC#1(230-1)에 의해 커플링되어 상기 SW1(250-1)로 전달되고, 상기 SW1(250-1)는 상기 DC#1(230-1)로부터 전달받은 신호를 상기 FC(240)으로 전달한다. 상기 FC(240)는 상기 SW1(250-1)에서 출력한 신호를 주파수 변환한다.

(b2) 상기 FC(240)에서 주파수 변환된 신호는 상기 SW2(250-2)로 전달되며, 상기 SW2(250-2)는 상기 RF 수신 체인 #1(270-1), RF 수신 체인 #2(270-2), …, RF 수신 체인 #N(270-N)으로 전달한다.

(c2) 상기와 같은 동작들을 통해 상기 어레이 안테나 장치는 하기 수학식 7과 같은 이득을 획득할 수 있다.

(d2) 상기 (c2) 과정에서 획득한 이득을 사용하여 하기 수학식 8과 같은 수신 캘리브레이션 계수를 획득할 수 있다.

한편, 도 1에서 설명한 바와 같은 어레이 안테나 장치는 상기 어레이 안테나 장치의 캘리브레이션을 위해 추가적으로 구비되는 안테나, 즉 추가 안테나는 단지 캘리브레이션만을 위해 존재하기 때문에 직접적인 통신 성능 향상, 일 예로 데이터 레이트(data rate) 향상 등과 같은 직접적인 통신 성능 향상에는 전혀 도움이 되지 않기 때문에 상기 추가 안테나는 통신 성능 향상 측면에서는 리던던시(redundancy)가 될 뿐이다. 또한, 도 1에 도시되어 있는 어레이 안테나 장치는 기본적으로 모든 송/수신 모듈(Transmitting/Receiving (TR) module)에 RF 체인이 구비되어 있는 완전한 디지털 시스템을 고려하고 있기 때문에 도 1에서 설명한 캘리브레이션 동작의 경우 서브-어레이(sub-array) 기반의 어레이 안테나 장치에는 적용하는 것은 어려울 수 있다.

또한, 도 2에서 설명한 바와 같은 어레이 안테나 장치는 캘리브레이션을 위해 비교적 복잡한 구조를 가지는 RF 네트워크를 사용하고 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 및 그 제어 방법을 제안한다.

또한, 본 발명은 통신 시스템에서 다양한 동작 모드들을 운영할 수 있는 어레이 안테나 장치 및 그 제어 방법을 제안한다.

또한, 본 발명은 데이터 통신과 데이터 통신에 영향을 주지 않는 온라인(on-line) 캘리브레이션을 수행하는 어레이 안테나 장치 및 그 제어 방법을 제안한다.

또한, 본 발명은 서브-어레이 기반 구조를 지원하면서도, 캘리브레이션을 수행하는 어레이 안테나 장치 및 그 제어 방법을 제안한다.

일 실시 예에 따른 방법은; 통신 시스템에서 다수의 안테나들을 포함하는 제1안테나 어레이 장치의 동작 방법에 있어서, 적어도 하나의 제2안테나 어레이 장치와 협력하여 적어도 하나의 단말과 데이터 통신을 수행하는 과정과, 상기 다수의 안테나들 중 적어도 하나의 기준(reference) 안테나를 결정하는 과정과, 상기 데이터 통신 동안 상기 제1안테나 어레이 장치에 대한 제1보호 구간(guard interval)의 시작을 확인하는 과정과, 상기 제1보호 구간은 상기 적어도 하나의 제2안테나 어레이 장치에 대한 제2보호 구간과 오버랩(overlap)되지 않으며, 상기 제1보호 구간 동안 상기 데이터 통신을 중단하고, 상기 다수의 안테나들 중 상기 적어도 하나의 기준 안테나를 제외한 노말(normal) 안테나들 각각과 상기 적어도 하나의 기준 안테나 간의 송신 패스들에 대응하는 송신 캘리브레이션 계수(calibration factor)를 결정하고, 상기 노말 안테나들 각각과 상기 적어도 하나의 기준 안테나 간의 수신 패스들에 대응하는 수신 캘리브레이션 계수를 결정하는 과정과, 상기 제1보호 구간이 종료됨이 확인되면, 상기 중단된 데이터 통신을 재개하는 과정을 포함한다.

일 실시 예에 따른 장치는; 통신 시스템에서 제1안테나 어레이 장치에 있어서, 다수의 안테나들과, 적어도 하나의 제2안테나 어레이 장치와 협력하여 적어도 하나의 단말과 데이터 통신을 수행하는 송수신부와, 상기 다수의 안테나들 중 적어도 하나의 기준(reference) 안테나를 결정하고, 상기 데이터 통신 동안 상기 제1안테나 어레이 장치에 대한 제1보호 구간(guard interval)의 시작을 확인하고, 상기 제1보호 구간은 상기 적어도 하나의 제2안테나 어레이 장치에 대한 제2보호 구간과 오버랩(overlap)되지 않으며, 상기 제1보호 구간 동안 상기 데이터 통신을 중단하도록 상기 송수신부를 제어하고, 상기 다수의 안테나들 중 상기 적어도 하나의 기준 안테나를 제외한 노말(normal) 안테나들 각각과 상기 적어도 하나의 기준 안테나 간의 송신 패스들에 대응하는 송신 캘리브레이션 계수(calibration factor)를 결정하고, 상기 노말 안테나들 각각과 상기 적어도 하나의 기준 안테나 간의 수신 패스들에 대응하는 수신 캘리브레이션 계수를 결정하고, 상기 제1보호 구간이 종료됨이 확인되면, 상기 중단된 데이터 통신을 재개하도록 상기 송수신부를 제어하는 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.

본 발명은 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치가 다양한 동작 모드(operation mode)들을 운영할 수 있도록 한다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치가 데이터 통신과 데이터 통신에 영향을 주지 않는 온라인(on-line) 캘리브레이션(calibration)을 수행할 수 있도록 한다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 서브-어레이(sub-array) 기반 구조를 지원하면서도, 캘리브레이션을 수행하는 어레이 안테나 장치 및 그 제어 방법을 제안한다.

또한, 본 발명은 고주파 대역-Large array-directional beam을 사용하며, 패스 손실(path loss)(

)을 고려한 비교적 촘촘한 백홀 네트워크(backhaul network), 일 예로 펨토 셀(femto cell)과, 나노 셀(nano cell) 등과 같은 비교적 촘촘한 백홀 네트워크를 구성할 경우 필연적으로 발생되는 셀간 인터페이스 제어가 가능하다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 large array 상황에서 CSI 추정 기반 아닌 MS 위치 추정 기반의 간섭 제어 방식을 사용하여 CSI 추정 로드(load)를 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 셀 서비스 구간과 BS 통신 구간을 포함하는 BS 운용 프레임 구조에서 캘리브레이션 동작 수행 구간을 각 BS끼리 스케쥴링(scheduling)한 후, 보호 구간에서 송신 패스와 수신 패스 각각에 대한 캘리브레이션 동작을 수행하여 데이터 통신에 영향을 주지 않는 온-라인 캘리브레이션을 성취할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 구조의 일 예를 개략적으로 도시한 도면
도 2는 일반적인 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 구조의 다른 예를 개략적으로 도시한 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 구조의 일 예를 개략적으로 도시한 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 구조의 다른 예를 개략적으로 도시한 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 송신 패스 캘리브레이션을 위한 캘리브레이션 신호 송/수신 패스 및 수신 패스 캘리브레이션을 위한 캘리브레이션 신호 송/수신 패스를 개략적으로 도시한 도면
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 프레임(frame) 구조를 개략적으로 도시한 도면
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 안테나 어레이 장치가 캘리브레이션 동작을 수행할 경우의 송신 캘리브레이션 신호 분리 동작 및 수신 캘리브레이션 신호 분리 동작을 개략적으로 도시한 도면
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 BS의 멀티-모드 운영 과정을 개략적으로 도시한 순서도
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 MSC의 원리를 개략적으로 도시한 도면

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명은 통신 시스템에서 어레이 안테나(array antenna) 장치 및 그 제어 방법을 제안한다.

또한, 본 발명은 통신 시스템에서 다양한 동작 모드(operation mode)들을 운영할 수 있는 어레이 안테나 장치 및 그 제어 방법을 제안한다.

또한, 본 발명은 데이터 통신과 데이터 통신에 영향을 주지 않는 온라인(on-line) 캘리브레이션(calibration)을 수행하는 어레이 안테나 장치 및 그 제어 방법을 제안한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 구조의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3에 도시되어 있는 어레이 안테나 장치는 서브-어레이 기반의 어레이 안테나 장치이다. 즉, 도 3에 도시되어 있는 어레이 안테나 장치는 다수개의 안테나 엘리먼트(antenna element)에 대한 송/수신 모듈(Transmitting/Receiving (TR) module: TR module, 이하 "TR module"라 칭하기로 한다)을 1개의 무선 주파수(Radio Frequency: RF, 이하 "RF"라 칭하기로 한다) 체인(chain)에 결합하여 구성한 한 개 또는 다수의 서브-어레이 형태의 주 안테나(main antenna)와 한 개 또는 다수개의 기준 안테나(reference antenna)들로 구성된 송/수신기에 적용 가능하다. 여기서, 상기 기준 안테나는 캘리브레이션을 위한 기준 안테나의 역할을 수행할 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 어레이 장치는 N+1개의 안테나들, 즉 보조 안테나(300-0)와, N개의 어레이 안테나들, 즉 어레이 안테나 #1(300-1)와, … , 어레이 안테나 #n(300-n)와, … , 어레이 안테나 #N(300-N)과, N+1개의 서큘레이터(circulator)들, 즉 서큘레이터 # 0(310-0)과, 서큘레이터 # 1(310-1)과, … , 서큘레이터 # n(310-n)과, … , 서큘레이터 # N(310-N)과, 커플러 & 스위치(coupler & switch)(320)와, 주파수 변환기(frequency converter)(330)와, N+1개의 RF 송신 체인들, 즉 RF 송신 체인 #0(340-0)과, RF 송신 체인 #1(340-1)과, … , RF 송신 체인 #n(340-n)과, … , RF 송신 체인 #N(340-N)과, N+1개의 RF 수신 체인들, 즉 RF 수신 체인 #0(350-0)과, RF 수신 체인 #1(350-1)과, … , RF 수신 체인 #n(350-n)과, … , RF 수신 체인 #N(350-N)과, N개의 스위치들, 즉 스위치 #1(355-3), … , 스위치 #n(355-n), … , 스위치 #N(355-N)과, 2개의 가산기들, 즉 가산기 #1(360-1) 및 가산기 #2(360-2)와, 2개의 디지털/아날로그 변환기(Digital to Analog Converter: DAC, 이하 "DAC"라 칭하기로 한다)들, 즉 DAC #1(370-1) 및 DAC #2(370-2)와, 2개의 아날로그/디지털 변환기(Analog to Digital Converter: ADC, 이하 "ADC" 라 칭하기로 한다), 즉 ADC #1(380-1) 및 ADC #2(380-2)와, 디지털 신호 프로세서 & 캘리브레이션 프로세서(digital signal processor & calibration processor)(390)를 포함한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 어레이 안테나 장치 구조의 다른 예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4에 도시되어 있는 어레이 안테나 장치는 도 3에 도시되어 있는 바와 같은 서브-어레이 기반이 아닌 어떤 어레이 형태에 대해서도 적용될 수 있는 어레이 안테나 장치이다.

도 4를 참조하면, 상기 어레이 장치는 N+1개의 안테나들, 즉 보조 안테나(400-0)와, N개의 어레이 안테나들, 즉 어레이 안테나 #1(400-1)와, … , 어레이 안테나 #n(400-n)와, … , 어레이 안테나 #N(400-N)과, N+1개의 서큘레이터들, 즉 서큘레이터 # 0(410-0)과, 서큘레이터 # 1(410-1)과, … , 서큘레이터 # n(410-n)과, … , 서큘레이터 # N(410-N)과, 커플러 & 스위치(420)와, 주파수 변환기(430)와, 즉 N+1개의 RF 송신 체인들, 즉 RF 송신 체인 #0(440-0)과, RF 송신 체인 #1(440-1)과, … , RF 송신 체인 #n(440-n)과, … , RF 송신 체인 #N(440-N)과, N+1개의 RF 수신 체인들, 즉 RF 수신 체인 #0(450-0)과, RF 수신 체인 #1(450-1)과, … , RF 수신 체인 #n(450-n)과, … , RF 수신 체인 #N(450-N)과, N+1개의 DAC들, 즉 DAC #0(460-0), DAC #1(460-1), … , DAC #n(460-n), …, DAC #N(460-N)과, N+1개의 ADC들, 즉 ADC #0(470-0), ADC #1(470-1), … , ADC #n(470-n), …, ADC #N(470-N)과, 디지털 신호 프로세서 & 캘리브레이션 프로세서(480)를 포함한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 송신 패스(Tx path) 캘리브레이션을 위한 캘리브레이션 신호 송/수신 패스 및 수신 패스(Rx path) 캘리브레이션을 위한 캘리브레이션 신호 송/수신 패스를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5에 도시되어 있는 송신 패스 캘리브레이션을 위한 캘리브레이션 신호 송/수신 패스 및 수신 패스 캘리브레이션을 위한 캘리브레이션 신호 송/수신 패스는 일 예로 도 4에 도시되어 있는 안테나 어레이 장치를 일 예로 하여 설명함에 유의하여야만 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 프레임(frame) 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 1개의 프레임은 셀 서비스 구간(cell service interval)과 기지국(Base Station: BS, 이하 "BS"라 칭하기로 한다) 통신 구간(BS communication interval)을 포함한다.

상기 BS 통신 구간은 상기 통신 시스템이 적어도 2개 이상의 BS들이 1개의 이동 단말기(Mobile Station: MS, 이하 "MS"라 칭하기로 한다)에 대한 서비스를 제공하는 BS 협력 통신(BS cooperative communication)을 지원할 경우, 상기 1개의 MS에 대한 서비스를 제공하는 BS들간의 정보를 교환하는 구간이다. 또한, 상기 셀 서비스 구간은 해당 셀에 존재하는 MS에 대한 통신 서비스를 지원하기 위해 사용되는 구간이다.

먼저, 본 발명에서는 기본적으로 주파수 분할 듀플렉싱(Frequency Division Duplexing: FDD, 이하 "FDD"라 칭하기로 한다) 방식을 사용하는 것을 고려하고 있기 때문에, 송신 패스와 수신 패스에 대한 TR module이 위상 쉬프터(phase shifter)와 전력 증폭기(power amplifier)를 공유하지 않고 있다. 하지만, 본 발명에서 제안하는 안테나 어레이 장치는 FDD 방식을 사용하는 통신 시스템에서만 적용되는 것이 아니라 시분할 듀플렉싱(Time Division Dupleximg: TDD, 이하 "TDD"라 칭하기로 한다) 방식을 사용하는 통신 시스템에서도 적용될 수 있음은 물론이다. 이렇게, TDD 방식을 사용하는 통신 시스템에서 본 발명에서 제안하는 안테나 어레이 장치가 적용될 경우 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 안테나 어레이 장치가 포함하는 TR module은 위상 쉬프터와 전력 증폭기를 공유할 수도 있다.

한편, 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 안테나 어레이 장치에서 어레이 안테나의 경우 해당하는 송신 패스에 대해서는, 즉 해당하는 RF 송신 체인에는 DAC가 포함되어 있고, 해당하는 수신 패스에 대해서는, 즉 해당하는 RF 수신 체인에는 ADC가 포함되어 있다.

또한, 3 및 도 4에 도시되어 있는 안테나 어레이 장치에서 기준 안테나의 경우 해당하는 송신 패스에 대해서는, 즉 해당하는 RF 송신 체인에는 DAC가 포함되어 있고, 해당하는 수신 패스에 대해서는, 즉 해당하는 RF 수신 체인에는 ADC가 포함되어 있을 뿐만 아니라, 해당하는 RF 체인에는 커플러 & 스위치 및 주파수 변환기가 포함되어 있다.

본 발명에서는 하기와 같은 가정들을 고려하여 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 안테나 어레이 장치를 제안한 것이며, 이에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

1. 가정 (1)

고주파 대역과 빔(beam)을 사용하는 차세대 통신 시스템에서 증가되는 데이터 트래픽(data traffic) 양을 감당하기 위해 셀 구조가 하나의 셀 내에서 다수개의 BS들이 존재하여 협력 통신을 수행하는 구조를 가지거나, 혹은 비교적 작은 셀, 일 예로, 나노 셀(nano cell), 혹은 펨토 셀(femto cell) 등과 같은 비교적 작은 셀 구조를 형성할 것이다. 이 경우, BS들 상호간의 간섭 제어(interference control), 또는 BS와 MS간의 간섭 제어가 중요해 질 것이다.

2. 가정 (2)

일반적인 통신 시스템에 최소한의 장치 추가와 적절한 운용으로 빔을 사용한 데이터 통신과 이를 유지 보수하기 위한 어레이 캘리브레이션(array calibration)을 모두 성취해야 할 것이다. 따라서, 다중 역할을 수행하는 기준 안테나와 멀티-모드(multi-mode) 통신 운용을 기반으로 하는 안테나 구조 및 운용 방안을 제안할 것이다.

그러면 여기서 본 발명에서 제안하는 어레이 안테나 장치의 동작에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에서 제안하는 어레이 안테나 장치는 FDD 방식을 사용하는 것을 가정하여 동작하지만, 상기 FDD 방식 뿐만 아니라 TDD 방식을 사용할 경우에도 본 발명에서 제안하는 어레이 안테나 장치가 사용될 수도 있음은 물론이다.

또한, 본 발명에서 제안하는 어레이 안테나 장치는 완전한 디지털 시스템(fully digital system, 이하 "fully digital system"라 칭하기로 한다) 뿐만 아니라 서브-어레이 시스템(subarray system) 및 상기 fully digital system과 서브-어레이 시스템이 혼용되는 어레이 안테나 시스템을 고려하며, 주파수 변환기와 커플러 & 스위치가 추가적으로 연결되어 있는 기준 안테나와 서브-어레이 또는 일반적인 어레이 형태를 가지는 일반 안테나를 포함한다. 여기서, 상기 주파수 변환기와 커플러 & 스위치는 캘리브레이션 동작 시에만 동작하며 데이터 통신 시에는 동작하지 않는다.

상기 기준 안테나는 멀티-모드 운용을 위한 다중 역할을 수행하며, 이에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 여기서, 상기 멀티-모드는 일 예로 노말 모드(normal mode)와, 간섭 제어 모드(interference control mode) 및 캘리브레이션 모드(calibration mode)를 포함한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에서 제안하는 안테나 어레이 장치는 FDD 방식을 사용하는 것을 고려하기 때문에, 송신 패스와 수신 패스에서 사용되는 주파수는 상이하며, 상기 송신 패스에서 사용되는 주파수, 즉 송신 주파수는

이고, 상기 수신 패스에서 사용되는 주파수, 즉 수신 주파수는

이다.

또한, 도 3 및 도 4에서 RF 송신 체인들, 즉 RF 송신 체인 #1 내지 RF 송신 체인 #N과, RF 수신 체인들, 즉 RF 수신 체인 #1 내지 RF 수신 체인 #N은 일반 안테나를 위한 TR module을 나타내고, RF 송신 체인 #0 및 RF 수신 체인 #0은 기준 안테나를 위한 TR module을 나타낸다.

도 3에서, RF 송신 체인들, 즉 RF 송신 체인 #1 내지 RF 송신 체인 #N 각각에 연결되어 있는 스위치들은 송신 패스 캘리브레이션시에 서브-어레이 구조 때문에 결합된 신호를 분리하기 위해 구비된 옵션(option) 사항이다. 또한, 도 3에서는 일 예로 한 개의 기준 안테나와 한 개의 서브-어레이로 구성된 안테나 어레이 장치를 도시하고 있지만, 상기 안테나 어레이 장치는 다수개의 기준 안테나들과 다수개의 서브-어레이들을 포함할 수도 있음은 물론이다.

그러면 여기서 본 발명에서 제안하는 캘리브레이션 동작을 설명하기 전에, 도 3 및 도 4에서 (1)에 해당하는 디바이스(device)들은 패시브(passive) 디바이스들이고, 상기 패시브 디바이스들로 인해 발생되는 상호 커플링(mutual coupling) 및 케이블(cable)에 의한 에러 계수(error factor)는 미리 캘리브레이션되었다고 가정하기로 한다. 또한, 도 3 및 도 4에서 (2)에 해당하는 디바이스들은 액티브(active) 디바이스들이고, 상기 액티브 디바이스들에 의한 캘리브레이션만 상기 안테나 어레이 장치의 캘리브레이션 동작에서 고려한다고 가정하기로 한다.

도 5는 송신 패스 캘리브레이션과 수신 패스 캘리브레이션시의 신호 전송을 도식화하고 있으며, 송신 캘리브레이션을 위한 캘리브레이션 신호가 송신될 경우, 기준 안테나에 연결되어 있는 RF 송신 체인에 해당하는 패스에서 송신된 신호는 주파수 변환기 및 커플러 & 스위치를 통해 RF 수신 체인으로, RF 송신 체인들에 연결되는 패스에서 송신되는 신호는 일반 안테나들간의 커플링 형태로 주파수 변환기를 통해 기준 안테나에 연결되어 있는 RF 수신 체인으로 수신된다.

도 3에 도시되어 있는 바와 같이 일반 안테나가 서브-어레이로 구성되어 있을 경우, 기준 안테나에 연결되어 있는 RF 수신 체인을 통해 수신되는 신호는 옵션 사항인 RF 송신 체인 #1 내지 RF 송신 체인 #N 이후의 스위치를 추가로 구비하지 않았을 경우, 신호 분리를 위해 위상 쉬프터 토글링(phase shifter toggling)을 수행하여 송신하여야만 하는데, 이를 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 안테나 어레이 장치가 캘리브레이션 동작을 수행할 경우의 송신 캘리브레이션 신호 분리 동작 및 수신 캘리브레이션 신호 분리 동작을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 7을 설명하기에 앞서, 도 7에 도시되어 있는 송신 캘리브레이션 신호 분리 동작 및 수신 캘리브레이션 신호 분리 동작은 도 3에 도시되어 있는 안테나 어레이 장치를 사용할 경우의 송신 캘리브레이션 신호 분리 동작 및 수신 캘리브레이션 신호 분리 동작이라고 가정하기로 한다.

도 7을 참조하면, 참조 번호 710은 주 안테나(main antenna)의 서브-어레이를 구성하는 안테나 엘리먼트(antenna element)가 3개(N=3)이고, 기준 안테나가 1개 일 경우, 캘리브레이션 신호 분리를 위해서는 4(N+1=4)번의 캘리브레이션 신호 송신이 필요하며, 각 캘리브레이션 신호 송신 시 마다 RF 송신 체인 #0 및 RF 송신 체인 # 1 내지 RF 송신 체인 #3은 하기 수학식 9에 나타낸 바와 같이 위상 쉬프터를 토글링해야 한다.

결과적으로, RF 송신 체인 #0, 즉 기준 안테나에 연결된 RF 송신 체인에서 송신된 캘리브레이션 신호는 수신기의 동작 주파수에 상응하게 주파수 변환되고, 커플러 & 스위치를 통해 RF 수신 체인 #0, 즉 기준 안테나에 연결된 RF 수신 체인에서 수신하게 된다.

상기 RF 송신 체인 # 1 내지 RF 송신 체인 #3 각각에서 방사된 캘리브레이션 신호들은 커플링 형태로 수신되는데, 이는 주파수 변환된 후 RF 수신 체인 #0을 통해 수신된다. 이러한 캘리브레이션 신호 송/수신 동작은 4번(N+1=4)번 수행하며, 각 캘리브레이션 신호 송/수신 동작마다 RF 송신 체인 #0과, RF 송신 체인 # 1 내지 RF 송신 체인 #3의 위상 쉬프터를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform: DFT, 이하 "DFT"라 칭하기로 한다) 웨이트(weight)에 상응하게 토글링하여 신호를 분리한다.

따라서, 결과적으로 획득되는 신호는 하기 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 10에서,

이고,

는 i번째 송신기에 의해 초래되는 undesired complex gain을 나타내고,

는 상기 RF 수신 체인 #0에 의해 초래되는 undesired complex gain을 나타내고,

는 주파수 변환기에 의해 초래되는 undesired complex gain를 나타내고,

는 DFT 행렬을 나타내고,

는 미리 알려져 있는 신호(known signal)를 나타낸다.

또한, 상기 수학식 10에 나타낸 바와 같은 신호는 간단한 수식 전개에 의해

를 획득하는데 사용되며, 이로부터 송신 캘리브레이션 계수

를 획득할 수 있으며, 이는 하기 수학식 11에 나타낸 바와 같다.

한편, 상기에서 설명한 바와 같은 송신 패스 캘리브레이션 동작과 유사한 동작이 수신 패스 캘리브레이션 동작에서도 수행된다.

도 7에 도시되어 있는 참조 번호 720과 같이 4번의 캘리브레이션 신호 송/수신 동작과 각 수신 동작에서 RF 수신 체인 #0과, RF 수신 체인 #1 내지 RF 수신 체인 #3이 위상 쉬프터 토글링하는 것이 수신 패스 캘리브레이션 동작의 핵심이다. 이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, RF 송신 체인 #0에서 송신된 캘리브레이션 신호는 수신기의 동작 주파수에 상응하도록 주파수 변환되고, 커플러 & 스위치를 통해 RF 수신 체인 #0으로 수신된다.

또한, RF 송신 체인 #0에서 주파수 변환된 후 방사된 캘리브레이션 신호는 커플링 형태로 수신되는데, 이는 RF 수신 체인 #1 내지 RF 수신 체인 #3을 통해 수신하게 된다. 이러한 캘리브레이션 신호 송/수신 동작은 4(N+1=4)번 수행하며, 각 캘리브레이션 신호 송/수신 동작마다 RF 수신 체인 #0과, RF 수신 체인 #1 내지 RF 수신 체인 #3의 위상 쉬프터를 DFT 웨이트에 상응하도록 토글링하여 신호를 분리한다. 따라서, 결과적으로 획득되는 신호는 하기 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 12에서,

이고,

는 i번째 수신기에서 초래되는 undesired complex gain을 나타내고,

는 RF 송신 체인 #0에 의해 초래되는 undesired complex gain을 나타내고,

는 주파수 변환기에 의해 초래되는 undesired complex gain을 나타내고,

는 DFT 행렬을 나타내고,

는 미리 알려져 있는 신호를 나타낸다.

또한, 상기 수학식 12에 나타낸 바와 같은 신호는 간단한 수식 전개 후

를 획득하는데 사용되며, 이로부터 수신 캘리브레이션 계수

를 획득할 수 있으며, 이는 하기 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.

한편, 송신 캘리브레이션 계수에 대해 도 4에 나타낸 바와 같이 일반 안테나에 대한 신호 분리가 불필요할 경우, 캘리브레이션 신호를 한번 송수신함으로써 하기 수학식 14와 같은 신호를 획득할 수 있다.

상기 수학식 14에서,

이고,

는 i번째 송신기에 의해 초래된 undesired complex gain을 나타내고,

는 미리 알려져 있는 신호(known signal)를 나타낸다.

한편, 상기 수학식 14에서 상기 미리 알려져 잇는 신호

를 소거할 경우 하기 수학식 15와 같은 송신 캘리브레이션 계수를 획득할 수 있다.

또한, 수신 캘리브레이션 계수 또한 신호 분리가 불필요한 경우 캘리브레이션 신호를 한번 송/수신함으로써 하기 수학식 16과 같은 신호를 획득할 수 있다.

상기 수학식 16에서,

이고,

는 i번째 수신기에 의해 초래되는 undesired complex gain을 나타내고,

는 미리 알려져 있는 신호를 나타낸다.

상기 수학식 16에서 상기 미리 알려져 있는 신호인

를 소거할 경우 하기 수학식 17과 같은 수신 캘리브레이션 계수를 획득할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 상기에서 설명한 캘리브레이션 동작이 데이터 통신에 영향을 주지 않으면서 안테나 어레이 장치 운용 중에 수행되는 온라인 캘리브레이션 동작이 되기 위해서는 멀티-모드 통신 운용 내에서 캘리브레이션 동작을 수행하는 것을 제안한다.

이런, 멀티-모드 통신 운용 내에서의 캘리브레이션 동작을 수행하는 것을 설명하기에 앞서, 고주파 대역에서 빔을 사용하는 차세대 통신 상황에서 증가하는 데이터 트래픽을 감당하기 위해 셀 넓이가 감소하거나, 한 셀 내에 다수개의 BS들이 사용될 것이며, 다수개의 BS들이 한 개의 MS를 지원하는 상황을 가정한다. 이러한 가정하에서, 다수개의 BS들간 간섭 또는 BS들과 MS간의 간섭에 대한 영향이 증가하는 것은 불가피하며, 이를 제어하는 것이 데이터 레이트를 증가시키기 위해 필수적이라는 것을 가정한다.

이렇게, 멀티-모드 통신을 운영하는 핵심적인 이유는 간섭 제어 및 어레이 안테나의 유지 보수를 위한 온라인 캘리브레이션을 성취하는 것이다.

도 6에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 프레임 구조는 셀 서비스 구간과 BS 통신 구간을 포함하는데, 상기 BS 통신 구간은 BS간 협력 통신 지원을 위해 다수개의 BS들간에 필요한 정보, 일 예로 BS들간의 동기(synchronization) 정보 및 채널(channel) 정보 교환, 캘리브레이션 필요성 여부 등과 같은 정보를 송/수신하는 구간이다.

여기서, 상기 BS 통신 구간에서는 상기 다수개의 BS들간의 효율적인 캘리브레이션을 위해 캘리브레이션 필요성 여부를 나타내는 BS 상태 정보가 송수신되는데, 프레임 상의 캘리브레이션 동작 예로서, BS는 BS 동기를 위한 신호를 상황에 따라 두 가지 중 하나, 즉 캘리브레이션이 필요함을 나타내는 정보 및 캘리브레이션이 불필요함을 나타내는 정보 중 하나로 생성하고, 상기 생성한 정보를 상기 다수개의 BS들끼리 교환하여 BS 동기를 획득하는 것 뿐만 아니라 어떤 신호를 수신했는지 확인한 후 다른 BS의 캘리브레이션 필요성 여부를 공유할 수 있다. 이와 같은 신호 교환은 협력 통신을 위해 그룹화되어 있는 모든 BS들 사이에 이루어 지며, 따라서 상기 다수개의 BS들 각각은 협력 통신을 수행하는 그룹에 포함되어 있는 BS들 중 어떤 BS가 캘리브레이션이 필요한 지 여부를 알 수 있게 된다.

결과적으로, BS들은 스케쥴링(scheduling)되어 캘리브레이션하기 위해 보호 구간(guard interval)을 시간상으로 오보랩(overlap)되지 않게 할당받고, 따라서 순차적으로 캘리브레이션 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 협력 통신을 수행하는 다수개의 BS들이 보호 구간을 오버랩되지 않도록 할당받는 이유는 캘리브레이션 동작을 수행하는 BS는 일반적으로 주파수 분할(frequency division) 방식 및 코드 분할(code division) 방식을 사용하지 않거나, 혹은 특수한 구조의 별도의 디바이스를 추가하지 않는다면 다른 모든 신호들이 캘리브레이션 동작에 대해 간섭으로 작용할 수 있기 때문이다. 일 예로, 2개의 BS들이 동시에 캘리브레이션 동작을 수행할 경우, 캘리브레이션 동작을 수행하는 중에 방사되는 신호들은 상호간에 간섭으로 작용하게 되어 각 BS의 캘리브레이션 성능을 저하시킬 수 있기 때문이다.

한편, 캘리브레이션 동작은 멀티-모드, 즉 노말 모드와, 간섭 제어 모드 및 캘리브레이션 모드 중 캘리브레이션 모드에서 수행되는데, 이를 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 BS의 멀티-모드 운영 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도 8을 참조하면, 먼저 811단계에서 BS는 초기 설치 시 BS들간의 간섭 방향 확인 및 협력이 가능하기 때문에, BS들간에 간섭 제어를 위한 기준 안테나의 다중 사이드 로브 제거기(Multiple Side lobe Canceller: MSC, 이하 'MSC"라 칭하기로 한다) 웨이트를 알고 있다고 가정하기로 한다. 만약, 기본적으로 BS들간에 간섭이 존재하지 않거나 BS들간의 간섭 제어가 필요하지 않을 경우 간섭 제어가 존재하지 않는 방향성 빔포밍(directional beamforming)을 데이터 통신에 사용하는 노말 모드로 운용된다. 하지만, BS들간의 간섭이 존재할 경우 데이터 통신의 기본 동작 모드는 BS들 간의 간섭 제어를 위한 간섭 제어 모드가 된다.

또한, 813단계에서 상기 BS는 노말 모드 및 간섭 제어 모드에서 데이터 통신을 수행한다. 상기 813단계에서 상기 BS는 프레임 구조 상의 셀 서비스 구간 상에서 획득한 MS와 BS간의 채널 정보를 기반으로 MS와 BS간의 간섭 제어 동작을 수행할 것인지 여부를 결정하고, 상기 결정 결과에 상응하게 상기 MS와 BS간의 간섭 제어 동작을 수행하거나 혹은 수행하지 않는다. 여기서, 상기 MS와 BS간의 간섭 제어 동작을 수행할 것인지 여부를 결정하는 동작은 일 예로, 상기 MS와 BS간의 채널 정보를 기반으로 획득할 수 있는 MS와 BS간의 채널 상태, 일 예로 신호대 간섭 잡음비(Signal to interference and noise ratio: SINR, 이하 "SINR"이라 칭하기로 한다)를 기반으로 수행될 수 있다. 즉, 상기 SINR이 미리 설정되어 있는 임계 SINR 미만일 경우 상기 BS는 상기 MS와 BS간 채널 정보를 사용하여 MSC 웨이트를 업데이트(update)한 후 상기 간섭 제어 모드에서 데이터 통신을 수행한다.

한편, 상기 BS는 상기 813단계에서 데이터 통신을 수행하는 중에 BS 통신 구간에서 모니터링(monitoring) 동작을 수행하여 빔포밍 성능을 측정하고, 상기 측정한 빔포밍 성능을 기반으로 BS들간의 캘리브레이션 필요성 여부 정보를 교환하고 815단계로 진행한다. 상기 815단계에서 상기 BS는 상기 BS 통신 구간에서 모니터링한 캘리브레이션 필요성 여부 정보를 기반으로 상기 BS들간의 캘리브레이션이 필요한지 검사한다.

상기 검사 결과 상기 BS들간의 캘리브레이션이 필요할 경우 상기 BS는 817단계로 진행한다. 상기 817단계에서 상기 BS는 상기 BS들간의 캘리브레이션을 위한 동작을 수행하기 위해 보호 구간을 할당받았는지 검사한다. 상기 검사 결과 상기 보호 구간을 할당받았을 경우 상기 BS는 819단계로 진행한다. 여기서, 상기 보호 구간을 할당받았기 때문에 상기 BS는 해당하는 보호 구간에서 상기 BS들간의 캘리브레이션을 위한 동작을 수행할 수 있다. 상기 819단계에서 상기 BS는 캘리브레이션 모드로 전환하여 수신 캘리브레이션 동작 혹은 송신 캘리브레이션 동작을 수행하고 상기 813단계로 되돌아간다.

한편, 상기 813단계에서 상기 BS 통신 구간에서 모니터링을 통해 빔포밍 성능을 측정할 경우 사용 가능한 메트릭(metric)으로 하기와 같은 3가지 파라미터(parameter)들, 즉 m1, m2, m3가 사용될 수 있으며, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

첫 번째로, 상기 파라미터 m1에 대해서 설명하면 다음과 같다.

상기 파라미터 m1은 모니터링된 빔 패턴과 원하는 빔 패턴(beam pattern)인 desired beam pattern과의 차이 1을 나타내며, 하기 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 18에서,

는 출발각(Angle of Departure: AOD, 이하 "AOD"라 칭하기로 한다) 또는 도착각(Angle of Arrival: AOA, 이하 "AOA"라 칭하기로 한다)을 나타내고,

는 desired beam pattern을 나타내고,

는 현재 모니터링된 빔 패턴을 나타낸다.

여기서, 상기 파라미터 m1의 크기가 미리 설정되어 있는 임계 크기 1 이상이 될 경우, 상기 BS는 BS들간 캘리브레이션이 필요하다고 판단하게 되는 것이다.

두 번째로, 상기 파라미터 m2에 대해서 설명하면 다음과 같다.

상기 파라미터 m2는 모니터링된 빔 패턴과 desired beam pattern과의 차이 2를 나타내며, 하기 수학식 19와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 19에서,

는 시야 방향(look direction)을 나타내고,

는 널링 방향(nulling direction)을 나타내고,

는 0~1사이의 임의의 값을 나타낸다.

여기서, 상기 파라미터 m2의 크기가 미리 설정되어 있는 임계 크기 2 이상이 될 경우, 상기 BS는 BS들간 캘리브레이션이 필요하다고 판단하게 되는 것이다.

세 번째로, 상기 파라미터 m3에 대해서 설명하면 다음과 같다.

상기 파라미터 m3는 SINR을 나타내며, 상기 파라미터 m3의 크기가 미리 설정되어 있는 임계 SINR 이하가 될 경우, 상기 BS는 BS들간 캘리브레이션이 필요하다고 판단하게 되는 것이다.

한편, 도 8에서는 상기 BS가 BS 통신 구간에서 캘리브레이션 필요성 여부를 나타내는 정보를 교환함으로써 BS간 캘리브레이션 필요 여부를 판단하였지만, 이와는 달리 상기 BS는 상기 BS 통신 구간에서 캘리브레이션 필요성 여부를 나타내는 정보를 교환하지 않아도 미리 설정되어 있는 시간마다 미리 설정되어 있는 순서에 상응하게 각 BS에 대한 캘리브레이션 동작을 수행할 수도 있음은 물론이다.

여기서, 캘리브레이션 동작을 수행할 경우 상기 BS는 상기에서 설명한 바와 같이 그 동작 모드가 캘리브레이션 모드로 전환되며, 이 경우 상기 안테나 어레이 장치가 포함하는 기준 안테나의 주파수 변환기 및 커플러 & 스위치가 사용된다.

또한, 본 발명에서 사용되는 빔-널링(beam-nulling, 이하 "beam-nulling"라 칭하기로 한다)을 위한 MSC는 채널 상태 정보(Channel State Information: CSI, 이하 "CSI"라 칭하기로 한다) 추정 기반 간섭 제어 방식의 대체 방식으로서 사용될 수 있다. 즉, 일반적인 다중 사용자-다중 입력 다중 출력(Multi-User Multiple Input Multiple Output: MU-MIMO, 이하 "MU-MIMO"라 칭하기로 한다) 방식들 중 간섭 제어 방식은 CSI 추정 기반 방식이 대부분인데, 이는 CSI 추정을 위한 로드(load)가 커지는 large array system 상황에서는 실제 구현하는 것이 어렵다. 따라서, CSI 추정 기반이 아닌 MS 위치 추정 기반의 간섭 제어 방식 사용이 large array system 상황에서는 더 바람직할 수 있다.

MSC는 MS 위치 추정 기반 간섭 제어 방식들 중 대표적인 방식으로서, 도 3에 도시되어 있는 바와 같은 서브-어레이 기반의 안테나 어레이 장치에서와 같이 서브-어레이 형태의 일반 안테나와 기준 안테나(보조 안테나)가 함께 사용되는 어레이 안테나에 적합한 방식이며, 이를 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서 MSC의 원리를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, 먼저 주 어레이(main array, 이하 "main array"라 칭하기로 한다)와 MSC를 위한 보조 어레이(auxiliary array, 이하 "auxiliary array"라 칭하기로 한다)가 존재한다. 상기 main array는 tapering을 통한 빔 쉐이핑(beam shaping) 또는 빔 스티어링(beam steering)의 역할을 하는 웨이트가 곱해져서 2개의 채널들 (sum, delta)에 연결된다.

또한, auxiliary array는 beam-nulling을 하는 웨이트가 곱해져서 2개의 채널들 (sum, delta)에 연결된다. 이 경우, 최적의 보조 안테나(auxiliary antenna)들의 개수는 간섭 방향의 개수와 동일하다. 또한, MSC 웨이트

는 기준 안테나에 사용되는 웨이트이며, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이 나타낼 수 있다. 한편, 상기 MSC 뿐만 아니라 LCMV(linear constrained minimum variance) 빔포머(beamformer)등과 같이 서브-어레이가 아닌 일반적인 어레이 형태, 즉 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 구성된 어레이 안테나 장치에 적합한 방식에도 사용 가능함은 물론이다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims

통신 시스템에서 다수의 안테나들을 포함하는 제1안테나 어레이 장치의 동작 방법에 있어서,
적어도 하나의 제2안테나 어레이 장치와 협력하여 적어도 하나의 단말과 데이터 통신을 수행하는 과정과,
상기 다수의 안테나들 중 적어도 하나의 기준(reference) 안테나를 결정하는 과정과,
상기 데이터 통신 동안 상기 제1안테나 어레이 장치에 대한 제1보호 구간(guard interval)의 시작을 확인하는 과정과, 상기 제1보호 구간은 상기 적어도 하나의 제2안테나 어레이 장치에 대한 제2보호 구간과 오버랩(overlap)되지 않으며,
상기 제1보호 구간 동안 상기 데이터 통신을 중단하고, 상기 다수의 안테나들 중 상기 적어도 하나의 기준 안테나를 제외한 노말(normal) 안테나들 각각과 상기 적어도 하나의 기준 안테나 간의 송신 패스들에 대응하는 송신 캘리브레이션 계수(calibration factor)를 결정하고, 상기 노말 안테나들 각각과 상기 적어도 하나의 기준 안테나 간의 수신 패스들에 대응하는 수신 캘리브레이션 계수를 결정하는 과정과,
상기 제1보호 구간이 종료됨이 확인되면, 상기 중단된 데이터 통신을 재개하는 과정을 포함하는 제1안테나 어레이 장치의 동작 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2보호 구간에 대한 정보를 확인하는 과정과,
상기 확인된 제2보호 구간에 대한 정보를 기반으로 상기 제1보호 구간에 대한 정보를 획득하는 과정을 더 포함하는 제1안테나 어레이 장치의 동작 방법.
제1항에 있어서,
상기 송신 캘리브레이션 계수를 결정하는 과정은,
상기 노말 안테나들 각각을 통해 캘리브레이션 신호를 송신하는 과정과,
상기 노말 안테나들 각각을 통해 송신된 상기 캘리브레이션 신호를 상기 적어도 하나의 기준 안테나를 통해 수신하는 과정과,
상기 수신된 캘리브레이션 신호를 기반으로 상기 송신 캘리브레이션 계수를 획득하는 과정을 포함하는 제1안테나 어레이 장치의 동작 방법.
제1항에 있어서,
상기 수신 캘리브레이션 계수를 결정하는 과정은,
상기 적어도 하나의 기준 안테나를 통해 캘리브레이션 신호를 송신하는 과정과,
상기 적어도 하나의 기준 안테나를 통해 송신한 상기 캘리브레이션 신호를 상기 노말 안테나들 각각을 통해 수신하는 과정과,
상기 수신된 캘리브레이션 신호를 기반으로 상기 수신 캘리브레이션 계수를 획득하는 과정을 포함하는 제1안테나 어레이 장치의 동작 방법.
통신 시스템에서 제1안테나 어레이 장치에 있어서,
다수의 안테나들과,
적어도 하나의 제2안테나 어레이 장치와 협력하여 적어도 하나의 단말과 데이터 통신을 수행하는 송수신부와,
상기 다수의 안테나들 중 적어도 하나의 기준(reference) 안테나를 결정하고, 상기 데이터 통신 동안 상기 제1안테나 어레이 장치에 대한 제1보호 구간(guard interval)의 시작을 확인하고, 상기 제1보호 구간은 상기 적어도 하나의 제2안테나 어레이 장치에 대한 제2보호 구간과 오버랩(overlap)되지 않으며, 상기 제1보호 구간 동안 상기 데이터 통신을 중단하도록 상기 송수신부를 제어하고, 상기 다수의 안테나들 중 상기 적어도 하나의 기준 안테나를 제외한 노말(normal) 안테나들 각각과 상기 적어도 하나의 기준 안테나 간의 송신 패스들에 대응하는 송신 캘리브레이션 계수(calibration factor)를 결정하고, 상기 노말 안테나들 각각과 상기 적어도 하나의 기준 안테나 간의 수신 패스들에 대응하는 수신 캘리브레이션 계수를 결정하고, 상기 제1보호 구간이 종료됨이 확인되면, 상기 중단된 데이터 통신을 재개하도록 상기 송수신부를 제어하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 제1안테나 어레이 장치.
제5항에 있어서,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 제2보호 구간에 대한 정보를 확인하고, 상기 확인된 제2보호 구간에 대한 정보를 기반으로 상기 제1보호 구간에 대한 정보를 획득함을 특징으로 하는 제1안테나 어레이 장치.
제5항에 있어서,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 노말 안테나들 각각을 통해 캘리브레이션 신호를 송신하고, 상기 노말 안테나들 각각을 통해 송신된 상기 캘리브레이션 신호를 상기 적어도 하나의 기준 안테나를 통해 수신하도록 상기 송수신부를 제어하고, 상기 수신된 캘리브레이션 신호를 기반으로 상기 송신 캘리브레이션 계수를 획득함을 특징으로 하는 제1안테나 어레이 장치.
제5항에 있어서,
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 적어도 하나의 기준 안테나를 통해 캘리브레이션 신호를 송신하고, 상기 적어도 하나의 기준 안테나를 통해 송신한 상기 캘리브레이션 신호를 상기 노말 안테나들 각각을 통해 수신하도록 상기 송수신부를 제어하고, 상기 수신된 캘리브레이션 신호를 기반으로 상기 수신 캘리브레이션 계수를 획득함을 특징으로 하는 제1안테나 어레이 장치.
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