KR20160061848A - 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 espar 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 ofdm 심볼을 전송하는 방법 및 송신기 - Google Patents

빔 공간 다중 입출력 시스템에서 espar 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 ofdm 심볼을 전송하는 방법 및 송신기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 빔 공간 다중 입출력 환경에서의 ESPAR 안테나 송신기 및 다중 OFDM 심볼 전송방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하는 방법은, 복수의 제약조건 하에서, 다중 OFDM 심볼에 대하여 빔 공간 다중 입출력 시스템의 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값과, ESPAR 안테나 송신기를 통해 구현되어 능동 안테나 및 능동 안테나의 둘레에 배치된 다수의 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값 간의 차이가 최소화되도록 하는 변수를 산출하는 단계; 및 ESPAR 안테나 송신기에 대하여 산출된 변수를 적용하여 다중 OFDM 심볼을 전송하는 단계를 포함한다. 이때, 변수는 빔 패턴을 나타내는 행렬, 능동 안테나와 연결된 RF 체인을 통해 능동 안테나에 인가되는 전압 값, 및 상기 기생 안테나에 연결된 임피던스 값을 포함한다.

Description

빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하는 방법 및 송신기{OFDM SYMBOL TRANSMITING USING ESPAR ANTENNA IN BEAMSPACE MIMO SYSTEM}
본 발명은 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하는 방법 및 빔 공간 다중 입출력 환경에서의 ESPAR 안테나 송신기 송신기에 관한 것이다.
OFDM 시스템은 무선 LAN 및 LTE 환경에서 사용되고 있다. 현대 통신 시스템에서는 여러개의 부반송파(sub-carrier)를 이용하여 신호를 보내는 OFDM 시스템과 다중 입출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output)시스템을 접목시켜 사용하고 있다.
하지만, 다중 안테나에 의한 다중 입출력(MIMO)시스템은 한정된 공간에 다수의 안테나 및 이들과 연결된 다수의 RF 체인을 포함하기 때문에, 하드웨어 복잡도 증가, 복수의 RF 체인 간 간섭 증가 및 전력 소비의 증가 등과 같은 시스템적 부담 문제가 발생한다.
이를 해결하기 위해서, 최근에는 하나의 RF 체인과 연결된 능동 안테나(active antenna)와 둘레에 배치된 다수의 기생 안테나를 포함하고, 능동 안테나와 기생 안테나 사이에 상호 커플링(mutual coupling) 현상을 활용하는ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator)이 제안되었고, 다중 입출력(MIMO) 시스템에서 ESPAR을 활용하는 통신기술에 대한 연구가 수행되고 있다.
한편, ESPAR송신기에서 OFDM 신호를 왜곡 없이 전송하기 위해서는 큰 범위의 임피던스들이 요구됨으로 임피던스 매칭 문제가 발생함은 물론, 음의 저항이 요구되어 송신기의 발진 상태를 유발할 수 있다. 더불어, 큰 범위의 전류 영역은 높은 PAPR을 유발할 수 있다. 따라서, 이를 해결하기 위한 Beamspace MIMO의 빔디자인, 임피던스값, 전압값들을 계산하는 새로운 방법이 요구되는 실정이다.
한편, 미국등록특허 제 8,446,318호(발명의 명칭: “Controlling A Beamforming Antenna Using Reconfigurable Parasitic Elements”)는 ESPAR에 대한 전반적 개념을 개시하고 있으며, 논문 A. Kalis, A. G. Kanatas, and C. B. Papadias, “A novel approach to MIMO transmission using a single RF front end,” (IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 26, no. 6, pp. 972-980, Aug. 2008.)는 3개 또는 5개의 기생안테나를 사용하여, 변조방식이 PSK (BPSK, QPSK, 16-PSK)인 경우에 대하여 2개 또는 3개의 부채널(sub-channel)을 구현하는 시스템 (2x2 MIMO 등)을 개시하고 있다.
본 발명의 일 실시예는 복수의 제약조건 하에서, 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송시, 독립적인 다중 OFDM 심볼에 대하여 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값과, ESPAR 안테나 송신기를 통해 구현되어 능동 안테나 및 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값 간의 차이가 최소화되도록 하는 빔 공간 다중 입출력 시스템(Beamspace MIMO system)의 빔 패턴을 나타내는 행렬, 전압 값, 및 임피던스 값을 계산하는 방법 및 송신기를 제공하는데 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 더 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하는 방법은, 복수의 제약조건 하에서, 상기 다중 OFDM 심볼에 대하여 상기 빔 공간 다중 입출력 시스템의 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값과, 상기 ESPAR 안테나 송신기를 통해 구현되어 능동 안테나 및 상기 능동 안테나의 둘레에 배치된 다수의 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값 간의 차이가 최소화되도록 하는 변수를 산출하는 단계; 및 상기 ESPAR 안테나 송신기에 대하여 상기 산출된 변수를 적용하여 상기 다중 OFDM 심볼을 전송하는 단계를 포함한다.
이때, 변수는 상기 빔 패턴을 나타내는 행렬, 상기 능동 안테나와 연결된 RF 체인을 통해 상기 능동 안테나에 인가되는 전압 값, 및 상기 기생 안테나에 연결된 임피던스 값을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 다중 입출력 환경에서의 ESPAR 안테나 송신기는, 능동 안테나; 상기 능동 안테나의 둘레에 배치된 다수의 기생 안테나; 상기 능동 안테나에 연결된 저항값 및 상기 기생 안테나에 연결된 임피던스 값에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭부; 및 상기 능동 안테나와 연결되어 상기 능동 안테나에 전압 값을 인가하는 RF 체인을 포함한다.
이때, 빔 공간 다중 입출력 시스템의 빔 패턴을 나타내는 행렬, 상기 전압 값, 및 상기 임피던스 값은, 복수의 제약조건 하에서, 독립적인 다중 OFDM 심볼에 대하여 상기 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값과, 상기 ESPAR 안테나 송신기를 통해 구현되어 상기 능동 안테나 및 상기 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값 간의 차이가 최소화되도록 산출한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 단일 RF체인으로 연결된 능동 안테나와 그 둘레에 배치된 기생안테나를 포함하는 ESPAR안테나 송신기를 통해 OFDM 심볼을 전송함으로써, RF하드웨어 복잡도 문제, RF체인 간 간섭문제, 회로 전력소비 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 단일 RF체인으로 연결된 능동 안테나와 그 둘레에 배치된 기생안테나를 포함하는 ESPAR안테나 송신기를 통해 OFDM심볼을 전송시, 다중 OFDM 심볼에 대하여 빔 공간 다중 입출력 시스템의 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값과 능동 안테나의 둘레에 배치된 다수의 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값 간의 차이가 최소화되도록 하는 최적의 변수를 계산하여 적용함으로써, 능동안테나의 방사에 따라 기생안테나로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 최적의 변수 계산시, 레지스턴스 값과 리액턴스 값에 대한 범위조건, 전압 값의 크기에 대한 범위조건, 송신시 사용되는 부채널에 대한 제약조건, RF 체인과 연결된 입력 임피던스에 대한 범위조건, 빔 패턴을 나타내는 행렬의 랭크(Rank)에 대한 제약조건을 적용함으로써, OFDM 신호 전송시 발생하는 PAPR(Peak-to-Average Power Radio)문제, 음의 저항값으로 인한 발진 문제, 임피던스 매칭 문제 등 복합적인 문제해결이 가능할 수 있다.
도 1은 ESPAR안테나의 구조에 대해 간략히 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 빔 공간 다중 입출력 환경에서의 ESPAR 안테나 송신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 변수를 산출하는 과정의 일 예를 좀더 자세히 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 변수를 산출하는 과정을 반복함에 따라 제 1 전류 값과 제 2 전류 값 간의 차이가 수렴하는 일예를 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에서 제안되는 다중 OFDM 심볼 전송 방법을 적용한 송신기의 성능을 살펴보기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 도면을 참고하여 설명하면서, 같은 명칭으로 나타낸 구성일지라도 도면에 따라 도면 번호가 달라질 수 있고, 도면 번호는 설명의 편의를 위해 기재된 것에 불과하고 해당 도면 번호에 의해 각 구성의 개념, 특징, 기능 또는 효과가 제한 해석되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 빔 공간 다중 입출력 시스템(beamspace MIMO)에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송시 초래되는 큰 영역의 임피던스와 전압 값으로 인한 PAPR문제, 음의 저항이 요구되어 송신기의 발진상태를 유발하는 파워 소비문제, 큰 영역의 임피던스 변동으로 인한 임피던스 매칭의 문제를 해결하기 위한 최적의 빔을 디자인하는 방법을 제공한다.
본 발명은 빔 공간 다중 입출력 시스템(beamspace MIMO)에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하기 위한 최적의 빔을 디자인하기 위해서, 복수의 제약조건 하에서, 다중 OFDM 심볼에 대하여 빔 공간 다중 입출력 시스템의 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값과, ESPAR 안테나 송신기를 통해 구현되어 능동 안테나 및 능동 안테나의 둘레에 배치된 다수의 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값간의 차이가 최소화되도록 하는 변수를 산출하기 위한 계산방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 단일 RF chain 구조를 특징으로 하는 3-elements ESPAR 안테나를 대상으로 독립적인 2개의 OFDM 심볼들을 멀티플렉싱하여 전송하는 방법을 제공한다. 하지만, 이는 설명의 편의성을 위한 것일 뿐 하나를 포함하는 적은 수의 RF chain과 다수의 기생 안테나를 특징으로 하는 기생 안테나 기반 송신기로 쉽게 확장이 가능하고 전체 안테나 수 이하의 독립적인 OFDM 심볼을 멀티플렉싱하여 전송이가능할 수 있음을 밝혀두는 바이다.
이하에서는 첨부된 도면을 통해 본 발명에서 제안하는 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하는 방법 및 빔 공간 다중 입출력 환경에서의 ESPAR 안테나 송신기에 대하여 자세히 설명하도록 한다.
도 1은 ESPAR안테나의 구조에 대해 간략히 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 ESPAR 안테나(100)는 능동 안테나(110), 기생 안테나(120 내지 125), 능동 안테나에 연결된 부하 저항(50옴), 기생 안테나에 연결된 가변 임피던스(130 내지 135)를 포함한다.
능동안테나(110)는 능동 소자(가변 용량 소자)를 통해 안테나의 빔을 형성한다. 이때, 능동 안테나는(110) 능동안테나에 연결된 부하 저항(50옴)을 포함하여 구성된다.
기생안테나(120 내지 125)는 기생 안테나에 연결된 가변 임피던스(130 내지 135) 의 리액턴스 값을 조절하여 능동 안테나와의 빔과 상호 결합하는 빔을 형성한다.
한편, 기생 안테나는 능동 안테나와 밀집되어 구성되기 때문에 RF chain에 연결된 능동 안테나로부터 방사되는 에너지가 유도적으로 기생 안테나들에 영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 기생 안테나에 유도되는 전류를 변형시켜주기 위해서 각 기생 안테나들에 연결된 가변 임피던스 값을 조절하게 되며, 이를 통하여 원하는 전류 값을 기생 안테나에 인가시킬 수 있다. 여기서, 임피던스의 조절을 위한 소자들은 캐패시터(capacitor), 인덕터(inductor), 양/음의 저항(positive/negative resister) 들로 구성될 수 있으며, 해당 값들의 조절은 스위칭 방법으로 이루어지거나, 캐패시터(capacitor)와 인덕터(inductor)의 경우엔 버랙터(varactor) 소자를 활용하여 수동적 조절이 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 빔 공간 다중 입출력 환경에서의 ESPAR 안테나 송신기를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 다중 입출력 환경에서의 ESPAR 안테나 송신기(100)는 능동 안테나(120), 기생 안테나(121,122), 각 안테나에 연결된 부하 저항(130) 및 가변 임피던스(131,132), 임피던스 매칭부(140), RF 체인(150), 산출모듈(160)을 포함한다.
능동 안테나(120)는 단일 RF체인에 연결된다.
기생 안테나(121,122)는 능동 안테나(122)의 둘레에 배치된다.
이때. 기생 안테나(121,122)는 능동 안테나의 방사 에너지가 유입되지 않도록 설계되며, 능동안테나로부터 방사된 빔과 상호결합이 이루어지도록 빔패턴이 설계될 수 있다.
임피던스 매칭부(140)는 능동 안테나에 연결된 저항 값 및 기생 안테나에 연결된 임피던스 값에 대한 임피던스 매칭을 수행한다.
RF 체인(150)은 능동 안테나와 연결되어 능동 안테나에 전압 값을 인가한다.
각 안테나에 연결된 저항(130) 및 임피던스(131,132)는 임피던스 매칭을 위한 부하 저항 및 부하 임피던스 값이다. 능동안테나에 연결된 저항값은 50옴으로 임피던스 매칭이 이루어지며, 기생안테나에 연결된 부하 임피던스는 능동 안테나의 방사로 인해 유입되는 전류를 변형하기 위해서 가변적으로 값이 조절된다.
산출모듈(160)은 설명된 빔 공간 다중 입출력 시스템의 빔 패턴을 나타내는 행렬, 전압 값, 및 임피던스 값은, 복수의 제약조건 하에서, 독립적인 다중 OFDM 심볼에 대하여 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값과, ESPAR 안테나 송신기를 통해 구현되어 능동 안테나 및 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값 간의 차이가 최소화되도록 계산한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하는 방법은 제 1전류값과 제 2 전류값이 최소화 되도록 하는 변수를 산출하는 단계(S410), 산출된 변수를 사용하여 OFDM심볼을 전송하는 단계(S420)를 포함한다.
S410은 복수의 제약조건 하에서, 다중 OFDM 심볼에 대하여 빔 공간 다중 입출력 시스템의 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값(예를 들어, 도 2의
Figure pat00001
,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
값)과, ESPAR 안테나 송신기를 통해 구현되어 능동 안테나 및 능동 안테나의 둘레에 배치된 다수의 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값(예를 들어, 도 2의
Figure pat00004
,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
값) 간의 차이가 최소화되도록 하는 변수를 산출한다.
다음으로 S420은 ESPAR 안테나 송신기에 대하여 산출된 변수를 적용하여 다중 OFDM 심볼을 전송한다. 이때, 변수는 빔 패턴을 나타내는 행렬, 능동 안테나와 연결된 RF 체인을 통해 능동 안테나에 인가되는 전압 값 및 기생 안테나에 연결된 임피던스 값을 포함한다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 ESAPR 안테나 송신기(3-elements ESPAR 구조)의 독립적인 다중의 OFDM 심볼 전송은 빔 공간 다중 입출력 (Beamspace MIMO) 동작 과정과 부하 변수를 산출하고, 산출된 변수를 적용하여 다중 OFDM 심볼을 전송하는 과정에 따라 이루어질 수 있다.
먼저, 빔 공간 다중 입출력 (Beamspace MIMO) 동작 과정은 2개의 독립적인 OFDM 심볼로부터 하나의 샘플 시간에 대하여, 각 빔 패턴을 생성하는 벡터에 독립적인 OFDM 샘플을 맵핑하는 과정이다. 예를 들어, K개의 부반송파로 이루어진 OFDM 심볼(K-subcarriers OFDM Symbol)에 대한 빔 공간 다중 입출력 (beamspace MIMO) 동작은 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
다음으로, 변수를 산출하고, 산출된 변수를 적용하는 과정은 최적의 변수값을 계산하고, 계산된 변수값을 적용하여 과정은 OFDM 심볼을 전송한다. 여기서, 변수는 능동 안테나와 연결된 RF 체인을 통해 능동 안테나에 인가되는 전압 값, 및 기생 안테나에 연결된 임피던스 값을 포함할 수 있다.
이때, 변수는 빔 공간 다중 입출력(Beamspace MIMO) 동작을 통해 계산된 전류 값(=송신하고자 하는 전류 값(도 2의 i))이 각각의 ESPAR 안테나에 정확히 인가되도록 하는 전류값((=각각의 ESPAR 안테나에서 구현되는 전류 값(도 2의 ESPAR i))의 차이가 최소화되도록 산출된 값일 수 있다.
예를 들어, 변수(예를 들어, 기생안테나에 연결된 부하 임피던스 값 (impedance load)) 는 능동 안테나로부터 방사되는 에너지가 기생안테나들에 유도되지 않도록 전류를 변형할 수 있는 가변 임피던스 값이다.
또한, 변수(예를 들어, 전압 값
Figure pat00008
)는 독립적인 다중 OFDM 심볼에 대하여 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값(
Figure pat00009
)과, ESPAR 안테나 송신기를 통해 구현되어 능동 안테나 및 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값(
Figure pat00010
) 간의 차이가 최소화되도록 하는 부하 임피던스값 (impedance load)
Figure pat00011
와
Figure pat00012
과 상관관계가 있다.
따라서, 변수값
Figure pat00013
,
Figure pat00014
는 독립적인 다중 OFDM 심볼에 대하여 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값(
Figure pat00015
)과, ESPAR 안테나 송신기를 통해 구현되어 능동 안테나 및 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값(
Figure pat00016
) 간의 차이가 최소화되도록 하는 [수학식 2]를 통해 도출될 수 있다. 여기서,
Figure pat00017
는 RF 체인으로부터의 전압 값으로 능동안테나에 인가되는 전압이고, 50 옴은 능동 안테나에 연결된 임피던스 값(주로 임피던스 매칭 역할을 위해 사용)이며,
Figure pat00018
와
Figure pat00019
는 기생 안테나에 연결된 가변 임피던스 값을 타나낸다. 또한,
Figure pat00020
는 안테나들간의 상호 결합(mutual coupling) 행렬을 나타낸다.
Figure pat00021
구체적으로, [수학식 2]는 하기의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00022
따라서, [수학식 3]은 하기의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00023
또한, ESPAR 안테나의 각각에 인가되는 제 2전류값(
Figure pat00024
)은 하기 [수학식 5]에 의해서 도출될 수 있다.
Figure pat00025
따라서, [수학식 1] 및 [수학식 5]를 참고하여, 하기 [수학식 6]을 구할 수 있으며, 이를 통해서 RF 체인으로부터 인가되는 전압 값
Figure pat00026
과 기생안테나에 연결된 부하 임피던스값 (parasitic impedance load)
Figure pat00027
,
Figure pat00028
를 구할 수 있다.
Figure pat00029
하지만, OFDM 심볼을 전송할 경우, 다이내믹 레인지(Dynamic range)의 범위가 커 관계로, [수학식 6]의 RF 체인으로부터 인가되는 전압 값
Figure pat00030
과 기생안테나에 연결된 부하 임피던스값 (Parasitic Impedance Load)
Figure pat00031
,
Figure pat00032
역시 큰 범위를 가지게 되어 여러가지 문제가 발생할 수 있다. 예를 들면, 임피던스 값들의 범위가 커지게 될 경우 시스템의 발진 문제를 발생시키는 음의 저항이 요구되는 경우가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 변수 계산은 OFDM 심볼 전송시 나타날수 있는 문제를 해결하기 위해서, 하기 [수학식 7]과 같이 레지스턴스 값과 리액턴스 값에 대한 범위조건(Impedance load chip constrains), 전압 값의 크기에 대한 범위조건(PAPR constrains), RF 체인과 연결된 입력 임피던스에 대한 범위조건(impedance matching constraints), 송신시 사용되는 부채널에 대한 제약조건(Channel constrains), 빔 패턴을 나타내는 행렬의 랭크(Rank)에 대한 제약조건(Rank constraints)에 대한 제한사항이 고려될 수 있다.
Figure pat00033
여기서, B는 빔패턴을 나타내는 행렬, v는 RF체인을 통해 능동안테나에 인가되는 전압값, x는 기생 안테나의 임피던스 값, s는 OFDM 심볼을 나타낸다. 여기서, 각각의 변수는 제약 조건에 따라 변수값이 산출될 수 있다.
상기 [수학식 7]의 각 제한 조건을 살펴보면, 레지스턴스 값과 리액턴스 값에 대한 범위조건(Impedance load chip constrains)은 기생 안테나의 임피던스를 가변 시켜주는 장치의 구현 범위 (Resistance, Reactance)를 제한하는 것이다. 즉, 설계자는 레지스턴스 값과 리액턴스 값에 대한 범위조건(Impedance load chip constrains)을 설정하여, 구현 가능한 범위의 임피던스값을 제한함으로써, 음의 저항값이 설정되지 않도록 할 수 있으며, 또한 양의 저항 범위를 설정하여 파워 소모를 낮출 수 있다.
전압 값의 크기에 대한 범위조건(PAPR constrains)은 OFDM 신호에 의해 높은 PAPR 특성이 나타날 수 있는데, 이를 해결하기 위해서 RF 체인의 입력 전압값에 magnitude 제한하는 것이다. 즉, 설계자는 전압 값의 크기에 대한 범위조건(PAPR constrains)을 설정하여, 사용되는 파워앰프의 효율을 극대화하기 위한 전압 값의 변동폭을 제한할 수 있다.
송신시 사용되는 부채널에 대한 제약조건(Channel constrains)은 송신기에 채널정보가 가용될 때 채널의 도미넌트(dominant)의 방향들이 스팬(span)하는 공간에 빔이 속하도록 하거나 또는 해당 공간으로의 projection 값이 크도록 제한하는 것이다. 여기서 dominant 방향은 채널의 singular vector중 dominant singular value가 해당되는 vector들로 구성되는 공간을 의미한다.
RF 체인과 연결된 입력 임피던스에 대한 범위조건(impedance matching constraints)은 OFDM 신호로 인해 다이나믹 레인지(dynamic range)의 입력 임피던스
Figure pat00034
가 발생되어 임피던스 매칭 회로에 영향을 주게 되는데, 이때, 입력 임피던스
Figure pat00035
의 범위에 제한을 두어 임피던스 매칭 회로를 간소화를 위해 제한하는 것이다. 즉, 설계자는 신호로 인해 다이나믹 레인지(dynamic range)의 입력 임피던스 범위에 제한을 둠으로써, 입력 임피던스의 변화량을 제한시켜 임피던스 매칭 회로의 복잡도를 낮출 수 있다.
빔 패턴을 나타내는 행렬의 랭크(Rank)에 대한 제약조건(Rank constraints)은 전송하고자 하는 빔의 수보다 빔 행렬의 rank가 부족함을 방지하기 위해 제한하는 것이다. 이때, 빔의 rank를 직접적으로 제한하는 방법과 간접적으로 빔 행렬의 singular value 범위를 제한하는 방법이 있다.
하지만, [수학식 7]은 non-convex 문제로서 한번에 다양한 변수에 대한 솔루션값을 도출하는 것은 쉽지 않다. 따라서 다음의 실시예와 같이 두가지의 convex 문제들로 분리하여 반복(alternating) 계산하여, 최적의 변수값을 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 변수를 산출하는 단계는 제 1 계산 단계, 제 2 계산 단계 및 제 1 계산 단계를 재수행하는 단계를 포함할 수 있다.
제 1 계산 단계는 임피던스 값을 결정하는 레지스턴스 값과 리액턴스 값에 대한 범위조건 및 전압 값의 크기에 대한 범위조건 중 적어도 어느 하나의 제약조건 하에서, 임의의 빔 패턴을 나타내는 초기 행렬을 이용하여 전압 값과 임피던스 값을 산출할 수 있다. 이때, 제 1 계산 단계는 하기 [수학식 8]에 따라 산출할 수 있다.
Figure pat00036
여기서, B는 빔패턴을 나타내는 행렬이고, v는 전압값이며,
Figure pat00037
은 제 1 기생 안테나의 임피던스 값,
Figure pat00038
는 제 2 기생 안테나의 임피던스 값, s는 OFDM 심볼, Z는 상기 능동 안테나와 상기 기생 안테나 간의 상호 커플링을 나타내는 행렬을 나타낸다.
다음으로, 제 2 계산 단계는 다중 OFDM 심볼의 송신시 사용되는 부채널에 대한 제약조건, RF 체인과 연결된 입력 임피던스에 대한 범위조건, 및 빔 패턴을 나타내는 행렬의 랭크(Rank)에 대한 제약조건 중 적어도 어느 하나의 제약조건 하에서, 제 1 계산 단계를 통해 산출된 값을 이용하여 빔 패턴을 나타내는 행렬을 산출한다. 이때, 제 2 계산 단계는 하기 [수학식 9] 에 따라 산출할 수 있다.
Figure pat00039
여기서, B는 빔패턴을 나타내는 행렬이고, v는 상기 전압값이며,
Figure pat00040
은 제 1 기생 안테나의 임피던스 값,
Figure pat00041
는 제 2 기생 안테나의 임피던스 값, s는 OFDM 심볼, Z는 상기 능동 안테나와 상기 기생 안테나 간의 상호 커플링을 나타내는 행렬을 나타낸다.
마지막으로, 재수행하는 단계는 초기 행렬 대신에 제 2 계산 단계를 통해 산출된 행렬을 이용하여 제 1 계산 단계를 재수행한다. 이때, 재수행된 제 1 계산 단계를 통해 산출된 값을 이용하여 제 2 계산 단계를 재수행하고, 재수행된 제 2 계산 단계를 통해 산출된 행렬을 이용하여 제 1 계산 단계를 재수행하는 반복 계산 단계를 포함할 수 있다. 이때, 반복 계산 단계는 제 1 전류 값과 제 2 전류 값 간의 차이를 수렴시키는 변수가 산출될 때까지 반복해서 수행될 수 있다. 즉, 하기의 [수학식 10]이 수렴될 때까지 반복계산된다.
Figure pat00042
도 4는 변수를 산출하는 과정의 일 예를 좀더 자세히 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 자세히 살펴보면, 먼저, (1)과정은 RF체인 인가전압/각 안테나에 연결된 임피던스의 계산이 이루어진다. 이때, 임피던스 값을 결정하는 레지스턴스 값과 리액턴스 값에 대한 범위조건 및 전압 값의 크기에 대한 범위조건 중 적어도 어느 하나의 제약조건 설정하여 계산이 이루어질 수 있다.
다음으로, (2)과정은 빔패턴 행렬 계산이 이루어진다. 이때, OFDM 심볼의 송신시 사용되는 부채널에 대한 제약조건, RF 체인과 연결된 입력 임피던스에 대한 범위조건, 및 빔 패턴을 나타내는 행렬의 랭크(Rank)에 대한 제약조건 중 적어도 어느 하나의 제약조건을 설정하여 이루어질 수 있다.
마지막으로, (3)과정은 (2)과정후 다시 (1)과정을 수행하고, 수행한 결과는 다시 과정을 반복 계산하여 최적의 변수값을 산출한다. 이때, 반복계산은 제 1 전류 값과 제 2 전류 값 간의 차이가 최소화되는 변수값이 산출될 때까지 이루어질 수 있다.
한편, 도 4의 (1)과정, (2)과정,(3)과정에서 고려되는 제약조건의 적용 순서 및 제약조건의 적용 개수는 본 발명의 일 실시예일뿐이며, 설계자의 설계에 따라 제약조건의 적용 순서 및 제약조건의 적용 개수는 달라질 수 있다.
도 5를 통해 변수를 산출하는 과정이 계속될수록 에러가 0 혹은 일정 값으로 수렴해가는 것을 확인할 수 있다.
지금까지 설명한 빔 공간 다중 입출력 환경에서의 ESPAR 안테나 송신기 및 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하는 방법을 통해 OFDM 심볼의 왜곡없이 전송하는 것이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 단일 RF체인으로 연결된 능동 안테나와 그 둘레에 배치된 기생안테나를 포함하는 ESPAR안테나 송신기를 통해 OFDM심볼을 전송함으로써, RF하드웨어 복잡도 문제, RF체인 간 간섭문제, 회로 전력소비 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 단일 RF체인으로 연결된 능동 안테나와 그 둘레에 배치된 기생안테나를 포함하는 ESPAR안테나 송신기를 통해 OFDM심볼을 전송시, 다중 OFDM 심볼에 대하여 빔 공간 다중 입출력 시스템의 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값과 능동 안테나의 둘레에 배치된 다수의 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값 간의 차이가 최소화되도록 하는 최적의 변수를 계산하여 적용함으로써, 능동 안테나의 방사에 따라 전류가 기생안테나로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 최적의 변수 계산시, 레지스턴스 값과 리액턴스 값에 대한 범위조건, 전압 값의 크기에 대한 범위조건, 송신시 사용되는 부채널에 대한 제약조건, RF 체인과 연결된 입력 임피던스에 대한 범위조건, 빔 패턴을 나타내는 행렬의 랭크(Rank)에 대한 제약조건을 적용함으로써, OFDM 신호 전송시 발생하는 PAPR문제, 음의 저항값으로 인한 발진 문제, 임피던스 매칭 문제 등 복합적인 문제해결이 가능할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에서 제안되는 다중 OFDM 심볼 전송 방법을 적용한 송신기의 성능을 살펴보기 위한 도면이다.
도 6은 초기 빔 행렬을 사용했을시 임피던스 분포를 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 6은 산출 모듈을 통해 최적의 변수값을 적용하지 않았을 경우 임의의 10 OFDM 심볼에 대한 샘플구간 동안 요구되는 임피던스 분포를 나타낸다. 이때, 임피던스 값(저항 값)이 음에 값에 분포 되어있음을 확인할 수 있으며, 이는 음의 저항성분이 요구된다는 것을 의미한다.
도 7은 본 발명에서 제안되는 산출모듈에서 레지스턴스 값과 리액턴스 값에 대한 범위조건(Impedance load chip constrains)에 따라 음의 저항을 제한을 반영하여 산출된 변수를 적용하였을때, 요구되는 임피던스 분포이다. 즉, 본 발명에 따라 최적의 변수값을 적용하였을시 성능 향상을 확인하기 위해선 해당 음의 저항 성분이 요구되지 않음을 확인해야한다.
즉, 도 7에 나타난 바와 같이 음의 저항 성분이 배제된 임피던스 분포되어 있음(양의 영역에 임피던스가 분포되어 있음)을 확인할 수 있다. 다시말하면, 본 발명에서 제안되는 ESPAR 송신기는 제약조건에 따라 산출된 최적의 변수를 적용하여 독립적인 OFDM 심볼을 왜곡 없이 음의 저항 성분을 배제한 채로 전송할 수 있다.
도 8은 본 발명에서 제안되는 OFDM심볼 전송방법의 성능을 비교설명하기 위한 도면이다.
도 8을 살펴보면, 임피던스 값을 결정하는 레지스턴스 값과 리액턴스 값에 대한 범위조건에 따라 디자인 된 단일 RF체인을 갖는 ESPAR안테나 송신기의 이득이 기존 다중 안테나 시스템의 다중화 이득 (multiplexing gain)보다 높은 이득을 달성함을 확인할 수 있다. 또한, 단일 RF chain안테나 송신기 Rate의 기울기가 다중화 이득 4를 달성함을 확인할 수 있다. 또한, Full-RF chain 송신기 대비 Rate (약 10bps/Hz)의 손실은 음의 저항 배제 이외의 채널정보에 기반한 제한 및 빔들간의 상관성에 대한 제한조건을 적용하면 보상될 수도 있다.
본 발명에서 제안되는 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하는 방법, 빔 공간 다중 입출력 환경에서의 ESPAR 안테나 송신기는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능 한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다. 본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: ESPAR 안테나 송신기
120: 능동안테나
121,122: 기생안테나
130: 부하 저항
131,132: 부하 임피던스
140: 임피던스 매칭부
150: RF체인
160: 빔패턴 산출 모듈

Claims (7)

  1. 빔 공간 다중 입출력 시스템에서 ESPAR 안테나 송신기를 통해 독립적인 다중 OFDM 심볼을 전송하는 방법에 있어서,
    복수의 제약조건 하에서, 상기 다중 OFDM 심볼에 대하여 상기 빔 공간 다중 입출력 시스템의 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값과, 상기 ESPAR 안테나 송신기를 통해 구현되어 능동 안테나 및 상기 능동 안테나의 둘레에 배치된 다수의 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값 간의 차이가 최소화되도록 하는 변수를 산출하는 단계; 및
    상기 ESPAR 안테나 송신기에 대하여 상기 산출된 변수를 적용하여 상기 다중 OFDM 심볼을 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 변수는 상기 빔 패턴을 나타내는 행렬, 상기 능동 안테나와 연결된 RF 체인을 통해 상기 능동 안테나에 인가되는 전압 값, 및 상기 기생 안테나에 연결된 임피던스 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 OFDM 심볼 전송방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기생 안테나가 2개인 경우 상기 변수를 산출하는 단계는 하기 수학식에 따라 산출하는 것을 특징으로 하는 다중 OFDM 심볼 전송방법.
    Figure pat00043

    (이때, B는 상기 빔패턴을 나타내는 행렬, v는 상기 전압값, x1은 제 1 기생 안테나의 임피던스 값, x2는 제 2 기생 안테나의 임피던스 값, s는 OFDM 심볼, Z는 상기 능동 안테나와 상기 기생 안테나 간의 상호 커플링을 나타내는 행렬임)
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변수를 산출하는 단계는
    상기 임피던스 값을 결정하는 레지스턴스 값과 리액턴스 값에 대한 범위조건 및 상기 전압 값의 크기에 대한 범위조건 중 적어도 어느 하나의 제약조건 하에서, 임의의 빔 패턴을 나타내는 초기 행렬을 이용하여 상기 전압 값과 상기 임피던스 값을 산출하는 제 1 계산 단계;
    상기 다중 OFDM 심볼의 송신시 사용되는 부채널에 대한 제약조건, 상기 RF 체인과 연결된 입력 임피던스에 대한 범위조건, 및 상기 빔 패턴을 나타내는 행렬의 랭크(Rank)에 대한 제약조건 중 적어도 어느 하나의 제약조건 하에서, 상기 제 1 계산 단계를 통해 산출된 값을 이용하여 상기 빔 패턴을 나타내는 행렬을 산출하는 제 2 계산 단계;
    상기 초기 행렬 대신에 상기 제 2 계산 단계를 통해 산출된 행렬을 이용하여 상기 제 1 계산 단계를 재수행하는 단계; 및
    상기 재수행된 제 1 계산 단계를 통해 산출된 값을 이용하여 상기 제 2 계산 단계를 재수행하고, 상기 재수행된 제 2 계산 단계를 통해 산출된 행렬을 이용하여 상기 제 1 계산 단계를 재수행하는 반복 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 OFDM 심볼 전송방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반복 계산 단계는 상기 제 1 전류 값과 제 2 전류 값 간의 차이를 수렴시키는 변수가 산출될 때까지 반복해서 수행되는 것을 특징으로 하는 다중 OFDM 심볼 전송방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 기생 안테나가 2개인 경우 상기 제 1 계산 단계는 하기 수학식에 따라 산출하는 것을 특징으로 하는 다중 OFDM 심볼 전송방법.
    Figure pat00044

    (이때, B는 상기 빔패턴을 나타내는 행렬, v는 상기 전압값, x1은 제 1 기생 안테나의 임피던스 값, x2는 제 2 기생 안테나의 임피던스 값, s는 OFDM 심볼, Z는 상기 능동 안테나와 상기 기생 안테나 간의 상호 커플링을 나타내는 행렬임)
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 기생 안테나가 2개인 경우 상기 제 2 계산 단계는 하기 수학식에 따라 산출하는 것을 특징으로 하는 다중 OFDM 심볼 전송방법.
    Figure pat00045

    (이때, B는 상기 빔패턴을 나타내는 행렬, v는 상기 전압값, x1은 제 1 기생 안테나의 임피던스 값, x2는 제 2 기생 안테나의 임피던스 값, s는 OFDM 심볼, Z는 상기 능동 안테나와 상기 기생 안테나 간의 상호 커플링을 나타내는 행렬임)
  7. 빔 공간 다중 입출력 환경에서의 ESPAR 안테나 송신기에 있어서,
    능동 안테나;
    상기 능동 안테나의 둘레에 배치된 다수의 기생 안테나;
    상기 능동 안테나에 연결된 저항 값 및 상기 기생 안테나에 연결된 임피던스 값에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭부; 및
    상기 능동 안테나와 연결되어 상기 능동 안테나에 전압 값을 인가하는 RF 체인을 포함하되,
    상기 빔 공간 다중 입출력 시스템의 빔 패턴을 나타내는 행렬, 상기 전압 값, 및 상기 임피던스 값은, 복수의 제약조건 하에서, 독립적인 다중 OFDM 심볼에 대하여 상기 빔 패턴을 나타내는 행렬을 맵핑하여 계산된 제 1 전류 값과, 상기 ESPAR 안테나 송신기를 통해 구현되어 상기 능동 안테나 및 상기 기생 안테나로 각각 인가되는 제 2 전류 값 간의 차이가 최소화되도록 하는 산출되는 것을 특징으로 하는 ESPAR 안테나 송신기.
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