KR20190103106A - 페이즈 시프트를 이용한 빔 형성 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 시스템의 용량 및 커버리지를 늘리면서도, 서비스의 질을 유지하고, 비용을 절감할 수 있는 빔 형성 장치 및 방법이 개시된다.
이를 위해, 송신 데이터를 RF 신호로 변환하여 출력하는 변복조부; 상기 RF 신호를 제 1 신호 및 제 2 신호를 포함한 복수개로 분배하는 디바이더; 상기 디바이더의 제 2 신호에 대해 위상을 변경시키는 페이즈 시프터; 및 상기 제 1 신호와 상기 위상이 변경된 제 2 신호를 송신하는 안테나를 포함하고, 상기 페이즈 시프터는 피드백 신호의 세기가 가장 큰 복수개의 위상의 사이에서 상기 제 2 신호의 위상을 변경하는 빔 형성 장치가 개시된다.

Description

페이즈 시프트를 이용한 빔 형성 장치 및 방법{Beamforming Device and Method using phase shifter}
본 발명은 송신 다이버시티를 적용하여 시스템의 용량 및 커버리지를 늘리면서도, 서비스의 질을 유지하고, 비용을 절감할 수 있는 빔 형성 장치 및 방법에 관한 것이다.
이동통신시스템(Mobile Telecommunication System)이 급속히 발전하여 이동통신시스템에서 서비스하는 데이터량이 급속하게 증가하고 사용자가 증가함에 따라 보다 많은 시스템 용량이 요구되고 있다.
또한, 이동 통신 시스템은 통상적으로 하나의 기지국을 통해 다수개의 사용자 이동통신 단말기(UE: User Equipment)들이 통신하는 형태로 구성되는데, 고속 데이터 전송시 무선 채널 상에서 발생하는 페이딩(fading) 현상에 의해 신호의 왜곡이 발생하여 이동통신 단말기의 송신전력이 높아지게 된다.
이러한 요구를 충족시키고 페이딩 현상을 극복하기 위해 최근에 각광받고 있는 것이 다이버시티(Diversity) 기술이다.
송신 다이버시티 기술은 단말기의 크기, 사용 전력 그리고 시스템의 복잡도 등의 제한적인 조건 때문에 이동통신단말기에 적용하기 어려웠으나, 최근 반전력 전력증폭기(Half power PAM)의 개발로 시스템의 업그레이드 없이 단말기에 두 개의 다이버시티 칩만을 추가함으로써 송신 다이버시티 기술을 이동통신단말기에 적용하는 것이 가능해졌다. 그러나 이동통신 단말기의 공간적 제약과 칩 직접도가 높은 것을 추가함으로써 제조 비용 상승으로 인해 적용에 어려움이 있다.
본 발명은 시스템의 용량 및 커버리지를 늘리면서도, 서비스의 질을 유지하고, 비용을 절감할 수 있는 빔 형성 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 빔 형성 장치는 송신 데이터를 RF 신호로 변환하여 출력하는 변복조부; 상기 RF 신호를 제 1 신호 및 제 2 신호를 포함한 복수개로 분배하는 디바이더; 상기 디바이더의 제 2 신호에 대해 위상을 변경시키는 페이즈 시프터; 및 상기 제 1 신호와 상기 위상이 변경된 제 2 신호를 송신하는 안테나를 포함하고, 상기 페이즈 시프터는 피드백 신호의 세기가 가장 큰 복수개의 위상의 사이에서 상기 제 2 신호의 위상을 변경할 수 있다.
여기서, 상기 페이즈 시프터는 전체 360°위상을 기설정된 간격으로 구분하여 다수개의 위상으로 변위하고, 각 위상마다 상기 피드백 신호를 수신하여 세기가 가장 큰 2개의 위상을 도출할 수 있다.
그리고 상기 페이즈 시프터는 상기 전체 360°위상을 45°간격으로 구분할 수 있다.
또한, 상기 페이즈 시프터는 3비트 또는 6비트 페이즈 시프터일 수 있다.
또한, 상기 피드백 신호는 컨트롤 칩 내부의 수신 신호 강도(Received signal strength indicator, RSSI), 전력 제어 비트(Power control bit)의 값 또는 위성의 반송파 전력대 잡음 전력비(C/N), DOP(Dilution of Precision) 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 페이즈 시프터는 피드백 신호의 세기가 가장 큰 복수개의 위상의 사이에서 중간값으로 상기 제 2 신호의 위상을 변경할 수 있다.
또한, 상기 페이즈 시프터는 피드백 신호의 세기가 가장 큰 2개의 위상의 사이에서 중간값으로 상기 제 2 신호의 위상을 변경할 수 있다.
또한, 상기 안테나는 방사 패턴으로 상기 제 1 신호 및 위상이 변경된 제 2 신호를 각각 송신할 수 있다.
더불어, 본 발명에 따른 빔 형성 방법은 디바이더가 송신 데이터로부터 변환된 RF 신호를 제 1 신호 및 제 2 신호를 포함한 복수개로 분배하는 단계; 페이즈 시프터가 상기 제 2 신호에 대해 위상을 변위하는 단계; 및 안테나가 상기 제 2 신호를 송신하는 단계; 상기 페이즈 시프터가 피드백 신호 중 세기가 가장 큰 복수개의 위상의 사이값으로 상기 제 2 신호의 위상을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 페이즈 시프터는 전체 360°위상을 기설정된 간격으로 구분하여 다수개의 위상으로 변위하고, 각 위상마다 상기 피드백 신호를 수신하여 세기가 가장 큰 2개의 위상을 도출할 수 있다.
그리고 상기 페이즈 시프터는 상기 전체 360°위상을 45°간격으로 구분할 수 있다.
또한, 상기 피드백 신호는 컨트롤 칩 내부의 수신 신호 강도(Received signal strength indicator, RSSI), 전력 제어 비트(Power control bit)의 값 또는 위성의 반송파 전력대 잡음 전력비(C/N), DOP(Dilution of Precision) 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 페이즈 시프터는 피드백 신호의 세기가 가장 큰 2개의 위상의 사이에서 중간값으로 상기 제 2 신호의 위상을 변경할 수 있다.
본 발명에 따른 빔 형성 장치 및 방법은 상술한 바와 같이 상기 제 2 신호의 위상을 변경하고, 상기 제 1 신호와 함께 송신하면, 수신측에서 빔 형성(beamforming)이 될 수 있기 때문에, 다이버시티 구현이 가능하게 된다. 또한, 단말기는 음영 지역을 제거할 수 있고, 다이버시티 게인을 얻기 때문에 송신 전력을 줄일 수 있으며, 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있다. 또한, 각 셀의 입장에서는 송신 밴드의 전력 레벨이 줄어듬과 동시에 인접 채널의 노이즈가 줄어드는 효과가 나타날 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 장치에서 가변 경로의 위상 변화를 도시한 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 형성 장치의 구성에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 장치의 개략적인 구성도이다.
먼저, 도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 장치(10)는 변복조기(110), 트랜시버(120), 증폭기(130), 디바이더(140), 페이즈 시프터(150), PAM(160, 170), 듀플렉서(180, 190), 필터(200, 210), 안테나(220, 230)를 포함할 수 있다.
상기 변복조기(110)는 제어부(미도시)로부터 인가되는 아날로그 형태의 송신 데이터를 RF 신호로 변환하거나, 상기 안테나(220, 230)로부터 수신된 RF 신호를 아날로그 신호로 변환하는 역할을 수행한다.
상기 트랜시버(120)는 상기 변복조기(110)에서 인가받은 RF 신호를 송신하거나, 수신된 RF 신호를 상기 변복조기(110)에 인가하기 위한 단말기의 역할을 수행한다.
상기 증폭기(130)는 상기 트랜시버(120)에 인가되는 상기 변복조기(110)의 RF 신호를 증폭한다. 상기 증폭기(130)에 의해 상기 RF 신호는 송신하기에 적합한 크기의 게인을 얻을 수 있다.
상기 디바이더(140)는 상기 증폭기(130)로부터 나온 RF 신호를 제 1 신호와 제 2 신호를 포함하는 적어도 2개의 경로로 분배하는 역할을 한다. 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 장치(10)에서 상기 디바이더(140)는 제 1 송신 경로와 제 2 송신 경로의 두 경로로 분배한다. 이에 따라, 상기 RF 신호의 전력은 반으로 줄어들어 각각의 송신 경로로 분배될 수 있다.
상기 페이즈 시프터(150)는 상기 디바이더(140)로부터 제 2 송신 경로를 통해 인가받은 제 2 신호의 위상을 변화시킨다. 상기 페이즈 시프터(150)는 상기 변복조기(110)에 대해 다용도 입출력 포트(General Purpose Input/Output, GIPO) 또는 MIPI 인터페이스를 통해 연결될 수 있다.
후술할 바와 같이, 상기 페이즈 시프터(150)는 피드백되어 돌아온 수신 신호강도(RSSI)를 기준으로 상기 제 2 신호의 위상을 변화시키는 동작을 통해, 제 2 신호는 위상 변화가 없는 제 1 신호와 분리하여 송신할 수 있게 된다. 그리고 상기 페이즈 시프터(150)가 3비트(3-bit) 페이즈 시프터인 경우, 상기 페이즈 시프터(150)에서 위상 변경시, 먼저 위상을 0° (360°)에서 315° 까지 45° 간격으로 위상을 변화시키고, 피드백된 수신 신호 강도(Received signal strength indicator, RSSI)를 통해 가장 큰 상위 2개값을 갖는 위상 2개를 결정한다. 만약, 상기 페이즈 시프터(150)가 6비트 페이즈 시프터인 경우, 상기 페이즈 시프터(150)는 5.6°위상을 가변할 수 있으므로 변화 위상의 정밀도는 페이즈 쉬프터(150)의 비트수와 관련된다.
또한, 상기 페이즈 시프터(150)는 상기 2개 위상의 중간값으로 상기 RF 신호의 위상을 변경한다. 따라서, 사용자의 위치에 적합한 위상을 결정할 수 있게 된다. 또한, 사용자가 이동하거나 주변 상황이 변하게 되면 안테나의 지향성(위상)이 달라져야 한다. 이 경우, 상기 페이즈 시프터(150)는 상기 제 2 송신 경로의 위상을 증가 또는 감소시켜서, 변동되는 수신 신호 강도를 참조하여 위상을 제어하게 된다.
이에 따라, 수신측에서는 상기 RF 신호를 수신하는 경로가 분리되기 때문에, 다이버시티를 구현할 수 있고, 이에 따라 페이딩 현상을 보정할 수 있게 된다.
상기 PAM(160, 170)은 상기 제 1 송신 경로의 RF 신호와 위상이 변경된 상기 제 2 송신 경로의 RF 신호에 대해 펄스 진폭 변조(pulse amplitude modulation)를 수행한다. 변조가 수행된 RF 신호들은 오류율이 줄어들 수 있다.
상기 듀플렉서(180, 190)는 상기 RF 신호들을 수신 주파수와 분리한다. 이에 따라, 상기 안테나(220, 230)를 이용항 양방향 송수신이 이루어질 때, 송신 및 수신 신호들의 혼선을 방지할 수 있다.
상기 필터(200, 210)는 상기 듀플렉서(200, 210)의 후단에 결합될 수 있다. 상기 필터(200, 210)를 통해 RF 신호의 송신 전 필터링이 가능하다.
상기 안테나(220, 230)는 상기 필터(200, 210)를 통과한 RF 신호들을 송신한다. 또한, 상기 안테나(220, 230)의 경우 양방향으로 신호의 송수신이 가능할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 방법을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 장치에서 가변 경로의 위상 변화를 도시한 것이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 방법은 전력 분배 단계(S1), 위상 변위 단계(S2), 신호 송신 단계(S3), 피드백 신호 비교 단계(S4), 위상 변경 단계(S5)를 포함할 수 있다.
상기 전력 분배 단계(S1)는 상기 디바이더(140)에서 송신할 RF 신호의 전력을 복수개로 나누어 분배하는 단계이다. 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 방법에서는 제 1 신호 및 제 2 신호의 2개로 분배하는 것으로 설명한다. 또한, 분배된 RF 신호 중 제 1 신호는 제 1 송신 경로를 따라 PAM(160)으로 인가되고, 나머지 제 2 신호는 상기 페이즈 시프터(150)에 인가된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 위상 변위 단계(S2)는 상기 페이즈 시프터(150)에 인가된 제 2 신호의 위상을 변경하는 단계이다. 그리고 상기 페이즈 시프터(150)는 상기 위상 변위 단계(S2) 내지 피드백 신호 비교 단계(S4)를 반복하는 과정에서 도 3에 도시된 것과 같이 위상을 0°(360°)에서 315°까지 45°간격으로 변화시킬 수 있다. 따라서, 위상을 45° 간격으로 변화시키는 경우, 상기 위상 변위 단계(S2) 내지 피드백 신호 비교 단계(S4)는 8회 반복될 수 있다.
상기 신호 송신 단계(S3)는 상기 변위된 위상을 갖는 제 2 신호를 PAM(170), 듀플렉서(190), 필터(210) 및 안테나(230)를 거쳐서 송신하는 단계이다. 상기 제 2 신호는 일정 시간 간격을 두고 순차적으로 상기 위상 변위 단계(S2)에 따라 위상이 변위된 상태에서 송신될 수 있다.
상기 피드백 신호 비교 단계(S4)는 컨트롤 칩 내부의 수신 신호 강도(RSSI)를 실시간으로 피드백 받아 비교하는 단계이다. 또한, 설명의 편의를 위해 수신 신호 강도(RSSI)를 기준으로 설명하였으나, 당업자의 선택에 따라 전력 제어 비트(Power control bit)의 값, 위성의 반송파 전력대 잡음 전력비(C/N), DOP(Dilution of Precision) 등을 이용하여 피드백 받는 것도 가능하다. 따라서, 피드백된 수신 신호 강도(RSSI)를 비교하여, 가장 큰 2개의 값을 찾아낼 수 있다. 또한, 이에 따라 상기 2개의 값에 대한 위상이 결정될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 위상 변경 단계(S5)는 상기 페이즈 시프터(150)가 결정된 상기 2개 위상의 중간값으로 상기 RF 신호의 위상을 변경하는 단계이다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이, 0°(360°)와 315°에서 각각 가장 큰 수신 신호 강도가 있다면, 상기 페이즈 시프터(150)는 그 중간값인 337.5°로 제 2 신호의 위상을 변경할 수 있다. 이에 따라, 사용자의 현재 위치에 적합한 위상을 결정할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 장치 및 방법은, 상술한 바와 같이 상기 제 2 신호의 위상을 변경하고, 상기 제 1 신호와 함께 송신하면, 수신측에서 빔 형성(beamforming)이 될 수 있기 때문에, 다이버시티 구현이 가능하게 된다. 또한, 단말기는 음영 지역을 제거할 수 있고, 다이버시티 게인을 얻기 때문에 송신 전력을 줄일 수 있으며, 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있다. 또한, 각 셀의 입장에서는 송신 밴드의 전력 레벨이 줄어듬과 동시에 인접 채널의 노이즈가 줄어드는 효과가 나타날 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 스마트 감지시스을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10; 빔 형성 장치 110; 변복조기
120; 트랜시버 130; 증폭기
140; 디바이더 150; 페이즈 시프터
160, 170; PAM 180, 190; 듀플렉서
200, 210; 필터 220, 230; 안테나

Claims (13)

  1. 송신 데이터를 RF 신호로 변환하여 출력하는 변복조부;
    상기 RF 신호를 제 1 신호 및 제 2 신호를 포함한 복수개로 분배하는 디바이더;
    상기 디바이더의 제 2 신호에 대해 위상을 변경시키는 페이즈 시프터; 및
    상기 제 1 신호와 상기 위상이 변경된 제 2 신호를 송신하는 안테나를 포함하고,
    상기 페이즈 시프터는 피드백 신호의 세기가 가장 큰 복수개의 위상의 사이에서 상기 제 2 신호의 위상을 변경하는 빔 형성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 페이즈 시프터는 전체 360°위상을 기설정된 간격으로 구분하여 다수개의 위상으로 변위하고, 각 위상마다 상기 피드백 신호를 수신하여 세기가 가장 큰 2개의 위상을 도출하는 빔 형성 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 페이즈 시프터는 상기 전체 360°위상을 45°간격으로 구분하는 빔 형성 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 페이즈 시프터는 3비트 또는 6비트 페이즈 시프터인 빔 형성 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드백 신호는 컨트롤 칩 내부의 수신 신호 강도(Received signal strength indicator, RSSI), 전력 제어 비트(Power control bit)의 값 또는 위성의 반송파 전력대 잡음 전력비(C/N), DOP(Dilution of Precision) 중 선택된 어느 하나인 빔 형성 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 페이즈 시프터는 피드백 신호의 세기가 가장 큰 복수개의 위상의 사이에서 중간값으로 상기 제 2 신호의 위상을 변경하는 빔 형성 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 페이즈 시프터는 피드백 신호의 세기가 가장 큰 2개의 위상의 사이에서 중간값으로 상기 제 2 신호의 위상을 변경하는 빔 형성 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나는 방사 패턴으로 상기 제 1 신호 및 위상이 변경된 제 2 신호를 각각 송신하는 빔 형성 장치.
  9. 디바이더가 송신 데이터로부터 변환된 RF 신호를 제 1 신호 및 제 2 신호를 포함한 복수개로 분배하는 단계;
    페이즈 시프터가 상기 제 2 신호에 대해 위상을 변위하는 단계; 및
    안테나가 상기 제 2 신호를 송신하는 단계;
    상기 페이즈 시프터가 피드백 신호 중 세기가 가장 큰 복수개의 위상의 사이값으로 상기 제 2 신호의 위상을 변경하는 단계를 포함하는 빔 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 페이즈 시프터는 전체 360°위상을 기설정된 간격으로 구분하여 다수개의 위상으로 변위하고, 각 위상마다 상기 피드백 신호를 수신하여 세기가 가장 큰 2개의 위상을 도출하는 빔 형성 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 페이즈 시프터는 상기 전체 360°위상을 45°간격으로 구분하는 빔 형성 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 피드백 신호는 컨트롤 칩 내부의 수신 신호 강도(Received signal strength indicator, RSSI), 전력 제어 비트(Power control bit)의 값 또는 위성의 반송파 전력대 잡음 전력비(C/N), DOP(Dilution of Precision) 중 선택된 어느 하나인 빔 형성 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 페이즈 시프터는 피드백 신호의 세기가 가장 큰 2개의 위상의 사이에서 중간값으로 상기 제 2 신호의 위상을 변경하는 빔 형성 방법.
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