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WO2022010012A1 - 무선 통신 시스템에서 빔포밍 방법 및 그 장치 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 빔포밍 방법 및 그 장치 Download PDF

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Publication number
WO2022010012A1
WO2022010012A1 PCT/KR2020/009057 KR2020009057W WO2022010012A1 WO 2022010012 A1 WO2022010012 A1 WO 2022010012A1 KR 2020009057 W KR2020009057 W KR 2020009057W WO 2022010012 A1 WO2022010012 A1 WO 2022010012A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
antenna
phase
beamforming
feeding point
feeding
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/009057
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
노상미
정재훈
이상림
김성재
김당오
금승원
이주용
조동호
Original Assignee
엘지전자 주식회사
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사, 한국과학기술원 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to KR1020237000044A priority Critical patent/KR20230024957A/ko
Priority to PCT/KR2020/009057 priority patent/WO2022010012A1/ko
Priority to US18/013,865 priority patent/US20230299825A1/en
Publication of WO2022010012A1 publication Critical patent/WO2022010012A1/ko

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
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    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
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    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/40—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with phasing matrix
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for beamforming in a wireless communication system.
  • the mobile communication system has been developed to provide a voice service while ensuring user activity.
  • the mobile communication system has expanded its scope to not only voice but also data service, and now, due to an explosive increase in traffic, a resource shortage is caused and users demand a higher speed service, so a more advanced mobile communication system is required. .
  • next-generation mobile communication system requirements are largely to accommodate explosive data traffic, to dramatically increase the transmission rate per user, to accommodate a significantly increased number of connected devices, to support very low end-to-end latency, and to support high energy efficiency.
  • Dual Connectivity Massive Multiple Input Multiple Output (MIMO), In-band Full Duplex, Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA), Super Wideband
  • MIMO Massive Multiple Input Multiple Output
  • NOMA Non-Orthogonal Multiple Access
  • the present specification proposes a beamforming method and an apparatus therefor.
  • the prior art beamforming is performed based on a phase shifter connected to an antenna.
  • a phase shifter connected to an antenna.
  • a small-sized antenna is configured as a massive array antenna in order to obtain a large beam gain.
  • power consumption is very large, a heat problem occurs, and power loss occurs due to an insertion loss of the phase shifter.
  • a pattern reconfigurable antenna is an antenna that can adjust a radiation pattern in various ways. There are several methods to obtain pattern reconfigurability. Representatively, a method of selecting a parasitic element through a switch, and a reactively loaded element of a parasitic element called ESPAR (Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) There is a way to connect and control it.
  • ESPAR Electroically Steerable Parasitic Array Radiator
  • the present specification proposes a beamforming method and apparatus for solving the above-described problems of the prior art.
  • An antenna is a radiating element, a plurality of feeding points to which a feeding line for applying a signal to the radiating element is connected, the plurality of feeding points Among them, a switch for turning on or off the signal applied to each feeding point, and a variable reactance element connected to at least one feeding point among the plurality of feeding points.
  • the plurality of feeding points include at least one first feeding point disposed at a first location and at least one second feeding point disposed at a second location different from the first location.
  • the second feeding point is connected to the variable reactance element.
  • the first position may be located within a region formed based on a specific length from an edge of the radiating element, and the second position may be located outside the region.
  • the specific length may be based on one third of the length from the edge to the opposite edge.
  • the variable reactance device may be based on a chip inductor, a chip capacitor, or a varactor diode.
  • a beamforming method performed by a wireless device having an array antenna in a wireless communication system includes calculating a phase related to a target beamforming direction, among antenna patterns preset in relation to beamforming. determining antenna patterns related to the target beamforming direction; and applying an antenna pattern based on the phase among antenna patterns related to the target beamforming direction to the array antenna.
  • Each antenna included in the array antenna includes a plurality of feeding points and a variable reactance element connected to at least one of the plurality of feeding points.
  • the antenna pattern is characterized in that it relates to at least one of i) selection of at least one feeding point among the plurality of feeding points or ii) a reactance value of the variable reactance element.
  • the antenna pattern may include information related to at least one of selection of the at least one feeding point, the reactance value, a peak gain direction, and a polarization phase.
  • the antenna patterns related to the target beamforming direction may belong to a specific range in which the maximum gain direction is based on the target beamforming direction.
  • the information related to the polarization phase includes a three-dimensional matrix based on the antenna pattern, and the three-dimensional matrix includes an elevation angle, an azimuth angle, and the elevation angle and It may include a polarization phase based on the azimuth angle.
  • the phase-based antenna pattern may be based on an antenna pattern having a minimum difference between the phase and the polarization phase determined based on the target beamforming direction and the 3D matrix.
  • the phase is calculated for each antenna included in the array antenna, and the information related to selection of the at least one feeding point is based on a bitmap indicating on or off of each antenna, , the information related to the reactance value may include a reactance value of each antenna.
  • Application of the antenna pattern based on the phase may be based on the bitmap and a reactance value of each antenna.
  • a wireless device for performing beamforming in a wireless communication system includes an array antenna, one or more transceivers for transmitting and receiving radio signals through the array antenna, one for controlling the array antenna and the one or more transceivers one or more processors, one or more memories operatively connectable to the one or more processors and storing instructions for performing operations when the beamforming is performed by the one or more processors.
  • the operations include calculating a phase related to a target beamforming direction, determining antenna patterns related to the target beamforming direction from among antenna patterns preset in relation to the beamforming, and an antenna pattern related to the target beamforming direction. and applying an antenna pattern based on the phase among them to the array antenna.
  • Each antenna included in the array antenna includes a plurality of feeding points and a variable reactance element connected to at least one of the plurality of feeding points.
  • the antenna pattern is characterized in that it relates to at least one of i) selection of at least one feeding point among the plurality of feeding points or ii) a reactance value of the variable reactance element.
  • the antenna pattern may include information related to at least one of selection of the at least one feeding point, the reactance value, a peak gain direction, and a polarization phase.
  • One or more instructions executable by the one or more processors may cause the apparatus to calculate a phase related to a target beamforming direction, determine antenna patterns related to the target beamforming direction among preset antenna patterns in relation to beamforming, and to determine the target beamforming direction. It is set to apply the antenna pattern based on the phase among the antenna patterns related to the beamforming direction to the array antenna.
  • Each antenna included in the array antenna includes a plurality of feeding points and a variable reactance element connected to at least one of the plurality of feeding points.
  • the antenna pattern is characterized in that it relates to at least one of i) selection of at least one feeding point among the plurality of feeding points or ii) a reactance value of the variable reactance element.
  • the antenna pattern may include information related to at least one of selection of the at least one feeding point, the reactance value, a peak gain direction, and a polarization phase.
  • a plurality of feeding points a switch for turning on or off the signal applied to each feeding point among the plurality of feeding points, and
  • An antenna comprising a variable reactance element coupled to at least one of the plurality of feeding points. Therefore, a beamforming system can be effectively configured without problems due to power or heat based on the antenna. That is, the size, power consumption, complexity, and cost are reduced in implementing the beamforming system.
  • the plurality of feeding points are at least one first feeding point disposed in a first position and at least one second feeding point disposed in a second position different from the first position. and a second feeding point, wherein the second feeding point is connected to the variable reactance element.
  • pattern reconfigurability of the antenna can be obtained by selecting the feeding points and adjusting the reactance value. Accordingly, the antenna according to the present embodiment can generate various radiation patterns and is easily used as a module for configuring a massive array antenna.
  • beamforming is performed by applying an antenna pattern based on a phase weight among antenna patterns related to a target beamforming direction to an array antenna.
  • the antenna pattern is related to at least one of i) selection of at least one feeding point from among the plurality of feeding points or ii) a reactance value of the variable reactance element. Therefore, beamforming can be effectively performed based on an array antenna that does not use a phase shifter.
  • the number of radiation patterns that can be generated is not limited, so radiation patterns having various directions and phases can be generated. 2) Since the problem of power consumption and insertion loss due to the phase shifter does not occur, beamforming can be effectively performed even in the terahertz band.
  • 1 illustrates physical channels and general signal transmission used in a 3GPP system.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a communication structure that can be provided in a 6G system.
  • FIG. 3 illustrates the structure of a perceptron to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • FIG. 4 illustrates the structure of a multilayer perceptron to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • FIG. 5 illustrates the structure of a deep neural network to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • FIG. 6 illustrates the structure of a convolutional neural network to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • FIG. 7 illustrates a filter operation in a convolutional neural network to which the method proposed in this specification can be applied.
  • FIG. 8 illustrates a neural network structure in which a cyclic loop to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • FIG. 9 illustrates an operation structure of a recurrent neural network to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of THz communication application.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of an electronic device-based THz wireless communication transceiver.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a method of generating an optical device-based THz signal.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an optical element-based THz wireless communication transceiver.
  • 15 illustrates the structure of a photoinc source-based transmitter.
  • FIG. 16 illustrates a structure of an optical modulator.
  • 17 illustrates a radiation pattern of an antenna.
  • 18 is a diagram illustrating movement of an antenna and a feeding point according to an embodiment of the present specification.
  • 19 is a graph illustrating an input impedance and a reflection coefficient according to a location of a feeding point of an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 20 is a diagram illustrating an area in which a feeding point of an antenna is located according to an embodiment of the present specification.
  • 21 and 22 illustrate a configuration of a type 1 feeding point of an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 23 and 24 illustrate configuration of a type 1 feeding point and a type 2 feeding point of an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 25 and 26 illustrate a configuration of a feeding point and a variable reactance element of an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • FIG. 27 illustrates a structure of an antenna including a variable reactance according to an embodiment of the present specification.
  • FIG. 28 is a diagram for explaining a phase change of an antenna pattern according to a change in a variable reactance value in the antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 29 is a diagram illustrating a change in a beam according to selection of a feeding point in an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • FIG 30 illustrates various feeding point configurations in the antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 31 illustrates an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 32 is a diagram for explaining mapping of an antenna pattern according to an embodiment of the present specification.
  • 33 is a diagram for explaining application of an antenna pattern according to an embodiment of the present specification.
  • 34 is a flowchart illustrating a beamforming method according to an embodiment of the present specification.
  • 35 illustrates a block diagram of a beamforming system using an existing phase shifter.
  • FIG. 36 illustrates a circuit diagram of a phase shifter and a power amplifier based on the prior art.
  • FIG. 37 illustrates a block diagram of a beamforming system based on an embodiment of the present specification.
  • 38A to 38C and 39A to 39C are diagrams illustrating simulation results using a 1X16 array antenna according to an embodiment of the present specification.
  • FIG. 40 is a flowchart illustrating a beamforming method performed by a wireless device having an array antenna in a wireless communication system according to an embodiment of the present specification.
  • 41 illustrates the communication system 1 applied to this specification.
  • the base station has a meaning as a terminal node of a network that directly communicates with the terminal.
  • a specific operation described as being performed by the base station in this document may be performed by an upper node of the base station in some cases. That is, it is obvious that various operations performed for communication with the terminal in a network including a plurality of network nodes including the base station may be performed by the base station or other network nodes other than the base station.
  • BS Base Station
  • BS Base Station
  • BS Base Station
  • eNB evolved-NodeB
  • BTS base transceiver system
  • AP Access Point
  • gNB General NB
  • 'terminal' may be fixed or have mobility, and UE (User Equipment), MS (Mobile Station), UT (user terminal), MSS (Mobile Subscriber Station), SS (Subscriber Station), AMS ( Advanced Mobile Station), a wireless terminal (WT), a machine-type communication (MTC) device, a machine-to-machine (M2M) device, a device-to-device (D2D) device, and the like.
  • UE User Equipment
  • MS Mobile Station
  • UT user terminal
  • MSS Mobile Subscriber Station
  • SS Subscriber Station
  • AMS Advanced Mobile Station
  • WT wireless terminal
  • MTC machine-type communication
  • M2M machine-to-machine
  • D2D device-to-device
  • downlink means communication from a base station to a terminal
  • uplink means communication from a terminal to a base station.
  • the transmitter may be a part of the base station, and the receiver may be a part of the terminal.
  • the transmitter may be a part of the terminal, and the receiver may be a part of the base station.
  • CDMA may be implemented with a radio technology such as Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) or CDMA2000.
  • TDMA may be implemented with a radio technology such as Global System for Mobile communications (GSM)/General Packet Radio Service (GPRS)/Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE).
  • GSM Global System for Mobile communications
  • GPRS General Packet Radio Service
  • EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
  • OFDMA may be implemented with a radio technology such as IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, Evolved UTRA (E-UTRA), and the like.
  • UTRA is part of the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS).
  • 3GPP 3rd Generation Partnership Project
  • Long Term Evolution is a part of Evolved UMTS (E-UMTS) using E-UTRA and LTE-A (Advanced)/LTE-A pro is an evolved version of 3GPP LTE.
  • 3GPP NR New Radio or New Radio Access Technology
  • 3GPP 6G may be an evolved version of 3GPP NR.
  • LTE refers to technology after 3GPP TS 36.xxx Release 8.
  • LTE technology after 3GPP TS 36.xxx Release 10 is referred to as LTE-A
  • LTE technology after 3GPP TS 36.xxx Release 13 is referred to as LTE-A pro
  • 3GPP NR refers to technology after TS 38.
  • 3GPP 6G may refer to technology after TS Release 17 and/or Release 18.
  • xxx stands for standard document detail number.
  • LTE/NR/6G may be collectively referred to as a 3GPP system.
  • terms, abbreviations, etc. used in the description of the present invention reference may be made to matters described in standard documents published before the present invention. For example, you can refer to the following documents:
  • RRC Radio Resource Control
  • RRC Radio Resource Control
  • a terminal receives information through a downlink (DL) from a base station, and the terminal transmits information through an uplink (UL) to the base station.
  • Information transmitted and received between the base station and the terminal includes data and various control information, and various physical channels exist according to the type/use of the information they transmit and receive.
  • the terminal When the terminal is powered on or newly enters a cell, the terminal performs an initial cell search operation, such as synchronizing with the base station (S101). To this end, the terminal receives a primary synchronization signal (PSS) and a secondary synchronization signal (SSS) from the base station, synchronizes with the base station, and obtains information such as a cell ID. Thereafter, the terminal may receive a physical broadcast channel (PBCH) from the base station to obtain intra-cell broadcast information. On the other hand, the UE may receive a downlink reference signal (DL RS) in the initial cell search step to check the downlink channel state.
  • PSS primary synchronization signal
  • SSS secondary synchronization signal
  • PBCH physical broadcast channel
  • DL RS downlink reference signal
  • the UE After the initial cell search, the UE receives a Physical Downlink Control Channel (PDCCH) and a Physical Downlink Control Channel (PDSCH) according to information carried on the PDCCH to obtain more specific system information. It can be done (S102).
  • PDCH Physical Downlink Control Channel
  • PDSCH Physical Downlink Control Channel
  • the terminal may perform a random access procedure (RACH) with respect to the base station (S103 to S106).
  • RACH random access procedure
  • the UE transmits a specific sequence as a preamble through a Physical Random Access Channel (PRACH) (S103 and S105), and a response message to the preamble through the PDCCH and the corresponding PDSCH ((Random Access (RAR)) Response) message)
  • PRACH Physical Random Access Channel
  • RAR Random Access
  • a contention resolution procedure may be additionally performed (S106).
  • the UE After performing the procedure as described above, the UE performs PDCCH/PDSCH reception (S107) and a Physical Uplink Shared Channel (PUSCH)/Physical Uplink Control Channel (Physical Uplink) as a general uplink/downlink signal transmission procedure.
  • Control Channel (PUCCH) transmission (S108) may be performed.
  • the UE may receive downlink control information (DCI) through the PDCCH.
  • DCI downlink control information
  • the DCI includes control information such as resource allocation information for the terminal, and different formats may be applied according to the purpose of use.
  • control information that the terminal transmits to the base station through the uplink or the terminal receives from the base station includes a downlink/uplink ACK/NACK signal, a channel quality indicator (CQI), a precoding matrix index (PMI), and a rank indicator (RI). ) and the like.
  • the UE may transmit the above-described control information such as CQI/PMI/RI through PUSCH and/or PUCCH.
  • the base station transmits a related signal to the terminal through a downlink channel to be described later, and the terminal receives the related signal from the base station through a downlink channel to be described later.
  • PDSCH Physical Downlink Shared Channel
  • PDSCH carries downlink data (eg, DL-shared channel transport block, DL-SCH TB), and modulation methods such as Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), 16 Quadrature Amplitude Modulation (QAM), 64 QAM, and 256 QAM are available. applies.
  • QPSK Quadrature Phase Shift Keying
  • QAM 16 Quadrature Amplitude Modulation
  • a codeword is generated by encoding the TB.
  • a PDSCH can carry multiple codewords. Scrambling and modulation mapping are performed for each codeword, and modulation symbols generated from each codeword are mapped to one or more layers (Layer mapping). Each layer is mapped to a resource together with a demodulation reference signal (DMRS), is generated as an OFDM symbol signal, and is transmitted through a corresponding antenna port.
  • DMRS demodulation reference signal
  • the PDCCH carries downlink control information (DCI) and a QPSK modulation method is applied.
  • DCI downlink control information
  • One PDCCH is composed of 1, 2, 4, 8, 16 CCEs (Control Channel Elements) according to an Aggregation Level (AL).
  • One CCE consists of six REGs (Resource Element Groups).
  • One REG is defined as one OFDM symbol and one (P)RB.
  • the UE obtains DCI transmitted through the PDCCH by performing decoding (aka, blind decoding) on the set of PDCCH candidates.
  • a set of PDCCH candidates decoded by the UE is defined as a PDCCH search space set.
  • the search space set may be a common search space or a UE-specific search space.
  • the UE may acquire DCI by monitoring PDCCH candidates in one or more search space sets configured by MIB or higher layer signaling.
  • the terminal transmits a related signal to the base station through an uplink channel to be described later, and the base station receives the related signal from the terminal through an uplink channel to be described later.
  • PUSCH Physical Uplink Shared Channel
  • PUSCH carries uplink data (eg, UL-shared channel transport block, UL-SCH TB) and/or uplink control information (UCI), and CP-OFDM (Cyclic Prefix - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) waveform (waveform) , DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform - spread - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is transmitted based on the waveform.
  • the PUSCH is transmitted based on the DFT-s-OFDM waveform
  • the UE transmits the PUSCH by applying transform precoding.
  • the UE when transform precoding is not possible (eg, transform precoding is disabled), the UE transmits a PUSCH based on the CP-OFDM waveform, and when transform precoding is possible (eg, transform precoding is enabled), the UE transmits the CP-OFDM PUSCH may be transmitted based on a waveform or a DFT-s-OFDM waveform.
  • PUSCH transmission is dynamically scheduled by a UL grant in DCI, or based on higher layer (eg, RRC) signaling (and/or Layer 1 (L1) signaling (eg, PDCCH)) semi-statically. Can be scheduled (configured grant).
  • PUSCH transmission may be performed on a codebook-based or non-codebook-based basis.
  • the PUCCH carries uplink control information, HARQ-ACK and/or a scheduling request (SR), and may be divided into a plurality of PUCCHs according to the PUCCH transmission length.
  • SR scheduling request
  • 6G (wireless) systems have (i) very high data rates per device, (ii) very large number of connected devices, (iii) global connectivity, (iv) very low latency, (v) battery- It aims to reduce energy consumption of battery-free IoT devices, (vi) ultra-reliable connections, and (vii) connected intelligence with machine learning capabilities.
  • the vision of the 6G system can be in four aspects: intelligent connectivity, deep connectivity, holographic connectivity, and ubiquitous connectivity, and the 6G system can satisfy the requirements shown in Table 1 below. That is, Table 1 is a table showing an example of the requirements of the 6G system.
  • 6G systems include Enhanced mobile broadband (eMBB), Ultra-reliable low latency communications (URLLC), massive machine-type communication (mMTC), AI integrated communication, Tactile internet, High throughput, High network capacity, High energy efficiency, Low backhaul and It may have key factors such as access network congestion and enhanced data security.
  • eMBB Enhanced mobile broadband
  • URLLC Ultra-reliable low latency communications
  • mMTC massive machine-type communication
  • AI integrated communication Tactile internet
  • High throughput High network capacity
  • High energy efficiency High energy efficiency
  • Low backhaul Low backhaul and It may have key factors such as access network congestion and enhanced data security.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a communication structure that can be provided in a 6G system.
  • 6G systems are expected to have 50 times higher simultaneous wireless connectivity than 5G wireless communication systems.
  • URLLC a key feature of 5G, will become an even more important technology by providing an end-to-end delay of less than 1ms in 6G communication.
  • 6G systems will have much better volumetric spectral efficiencies as opposed to frequently used areal spectral efficiencies.
  • the 6G system can provide very long battery life and advanced battery technology for energy harvesting, so mobile devices will not need to be charged separately in the 6G system.
  • New network characteristics in 6G may be as follows.
  • 6G is expected to be integrated with satellites to provide a global mobile population.
  • the integration of terrestrial, satellite and public networks into one wireless communication system is very important for 6G.
  • AI may be applied in each step of a communication procedure (or each procedure of signal processing to be described later).
  • the 6G wireless network will deliver power to charge the batteries of devices such as smartphones and sensors. Therefore, wireless information and energy transfer (WIET) will be integrated.
  • WIET wireless information and energy transfer
  • Small cell networks The idea of small cell networks was introduced to improve the received signal quality as a result of improved throughput, energy efficiency and spectral efficiency in cellular systems. As a result, small cell networks are essential characteristics for communication systems beyond 5G and Beyond 5G (5GB). Accordingly, the 6G communication system also adopts the characteristics of the small cell network.
  • Ultra-dense heterogeneous networks will be another important characteristic of 6G communication systems.
  • a multi-tier network composed of heterogeneous networks improves overall QoS and reduces costs.
  • a backhaul connection is characterized as a high-capacity backhaul network to support high-capacity traffic.
  • High-speed fiber optics and free-space optics (FSO) systems may be possible solutions to this problem.
  • High-precision localization (or location-based service) through communication is one of the functions of the 6G wireless communication system. Therefore, the radar system will be integrated with the 6G network.
  • Softening and virtualization are two important features that underlie the design process in 5GB networks to ensure flexibility, reconfigurability and programmability. In addition, billions of devices can be shared in a shared physical infrastructure.
  • AI The most important and newly introduced technology for 6G systems is AI.
  • AI was not involved in the 4G system.
  • 5G systems will support partial or very limited AI.
  • the 6G system will be AI-enabled for full automation.
  • Advances in machine learning will create more intelligent networks for real-time communication in 6G.
  • Incorporating AI into communications can simplify and enhance real-time data transmission.
  • AI can use numerous analytics to determine how complex target tasks are performed. In other words, AI can increase efficiency and reduce processing delays.
  • AI can also play an important role in M2M, machine-to-human and human-to-machine communication.
  • AI can be a rapid communication in BCI (Brain Computer Interface).
  • BCI Brain Computer Interface
  • AI-based communication systems can be supported by metamaterials, intelligent structures, intelligent networks, intelligent devices, intelligent cognitive radios, self-sustaining wireless networks, and machine learning.
  • AI-based physical layer transmission means applying a signal processing and communication mechanism based on an AI driver rather than a traditional communication framework in a fundamental signal processing and communication mechanism.
  • deep learning-based channel coding and decoding, deep learning-based signal estimation and detection, deep learning-based MIMO mechanism, AI-based resource scheduling and It may include an allocation (allocation) and the like.
  • Machine learning may be used for channel estimation and channel tracking, and may be used for power allocation, interference cancellation, and the like in a physical layer of a downlink (DL). In addition, machine learning may be used for antenna selection, power control, symbol detection, and the like in a MIMO system.
  • DL downlink
  • machine learning may be used for antenna selection, power control, symbol detection, and the like in a MIMO system.
  • Deep learning-based AI algorithms require large amounts of training data to optimize training parameters.
  • a lot of training data is used offline. This is because static training on training data in a specific channel environment may cause a contradiction between dynamic characteristics and diversity of a wireless channel.
  • signals of the physical layer of wireless communication are complex signals.
  • further research on a neural network for detecting a complex domain signal is needed.
  • Machine learning refers to a set of actions that trains a machine to create a machine that can perform tasks that humans can or cannot do.
  • Machine learning requires data and a learning model.
  • data learning methods can be roughly divided into three types: supervised learning, unsupervised learning, and reinforcement learning.
  • Neural network learning is to minimize output errors. Neural network learning repeatedly inputs training data into the neural network, calculates the output and target errors of the neural network for the training data, and backpropagates the neural network error from the output layer of the neural network to the input layer in the direction to reduce the error. ) to update the weight of each node in the neural network.
  • Supervised learning uses training data in which the correct answer is labeled in the training data, and in unsupervised learning, the correct answer may not be labeled in the training data. That is, for example, learning data in the case of supervised learning related to data classification may be data in which categories are labeled for each of the training data.
  • the labeled training data is input to the neural network, and an error can be calculated by comparing the output (category) of the neural network with the label of the training data.
  • the calculated error is back propagated in the reverse direction (ie, from the output layer to the input layer) in the neural network, and the connection weight of each node of each layer of the neural network may be updated according to the back propagation.
  • a change amount of the connection weight of each node to be updated may be determined according to a learning rate.
  • the computation of the neural network on the input data and the backpropagation of errors can constitute a learning cycle (epoch).
  • the learning rate may be applied differently depending on the number of repetitions of the learning cycle of the neural network. For example, in the early stage of learning a neural network, a high learning rate can be used to increase the efficiency by allowing the neural network to quickly obtain a certain level of performance, and in the late learning period, a low learning rate can be used to increase the accuracy.
  • the learning method may vary depending on the characteristics of the data. For example, when the purpose of accurately predicting data transmitted from a transmitter in a communication system is at a receiver, it is preferable to perform learning using supervised learning rather than unsupervised learning or reinforcement learning.
  • the learning model corresponds to the human brain, and the most basic linear model can be considered. ) is called
  • the neural network cord used as a learning method is largely divided into deep neural networks (DNN), convolutional deep neural networks (CNN), and Recurrent Boltzmann Machine (RNN) methods. have.
  • DNN deep neural networks
  • CNN convolutional deep neural networks
  • RNN Recurrent Boltzmann Machine
  • An artificial neural network is an example of connecting several perceptrons.
  • FIG. 3 illustrates the structure of a perceptron to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • the huge artificial neural network structure may extend the simplified perceptron structure shown in FIG. 3 to apply input vectors to different multidimensional perceptrons.
  • an input value or an output value is referred to as a node.
  • the perceptron structure shown in FIG. 3 can be described as being composed of a total of three layers based on an input value and an output value.
  • An artificial neural network in which H (d+1)-dimensional perceptrons exist between the 1st layer and the 2nd layer and K (H+1)-dimensional perceptrons exist between the 2nd layer and the 3rd layer can be expressed as shown in FIG. 4 .
  • FIG. 4 illustrates the structure of a multilayer perceptron to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • the layer where the input vector is located is called the input layer
  • the layer where the final output value is located is called the output layer
  • all the layers located between the input layer and the output layer are called hidden layers.
  • three layers are disclosed, but when counting the actual number of artificial neural network layers, the input layer is counted except for the input layer, so it can be viewed as a total of two layers.
  • the artificial neural network is constructed by connecting the perceptrons of the basic blocks in two dimensions.
  • the aforementioned input layer, hidden layer, and output layer can be jointly applied in various artificial neural network structures such as CNN and RNN to be described later as well as multi-layer perceptron.
  • various artificial neural network structures such as CNN and RNN to be described later as well as multi-layer perceptron.
  • the artificial neural network becomes deeper, and a machine learning paradigm that uses a sufficiently deep artificial neural network as a learning model is called deep learning.
  • an artificial neural network used for deep learning is called a deep neural network (DNN).
  • DNN deep neural network
  • FIG. 5 illustrates the structure of a deep neural network to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • the deep neural network shown in FIG. 5 is a multilayer perceptron composed of eight hidden layers + output layers.
  • the multi-layered perceptron structure is referred to as a fully-connected neural network.
  • a connection relationship does not exist between nodes located in the same layer, and a connection relationship exists only between nodes located in adjacent layers.
  • DNN has a fully connected neural network structure and is composed of a combination of a number of hidden layers and activation functions, so it can be usefully applied to figure out the correlation between input and output.
  • the correlation characteristic may mean a joint probability of input/output.
  • nodes located inside one layer are arranged in a one-dimensional vertical direction.
  • the nodes are two-dimensionally arranged with w horizontally and h vertical nodes (convolutional neural network structure of FIG. 6 ).
  • a weight is added per connection in the connection process from one input node to the hidden layer, a total of h ⁇ w weights must be considered.
  • h ⁇ w nodes in the input layer a total of h2w2 weights are needed between two adjacent layers.
  • FIG. 6 illustrates the structure of a convolutional neural network to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • the convolutional neural network of FIG. 6 has a problem in that the number of weights increases exponentially according to the number of connections, so instead of considering the connection of all modes between adjacent layers, it is assumed that a filter with a small size exists in FIG. 7 As in Fig., the weighted sum and activation function calculations are performed on the overlapping filters.
  • One filter has a weight corresponding to the number corresponding to its size, and weight learning can be performed so that a specific feature on an image can be extracted and output as a factor.
  • a filter with a size of 3 ⁇ 3 is applied to the upper left 3 ⁇ 3 region of the input layer, and an output value obtained by performing weighted sum and activation function operations on the corresponding node is stored in z22.
  • the filter performs weighted sum and activation function operations while scanning the input layer by moving horizontally and vertically at regular intervals, and places the output value at the current filter position.
  • a calculation method is similar to a convolution operation on an image in the field of computer vision, so a deep neural network with such a structure is called a convolutional neural network (CNN), and a hidden layer generated as a result of a convolution operation is called a convolutional layer.
  • a neural network having a plurality of convolutional layers is called a deep convolutional neural network (DCNN).
  • FIG. 7 illustrates a filter operation in a convolutional neural network to which the method proposed in this specification can be applied.
  • the number of weights can be reduced by calculating the weighted sum by including only nodes located in the region covered by the filter in the node where the filter is currently located. Due to this, one filter can be used to focus on features for a local area. Accordingly, CNN can be effectively applied to image data processing in which physical distance in a two-dimensional domain is an important criterion. Meanwhile, in CNN, a plurality of filters may be applied immediately before the convolution layer, and a plurality of output results may be generated through the convolution operation of each filter.
  • a structure in which this method is applied to an artificial neural network is called a recurrent neural network structure.
  • FIG. 8 illustrates a neural network structure in which a cyclic loop to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • a recurrent neural network connects elements (x1(t), x2(t), ,..., xd(t)) of a certain gaze t on a data sequence to a fully connected neural network.
  • the previous time point t-1 is weighted by inputting the hidden vectors (z1(t-1), z2(t*?*1),..., zH(t*?*1)) together. and a structure to which an activation function is applied.
  • the reason why the hidden vector is transferred to the next time point in this way is that information in the input vector at previous time points is considered to be accumulated in the hidden vector of the current time point.
  • FIG. 9 illustrates an operation structure of a recurrent neural network to which the method proposed in the present specification can be applied.
  • the recurrent neural network operates in a predetermined time sequence with respect to an input data sequence.
  • the hidden vector (z1(1),z2(1),.. .,zH(1)) is input together with the input vector (x1(2),x2(2),...,xd(2)) of time 2, and then the vector of the hidden layer (z1( 2),z2(2) ,...,zH(2)) are determined. This process is repeatedly performed until time point 2, time point 3, ,, and time point T.
  • a deep recurrent neural network when a plurality of hidden layers are arranged in a recurrent neural network, this is called a deep recurrent neural network (DRNN).
  • the recurrent neural network is designed to be usefully applied to sequence data (eg, natural language processing).
  • Deep Q-Network As a neural network core used as a learning method, in addition to DNN, CNN, and RNN, Restricted Boltzmann Machine (RBM), deep belief networks (DBN), Deep Q-Network and It includes various deep learning techniques such as, and can be applied to fields such as computer vision, voice recognition, natural language processing, and voice/signal processing.
  • RBM Restricted Boltzmann Machine
  • DNN deep belief networks
  • Deep Q-Network includes various deep learning techniques such as, and can be applied to fields such as computer vision, voice recognition, natural language processing, and voice/signal processing.
  • AI-based physical layer transmission means applying a signal processing and communication mechanism based on an AI driver rather than a traditional communication framework in a fundamental signal processing and communication mechanism.
  • deep learning-based channel coding and decoding, deep learning-based signal estimation and detection, deep learning-based MIMO mechanism, AI-based resource scheduling and It may include an allocation (allocation) and the like.
  • the data rate can be increased by increasing the bandwidth. This can be accomplished by using sub-THz communication with a wide bandwidth and applying advanced large-scale MIMO technology.
  • THz waves also known as sub-millimeter radiation, typically exhibit a frequency band between 0.1 THz and 10 THz with corresponding wavelengths in the range of 0.03 mm-3 mm.
  • the 100GHz-300GHz band range (Sub THz band) is considered a major part of the THz band for cellular communication.
  • Sub-THz band Addition to mmWave band increases 6G cellular communication capacity.
  • 300GHz-3THz is in the far-infrared (IR) frequency band.
  • the 300GHz-3THz band is part of the broadband, but at the edge of the wideband, just behind the RF band. Thus, this 300 GHz-3 THz band shows similarities to RF.
  • THz communication The main characteristics of THz communication include (i) widely available bandwidth to support very high data rates, and (ii) high path loss occurring at high frequencies (high directional antennas are indispensable).
  • the narrow beamwidth produced by the highly directional antenna reduces interference.
  • the small wavelength of the THz signal allows a much larger number of antenna elements to be integrated into devices and BSs operating in this band. This allows the use of advanced adaptive nesting techniques that can overcome range limitations.
  • OWC technology is envisioned for 6G communications in addition to RF-based communications for all possible device-to-access networks. These networks connect to network-to-backhaul/fronthaul network connections.
  • OWC technology has already been used since the 4G communication system, but will be used more widely to meet the needs of the 6G communication system.
  • OWC technologies such as light fidelity, visible light communication, optical camera communication, and FSO communication based on a light band are well known technologies.
  • Communication based on optical radio technology can provide very high data rates, low latency and secure communication.
  • LiDAR can also be used for ultra-high-resolution 3D mapping in 6G communication based on wide bands.
  • FSO The transmitter and receiver characteristics of an FSO system are similar to those of a fiber optic network.
  • data transmission in an FSO system is similar to that of a fiber optic system. Therefore, FSO can be a good technology to provide backhaul connectivity in 6G systems along with fiber optic networks.
  • FSO supports high-capacity backhaul connections for remote and non-remote areas such as sea, space, underwater, and isolated islands.
  • FSO also supports cellular BS connectivity.
  • MIMO technology improves, so does the spectral efficiency. Therefore, large-scale MIMO technology will be important in 6G systems. Since the MIMO technology uses multiple paths, a multiplexing technique and a beam generation and operation technique suitable for the THz band should also be considered important so that a data signal can be transmitted through one or more paths.
  • Blockchain will become an important technology for managing large amounts of data in future communication systems.
  • Blockchain is a form of distributed ledger technology, which is a database distributed across numerous nodes or computing devices. Each node replicates and stores an identical copy of the ledger.
  • the blockchain is managed as a peer-to-peer network. It can exist without being managed by a centralized authority or server. Data on the blockchain is collected together and organized into blocks. Blocks are linked together and protected using encryption.
  • Blockchain in nature perfectly complements IoT at scale with improved interoperability, security, privacy, reliability and scalability. Therefore, blockchain technology provides several features such as interoperability between devices, traceability of large amounts of data, autonomous interaction of different IoT systems, and large-scale connection stability of 6G communication systems.
  • the 6G system integrates terrestrial and public networks to support vertical expansion of user communications.
  • 3D BS will be provided via low orbit satellites and UAVs. Adding a new dimension in terms of elevation and associated degrees of freedom makes 3D connections significantly different from traditional 2D networks.
  • UAVs Unmanned Aerial Vehicles
  • a BS entity is installed in the UAV to provide cellular connectivity.
  • UAVs have certain features not found in fixed BS infrastructure, such as easy deployment, strong line-of-sight links, and degrees of freedom with controlled mobility.
  • UAVs can *?* easily handle these situations.
  • UAV will become a new paradigm in the field of wireless communication. This technology facilitates the three basic requirements of wireless networks: eMBB, URLLC and mMTC.
  • UAVs can also serve several purposes, such as improving network connectivity, fire detection, disaster emergency services, security and surveillance, pollution monitoring, parking monitoring, incident monitoring, and more. Therefore, UAV technology is recognized as one of the most important technologies for 6G communication.
  • Tight integration of multiple frequencies and heterogeneous communication technologies is very important in 6G systems. As a result, users can seamlessly move from one network to another without having to make any manual configuration on the device. The best network is automatically selected from the available communication technologies. This will break the limitations of the cell concept in wireless communication. Currently, user movement from one cell to another causes too many handovers in high-density networks, causing handover failures, handover delays, data loss and ping-pong effects. 6G cell-free communication will overcome all of this and provide better QoS. Cell-free communication will be achieved through multi-connectivity and multi-tier hybrid technologies and different heterogeneous radios of devices.
  • WIET uses the same fields and waves as wireless communication systems.
  • the sensor and smartphone will be charged using wireless power transfer during communication.
  • WIET is a promising technology for extending the life of battery-charging wireless systems. Therefore, devices without batteries will be supported in 6G communication.
  • An autonomous wireless network is a function that can continuously detect dynamically changing environmental conditions and exchange information between different nodes.
  • sensing will be tightly integrated with communications to support autonomous systems.
  • each access network is connected by backhaul connections such as fiber optic and FSO networks.
  • backhaul connections such as fiber optic and FSO networks.
  • Beamforming is a signal processing procedure that adjusts an antenna array to transmit a radio signal in a specific direction.
  • Beamforming technology has several advantages such as high call-to-noise ratio, interference prevention and rejection, and high network efficiency.
  • Hologram beamforming (HBF) is a new beamforming method that is significantly different from MIMO systems because it uses a software-defined antenna. HBF will be a very effective approach for efficient and flexible transmission and reception of signals in multi-antenna communication devices in 6G.
  • Big data analytics is a complex process for analyzing various large data sets or big data. This process ensures complete data management by finding information such as hidden data, unknown correlations and customer propensity. Big data is gathered from a variety of sources such as videos, social networks, images and sensors. This technology is widely used to process massive amounts of data in 6G systems.
  • the LIS is an artificial surface made of electromagnetic materials, and can change the propagation of incoming and outgoing radio waves.
  • LIS can be seen as an extension of massive MIMO, but the array structure and operation mechanism are different from those of massive MIMO.
  • LIS has low power consumption in that it operates as a reconfigurable reflector with passive elements, that is, only passively reflects the signal without using an active RF chain.
  • each of the passive reflectors of the LIS must independently adjust the phase shift of the incoming signal, it can be advantageous for a wireless communication channel.
  • the reflected signal can be gathered at the target receiver to boost the received signal power.
  • THz Terahertz
  • THz wave is located between RF (Radio Frequency)/millimeter (mm) and infrared band, (i) It transmits non-metal/non-polar material better than visible light/infrared light, and has a shorter wavelength than RF/millimeter wave, so it has high straightness. Beam focusing may be possible.
  • the photon energy of the THz wave is only a few meV, it is harmless to the human body.
  • the frequency band expected to be used for THz wireless communication may be a D-band (110 GHz to 170 GHz) or H-band (220 GHz to 325 GHz) band with low propagation loss due to absorption of molecules in the air.
  • the standardization discussion on THz wireless communication is being discussed centered on the IEEE 802.15 THz working group in addition to 3GPP, and the standard documents issued by the IEEE 802.15 Task Group (TG3d, TG3e) may specify or supplement the content described in this specification. have.
  • THz wireless communication may be applied to wireless recognition, sensing, imaging, wireless communication, THz navigation, and the like.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of THz communication application.
  • a THz wireless communication scenario may be classified into a macro network, a micro network, and a nanoscale network.
  • THz wireless communication can be applied to vehicle-to-vehicle connection and backhaul/fronthaul connection.
  • THz wireless communication in micro networks is applied to indoor small cells, fixed point-to-point or multi-point connections such as wireless connections in data centers, and near-field communication such as kiosk downloading.
  • Table 2 below is a table showing an example of a technique that can be used in the THz wave.
  • THz wireless communication can be classified based on a method for generating and receiving THz.
  • the THz generation method can be classified into an optical device or an electronic device-based technology.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of an electronic device-based THz wireless communication transceiver.
  • a method of generating THz using an electronic device includes a method using a semiconductor device such as a Resonant Tunneling Diode (RTD), a method using a local oscillator and a multiplier, and an integrated circuit based on a compound semiconductor HEMT (High Electron Mobility Transistor).
  • MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuits
  • a doubler, tripler, or multiplier is applied to increase the frequency, and it is radiated by the antenna through the subharmonic mixer. Since the THz band forms a high frequency, a multiplier is essential.
  • the multiplier is a circuit that has an output frequency that is N times that of the input, matches the desired harmonic frequency, and filters out all other frequencies.
  • beamforming may be implemented by applying an array antenna or the like to the antenna of FIG. 12 .
  • IF denotes an intermediate frequency
  • tripler and multipler denote a multiplier
  • PA Power Amplifier denotes
  • LNA denotes a low noise amplifier
  • PLL denotes a phase lock circuit (Phase). -Locked Loop).
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a method of generating an optical device-based THz signal
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an optical device-based THz wireless communication transceiver.
  • Optical device-based THz wireless communication technology refers to a method of generating and modulating a THz signal using an optical device.
  • the optical element-based THz signal generation technology is a technology that generates a high-speed optical signal using a laser and an optical modulator, and converts it into a THz signal using an ultra-high-speed photodetector.
  • it is easier to increase the frequency compared to the technology using only electronic devices, it is possible to generate a high-power signal, and it is possible to obtain a flat response characteristic in a wide frequency band.
  • a laser diode, a broadband optical modulator, and a high-speed photodetector are required to generate an optical device-based THz signal. In the case of FIG.
  • an optical coupler refers to a semiconductor device that uses light waves to transmit electrical signals to provide coupling with electrical insulation between circuits or systems
  • UTC-PD Uni-Traveling Carrier Photo-) Detector
  • UTC-PD is one of the photodetectors, which uses electrons as active carriers and reduces the movement time of electrons by bandgap grading.
  • UTC-PD is capable of photodetection above 150GHz.
  • EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier
  • PD Photo Detector
  • OSA various optical communication functions (photoelectric It represents an optical module (Optical Sub Aassembly) in which conversion, electro-optical conversion, etc.) are modularized into one component
  • DSO represents a digital storage oscilloscope.
  • FIGS. 15 and 16 illustrate the structure of the photoelectric converter (or photoelectric converter) will be described with reference to FIGS. 15 and 16 .
  • 15 illustrates a structure of a photoinc source-based transmitter
  • FIG. 16 illustrates a structure of an optical modulator.
  • a phase of a signal may be changed by passing an optical source of a laser through an optical wave guide. At this time, data is loaded by changing electrical characteristics through a microwave contact or the like. Accordingly, an optical modulator output is formed as a modulated waveform.
  • the photoelectric modulator (O/E converter) is an optical rectification operation by a nonlinear crystal (nonlinear crystal), photoelectric conversion (O / E conversion) by a photoconductive antenna (photoconductive antenna), a bunch of electrons in the light beam (bunch of) THz pulses can be generated by, for example, emission from relativistic electrons.
  • a terahertz pulse (THz pulse) generated in the above manner may have a length in units of femtoseconds to picoseconds.
  • An O/E converter performs down conversion by using non-linearity of a device.
  • a number of contiguous GHz bands for fixed or mobile service use for the terahertz system are used. likely to use
  • available bandwidth may be classified based on oxygen attenuation of 10 ⁇ 2 dB/km in a spectrum up to 1 THz. Accordingly, a framework in which the available bandwidth is composed of several band chunks may be considered.
  • the bandwidth (BW) becomes about 20 GHz.
  • Effective down conversion from the IR band to the THz band depends on how the nonlinearity of the O/E converter is utilized. That is, in order to down-convert to a desired terahertz band (THz band), the O/E converter having the most ideal non-linearity for transfer to the terahertz band (THz band) is design is required. If an O/E converter that does not fit the target frequency band is used, there is a high possibility that an error may occur with respect to the amplitude and phase of the corresponding pulse.
  • a terahertz transmission/reception system may be implemented using one photoelectric converter. Although it depends on the channel environment, as many photoelectric converters as the number of carriers may be required in a far-carrier system. In particular, in the case of a multi-carrier system using several broadbands according to the above-described spectrum usage-related scheme, the phenomenon will become conspicuous. In this regard, a frame structure for the multi-carrier system may be considered.
  • the down-frequency-converted signal based on the photoelectric converter may be transmitted in a specific resource region (eg, a specific frame).
  • the frequency domain of the specific resource region may include a plurality of chunks. Each chunk may be composed of at least one component carrier (CC).
  • beamforming is used to increase the signal reach and send a strong signal in a desired direction.
  • it is necessary to connect a phase shifter to each antenna of the array antenna.
  • the size of the antenna decreases as the mobile communication frequency increases, the size of a phase shifter connected to the antenna does not decrease, resulting in a problem.
  • a method of beamforming by adjusting a radiation pattern of an antenna without using a phase shifter is proposed.
  • Beamforming is a technique of sending a strong signal in a specific direction by adjusting the phases of signals entering multiple antennas in an array so that the signal becomes constructive interference in a specific direction.
  • a phase shifter should be connected to each antenna of the array antenna.
  • the THz band is being discussed as a frequency for 6G mobile communication.
  • the THz band means a frequency of 100 GHz to 10 THz. Since the THz band has a very short wavelength, the path loss of the channel is very large. In addition, since the signal output is very small, beamforming using an array antenna is essential to support the signal arrival distance required for mobile communication. However, it is difficult to configure the THz band as an array antenna because the size of a phase shifter is large compared to the size of the antenna.
  • a pattern reconfigurable antenna is an antenna that can adjust a radiation pattern in various ways. There are several methods to obtain pattern reconfigurability. 1) A method of selecting a parasitic element through a switch 2) Electronically Steerable (ESPAR) control by connecting a reactively loaded element to a parasitic element Parasitic Array Radiator) method.
  • ESPAR Electronically Steerable
  • the radiation pattern of the antenna can be described as follows.
  • the electric field radiated from the antenna travels at all angles. where the angle is the elevation angle and azimuth angle means
  • the angle of the E-field ( , )Is has a range of 0° to 180°, has a range of -180° to 180°.
  • the E-field has vertical polarization and horizontal polarization components. So every angle ( , ) not really Wow exists
  • the E-field radiated from the antenna has a different phase for each angle and for each vertical polarization and horizontal polarization. All angles ( , ) of the radiation pattern relative to the phase information Wow includes Therefore, the radiation pattern of the antenna can be expressed by Equation 1 as follows.
  • the E-field radiated from the antenna depends on the angle. Angle( , ), the radius of the E-field radiated from the antenna Expressed as a radiation pattern.
  • the radiation pattern of the antenna is generally expressed in the form of a polar plot with angles and radii as axes.
  • matters related to the radiation pattern of the antenna will be described in detail with reference to FIG. 17 .
  • 17 illustrates a radiation pattern of an antenna.
  • FIG. 17(a) is a 2D radiation pattern of an antenna
  • FIG. 17(b) is a 3D radiation pattern of an antenna.
  • information on a radiation direction, a peak gain, and a 3dB beam width of the antenna can be obtained through the radiation pattern of the antenna.
  • from the radiation pattern of the antenna in all directions ( , ) for vertical polarization and horizontal polarization phase information Wow can get
  • an antenna structure capable of generating various radiation patterns by changing the location of a feeding point and a value of reactance connected to the feeding point.
  • the radiation direction of the antenna and the phase of the radiation pattern may be adjusted as follows. By selecting some of the plurality of feeding points of the antenna using a switch of the antenna, or by changing the value of a variable reactance element connected to some of the selected feeding points, the The radiation direction and the phase of the radiation pattern can be adjusted.
  • the antenna according to this embodiment is different from a pattern reconfigurable antenna using a conventional parasitic element, a combination and reactance of a feeding point selected from among a plurality of feeding points. ) is different in that it creates a radiation pattern by adjusting the value. That is, compared to the case where beamforming is performed based on a phase shifter according to the conventional method, power can be saved and a heat problem can be prevented.
  • a beamforming method using the antenna is proposed. Since a phase shifter is not used, in order to perform beamforming through selection of a feeding point and adjustment of a reactance value, an antenna pattern for utilizing it needs to be specifically defined.
  • a method of generating an antenna pattern having various radiation directions and phase characteristics using a switch and a variable reactance device and performing beamforming using a combination of various patterns is proposed. do.
  • the maximum beam gain can be obtained in the target direction.
  • the antenna and the beamforming method using the same according to the embodiment of the present specification have the following effects.
  • the antenna according to the embodiment of the present specification provides a pattern in one antenna without adding a parasitic antenna or other configuration to the radiating element. Reconfigurability can be obtained (ie, pattern reconstruction is possible in one antenna). Accordingly, the volume of the antenna is reduced, thereby facilitating array expansion.
  • the number of radiation patterns that can be generated is not limited, and radiation having various directions and phases through a combination of feeding points and variable reactance value adjustment You can create patterns.
  • beamforming may be performed based on an antenna capable of changing a phase and a radiation direction of a radiation pattern without using a phase shifter.
  • the phase of the antenna radiation pattern may be changed by selecting some of a plurality of feeding points for each unit antenna and adjusting a variable reactance value. Accordingly, in performing beamforming, power consumption is reduced and signal loss is also minimized.
  • an antenna pattern having a maximum gain in a target direction is utilized, a phenomenon in which a beam gain is reduced during beam tilting of conventional beamforming may be improved.
  • the radiation pattern of the antenna depends on the structure of the antenna and the distribution of current flowing through the antenna.
  • the radiation pattern F of the antenna can be expressed as in Equation 2 below.
  • Equation 2 k is a wavenumber, ego, is the angular velocity is the speed of light, is the impedance of free space. is, is the permeability in vacuum, is the permittivity in vacuum, silver position vector in )ego, is a unit direction vector, to be.
  • a point at which a signal is applied to the antenna is called a feeding point.
  • the distribution of current flowing through the antenna varies according to the location of the feeding point, and accordingly, the radiation pattern of the antenna also varies.
  • the radiation pattern of the antenna can be changed (ie, pattern reconfigurability can be obtained).
  • the plurality of feeding points may include at least one type1 feeding point and at least one type2 feeding point.
  • the configuration of the type 1 feeding point and the type 2 feeding point will be described.
  • Type 1 feeding point is an input impedance (input impedance) is 50 Ohm (Ohm) is a feeding point (feeding point) to operate the antenna.
  • 50 ohm is a reference point related to impedance matching in microwave engineering.
  • the impedance with the best power transfer characteristic of electromagnetic energy is about 33 ohms, and the impedance with the least distortion of the signal waveform is about 75 ohms.
  • the middle of these values is about 49 ohms, but 50 ohms is used for convenience of calculation. That is, by matching the input impedance to 50 ohms, the reflection of the signal can be minimized.
  • FIGS. 18 and 19 the location of the type 1 feeding point will be described with reference to FIGS. 18 and 19 .
  • FIG. 18 is a diagram illustrating movement of an antenna and a feeding point according to an embodiment of the present specification.
  • the antenna has a circular patch shape
  • the feeding point of the antenna moves from the edge to the center.
  • 19 is a graph illustrating an input impedance and a reflection coefficient according to a location of a feeding point of an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 19(a) is a graph showing the value of input impedance when the feeding point of the antenna is moved according to FIG. 18(b).
  • 19(b) is a graph showing values of reflection coefficients (S1,1) when the feeding point of the antenna is moved according to FIG. 18(b).
  • the real part of the input impedance approaches 50 and the imaginary part approaches 0 as it goes toward the edge region of the antenna radiation plate.
  • the reflection coefficient is observed to be -10 dB or less, indicating that the antenna operates well.
  • 20 is a diagram illustrating an area in which a feeding point of an antenna is located according to an embodiment of the present specification.
  • 20 (a) illustrates a region (Type1/Type2 region) in which a Type 1 feeding point and a Type 2 feeding point of a rectangular patch antenna are located
  • FIG. 20 (b) is a circular patch antenna.
  • a region (Type1/Type2 region) in which the type 1 feeding point and the type 2 feeding point are located is exemplified.
  • the type 1 feeding point of the planar antenna may be located in a region from the edge of the corresponding planar antenna to 1/3 of the length of the planar antenna (Type1) region).
  • the Type 2 feeding point may be located in a region other than the Type 1 region within the Radiating element (Type 2 region).
  • type 1 feeding to a region (Type1 region) formed based on 1/3 (W/3 and L/3) of the distance from the edge of the antenna to the opposite edge Points may be located.
  • the edge may mean one surface according to the shape of the antenna, and the opposite edge may mean the other surface opposite to the one surface. Accordingly, the distance to the opposite edge may mean a horizontal (W) or vertical (L) length according to the shape (rectangular) of the antenna.
  • the type 1 feeding point is located in the region formed based on 1/3 (r/3) of the distance from the edge of the antenna to the opposite edge.
  • the edge may mean a point according to the shape of the antenna
  • the opposite edge may mean a point opposite to the center of the antenna.
  • the distance to the opposite edge may mean a diameter r according to the shape (circle) of the antenna.
  • 21 and 22 illustrate a configuration of a type 1 feeding point of an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 21 exemplifies the configuration of a Type 1 feeding point of a square patch antenna
  • FIG. 22 exemplifies a configuration of a Type 1 feeding point of a circular patch antenna.
  • Type 1 feeding points 21210 and 22210 may be configured, with two Type1 feeding points each.
  • the switch may include all devices capable of controlling on/off of a signal, such as a pin diode.
  • the impedance includes not only a resistive component but also a reactive component having a capacitive or inductive characteristic. That is, regardless of 50 Ohm matching, the same effect as connecting reactance to the antenna through an additional feeding point can be obtained.
  • An additional feeding point capable of changing the reactance characteristic of the antenna as described above is defined as a Type2 feeding point.
  • the type 1 feeding point and the type 2 feeding point are used to distinguishly refer to different feeding points, and are not used to limit the technical scope through the term.
  • the type 1 feeding point may be referred to as a first feeding point
  • the type 2 feeding point may be referred to as a second feeding point.
  • 23 and 24 illustrate configuration of a type 1 feeding point and a type 2 feeding point of an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 23 illustrates feeding point selection of a rectangular patch antenna
  • FIG. 24 illustrates feeding point selection of a circular patch antenna.
  • the radiation pattern of the corresponding antenna can be changed. Specifically, by adding a Type 2 feeding point, the radiation direction of the corresponding antenna and the phase of the radiation pattern Wow can be changed
  • At least one of a plurality of Type1 feeding points 23210 and 24210 is selected through a switch provided in the antenna, and a plurality of Type2 feeding points (Type2 feeding points) ( 23220 and 24220) may be selected.
  • a plurality of Type2 feeding points (Type2 feeding points) ( 23220 and 24220) may be selected.
  • 25 and 26 illustrate a configuration of a feeding point and a variable reactance element of an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 25 exemplifies a variable reactance element added to a type 2 feeding point in a rectangular patch antenna
  • FIG. 26 illustrates a variable reactance element added to a type 2 feeding point in a circular patch antenna.
  • variable reactance element capable of changing a value between the end of the Type2 feeding point added in 2) and a radiating element of the antenna can be inserted.
  • the addition of the variable reactance element as described above is related to the radiation direction of the antenna. and the phase of the radiation pattern Wow can be further changed.
  • variable reactance device may mean any device capable of equivalently changing reactance, such as a chip inductor, a chip capacitor, or a varactor diode. .
  • At least one of a plurality of Type1 feeding points is selected through a switch provided in the antenna, and among the plurality of Type2 feeding points 25220 and 26220, At least one may be selected.
  • the radiation direction of the radiation pattern additionally by adjusting the value of the variable reactance element connected to the selected Type2 feeding point (Type2 feeding point) and phase ( Wow ) can be changed.
  • FIG. 27 illustrates a structure of an antenna including a variable reactance according to an embodiment of the present specification.
  • the antenna includes a radiating element 27100, a plurality of feeding points 27200, a variable reactance element 27400, and a feeding line ( feeding line) 27500 , and may include a ground plane 27600 . Also, although not shown in FIG. 27, the antenna may include a switch, and the configuration thereof will be described later.
  • the radiating element 27100 may be implemented in various forms. In the case of FIG. 27 , the radiating element 27100 implemented as a circular plate is illustrated.
  • the plurality of feeding points 27200 may include at least one type 1 feeding point 27210 and at least one type 2 feeding point 27220 .
  • 27 illustrates an antenna in which one type 1 feeding point 27210 and two type 2 feeding points 27220 are disposed.
  • a variable reactance element 27400 is connected to a type 2 feeding point 27220 .
  • the feeding line 27500 applies a signal to the radiating element 27100 and is connected to the radiating element 27100 through the feeding points 27210 and 27220.
  • phase horizontal polarization component
  • FIG. 28 is a diagram for explaining a phase change of an antenna pattern according to a change in a variable reactance value in the antenna according to an embodiment of the present specification.
  • FIGS. 28(a) and 28(b) show a radiation pattern according to a reactance value applied to a Type2 feeding point in the same feeding point configuration.
  • the direction represents the horizontal polarization phase.
  • the antenna configuration is the same with one type 1 feeding point 28210 and two type 2 feeding points 28220 .
  • the position at which the type 1 feeding point 28210 of each antenna is disposed is different.
  • the type 1 feeding point 28210 is disposed on the left side of the antenna of FIG. 28( a ), and the type 1 feeding point 28210 is disposed on the right side of the antenna of FIG. 28( b ).
  • the horizontal polarization phase of the radiation pattern is 41.95 degrees
  • the horizontal polarization phase of the radiation pattern is 220.42 degrees.
  • the same reactance value or different reactance values may be applied to the variable reactance elements respectively connected to the two Type2 feeding points.
  • the value of the reactance element in order to obtain a significant characteristic change (that is, to effectively adjust the polarization phase of the radiation pattern for beamforming), the value of the reactance element may be adjusted to be 10 times (or 1/10 times) the previous value.
  • a significant characteristic change that is, to effectively adjust the polarization phase of the radiation pattern for beamforming
  • the value of the reactance element may be adjusted to be 10 times (or 1/10 times) the previous value.
  • the pattern antenna having various radiation directions and phases for each direction may include a type 1 feeding point, a type 2 feeding point, and a variable reactance element connected to the type 2 feeding point.
  • the method for generating various radiation patterns from the antenna may be based on at least one of the following a) to c).
  • 29 is a diagram illustrating a change in a beam according to selection of a feeding point in an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 29(a) to 29(c) respectively correspond to a) to c) described above.
  • one type 1 feeding point 29210 is selected in FIG. 29(a)
  • two type 2 feeding points 29220 are additionally selected in FIG. 29(b)
  • the type Reactance values Xc1 and Xc2 are applied to each of the variable reactance elements connected to the two feeding points 29220 .
  • 29(a) to 29(c) show a radiation pattern, a radiation direction, and a broadside direction according to the selection of the feeding point and the reactance value. represents the phase change of polarization.
  • the antenna can generate various radiation patterns.
  • a configuration of a plurality of feeding points included in the antenna will be described with reference to FIG. 30 .
  • FIG 30 illustrates various feeding point configurations in the antenna according to an embodiment of the present specification.
  • the configuration of the feeding point of the antenna capable of changing the phase and the radiation direction of the radiation pattern may be either a symmetric structure or an asymmetric structure.
  • the type 1 feeding point 30210 may be disposed at at least one position among top, bottom, left, and right positions, and the type 2 feeding point 30220 is at least one in an area inside the type 1 feeding point. can be placed.
  • 31 illustrates an antenna according to an embodiment of the present specification.
  • the antenna is a radiating element 31100, a plurality of feeding points 31200, a switch 31300, a variable reactance element 31400, a feeding line 31500 and a ground. It may include a surface 31600 .
  • a feeding line for applying a signal to the radiating element 31100 is connected to the plurality of feeding points 31200 .
  • the switch 31300 turns on or off the signal applied to each feeding point among the plurality of feeding points 31200 .
  • variable reactance element 31400 is connected to at least one feeding point among the plurality of feeding points 31200 .
  • the plurality of feeding points 31200 include at least one first feeding point 31210 disposed at a first location and at least one second feeding point disposed at a second location different from the first location ( second feeding point) 31220 .
  • the second feeding point 31220 may be connected to the variable reactance element 31400 .
  • the first position may be located in a region formed based on a specific length from an edge of the radiating element.
  • the second location may be outside the area.
  • the specific length may be based on one third of the length from the edge to the opposite edge.
  • variable reactance device may be based on a chip inductor, a chip capacitor, or a varactor diode.
  • the switch 31300 may be based on a PIN diode.
  • the antenna according to the above-described embodiment may be implemented by being included in the apparatus of FIGS. 41 to 45 to be described later.
  • the antenna 108/208 includes a radiating element 31100, a plurality of feeding points 31200, a switch 31300, a variable reactance element 31400, a feeding line 31500 and a ground plane 31600. ) may be included.
  • the maximum gain direction and phase information of an antenna radiation pattern that can be generated according to the above-described antenna structure may be stored as an antenna pattern.
  • the antenna pattern may be stored in the memory 104/204 or the memory unit 130 of FIGS. 42, 44, or 45 to be described later.
  • the antenna pattern database may mean a plurality of antenna patterns based on the structure of the antenna.
  • the phase information is an angular range corresponding to a target scan range when operating a beam. , means the polarization phase for . Specifically, the phase information is a vertical polarization (v-pol) phase ( ) and horizontal polarization (h-pol) phase ( ) may be included.
  • the antenna pattern database may include the following information.
  • the antenna includes K feeding points, and L feeding points among them are type 2 feeding points. That is, it is assumed that K feeding points are disposed in the antenna, and a variable reactance element is connected to L feeding points among them.
  • the antenna pattern database may include a plurality of antenna patterns. Each antenna pattern may include at least one of the following 1) to 5).
  • Information related to selection of at least one feeding point among a plurality of feeding points may be expressed as a binary number X having K digits.
  • the reactance value of the variable reactance element As an example, the corresponding information may be expressed as a decimal vector Y of length L.
  • the maximum gain direction may be based on information related to selection of the feeding point (eg, X ) and a value of a variable reactance element (eg, Y ).
  • the 3D matrix may include information related to selection of the feeding point (eg, X ) and vertical polarization phase information based on a value of a variable reactance element (eg, Y ).
  • 3D matrix including horizontal polarization phase information may include information related to selection of the feeding point (eg, X ) and horizontal polarization phase information based on a value of a variable reactance element (eg, Y ).
  • Table 3 illustrates an antenna pattern database based on an antenna capable of generating P radiation patterns.
  • Beamforming scan range ( , ) within the beamforming target direction ( ) can be selected. Thereafter, a phase related to the beamforming target direction may be calculated. The phase may be related to an ideal DFT beam weight.
  • Phase to be applied to the antenna at the (n, m) position in the NxM array antenna is the following Equation (3).
  • N is the number of antennas in the horizontal direction
  • M is the number of antennas in the vertical direction.
  • Equation 3 above is the beamforming target direction ( ), where n is the nth row of the NxM matrix, m is the mth column of the NxM matrix, is the vertical antenna spacing, is the horizontal antenna spacing. is a wavelength of a wireless signal transmitted based on the beamforming target direction.
  • At least one antenna pattern related to the beamforming target direction among the plurality of antenna patterns may be determined.
  • Table 3 described above will be described in detail as an example.
  • the at least one pattern has a peak gain direction of the corresponding pattern in a target beamforming direction ( ) may belong to a specific range based on Specifically, the peak gain direction among the antenna patterns #1 to #P of Table 3 is the target beamforming direction ( ) may be an antenna pattern #p that falls within a specific range based on the reference.
  • the at least one pattern may be based on antenna patterns related to the target beamforming direction. That is, the number of antenna patterns satisfying the above conditions is In the case of an individual, the antenna patterns related to the target beamforming direction are can be
  • the antenna patterns may be expressed as in Equation 4 below.
  • the antenna patterns target beamforming direction from Polarization phase information based on can be extracted.
  • the polarization phase information is i) a three-dimensional matrix ( ) based on the vertical polarization phase ( ) or ii) a three-dimensional matrix ( ) based on the horizontal polarization phase ( ) may include at least one of.
  • the polarization phase information may include a horizontal polarization phase.
  • a target direction phase based on the polarization phase information may be represented as shown in Table 4 below.
  • Phase related to the beamforming target direction ( ) may be mapped to the antenna patterns. That is, the phase ( ) may be mapped to a target direction phase based on polarization phase information of the antenna patterns.
  • mapping operation will be described in detail with reference to the array antenna and Table 4 above.
  • Target Beamforming Direction phase to form a beam with is the target direction phases based on the polarization phase information ( , ,.., , ) can be mapped to the closest value among
  • an antenna pattern to be applied to the (n,m)-th antenna may be determined.
  • An antenna pattern applied to the (n,m)-th antenna may be expressed as in Equation 5 below.
  • An antenna pattern applied to the (n,m)-th antenna among antennas included in the array antenna is i) the target beamforming direction ( ) and the polarization phase determined based on the three-dimensional matrix ( ) and ii) the phase related to the target beamforming ( ) can be based on the antenna pattern when the difference between them is minimal.
  • the phases with the closest values to can be mapped to
  • mapping of a phase applied to an antenna and an antenna pattern will be described with reference to FIG. 32 .
  • 32 is a diagram for explaining mapping of an antenna pattern according to an embodiment of the present specification.
  • the target beamforming direction is (20, 20).
  • the phase related to the target beam direction ( ) can be calculated for each antenna included in the 1*4 array antenna.
  • Phases related to the target beamforming direction ( inside ) are 0 ⁇ , 61.6 ⁇ , 123.1 ⁇ , 184.7 ⁇ .
  • the phases are related to each antenna (Ant(1,1) to Ant(1,4)) included in the 1*4 array antenna.
  • the antenna patterns related to the radiation patterns that can be generated by the 1*4 array antenna are #p1 to #p5.
  • Antenna pattern #p1 is mapped to Antenna pattern #p2 is mapped to and Antenna pattern #p4 is mapped to .
  • An antenna pattern based on the mapping may be applied to the array antenna. Specifically, at least one of selecting a feeding point or adjusting a variable reactance may be performed for each antenna belonging to the array antenna based on the antenna pattern.
  • the antenna pattern may include information related to selection of a feeding point of each antenna (eg, X) and a reactance value (eg, Y).
  • the information X related to the selection of a feeding point represented by the bitmap indicates on or off of a switch connected to each feeding point of the (n, m)-th antenna. indicates.
  • the reactance value Y expressed as a decimal vector represents a reactance value that must be applied to each variable reactance element connected to the feeding point of the (n,m)-th antenna.
  • the following operation may be performed based on the antenna pattern mapped to each antenna. On/off of a switch connected to the feeding point of each antenna and adjustment of a variable reactance value may be performed. Through the above operation, the target beamforming direction ( ) direction can be formed.
  • Table 5 illustrates the feeding point selection information (X) and reactance value (Y) of the mapped antenna pattern.
  • FIG. 34 is a diagram for explaining application of an antenna pattern according to an embodiment of the present specification.
  • FIG. 34 shows application of antenna patterns #1 to #3 to four antennas (Antenna 1 to Antenna 4).
  • each antenna includes six feeding points (x1 to x6), among which a variable reactance element is connected to four feeding points (x2 to x5).
  • a switch is connected to each of the six feeding points x1 to x6.
  • the feeding point selection information X is 111000. Accordingly, a switch connected to the feeding points corresponding to x1 to x3 among the six feeding points x1 to x6 is turned on, and a switch connected to the feeding points corresponding to x4 to x6 is turned off.
  • Variable reactance element values y1 to y4 (50, 200, 0, 0) are applied to x2 to x5, respectively. A reactance value of 50 and 200 is applied to the feeding points corresponding to x2 and x3, respectively, and a reactance value of 0 is applied to the remaining x4 and x5.
  • the feeding point selection information X is 111010. Accordingly, only the switch connected to the feeding points corresponding to x4 and x6 among the six feeding points x1 to x6 is turned off, and the switch connected to the remaining feeding points x1 to x3 and x5 is turned on do. A reactance value of 10 is applied to the switched-on feeding points (x2, x5) among variable reactance element values y1 to y4 (10, 0, 0, 10).
  • 34 is a flowchart illustrating a beamforming method according to an embodiment of the present specification.
  • the beamforming method according to an embodiment of the present specification may be performed based on steps S3410 to S3450.
  • an antenna pattern database based on the structure of the antenna is stored.
  • S3410 may be based on the operation described in [1] (configuration of the antenna pattern database) described above.
  • a phase weight related to the target beamforming direction is calculated.
  • S3420 may be based on the operation described in [2] (phase according to the beamforming target direction) described above.
  • antenna patterns having a radiation direction related to the target beamforming direction may be selected.
  • S3430 may be based on the operation described in [3] (determining at least one antenna pattern related to the beamforming target direction).
  • a phase weight related to target beamforming and the antenna patterns may be mapped.
  • S3440 may be based on the operation described in [4] (mapping between the phase and antenna patterns related to the beamforming target direction).
  • values of the switch and the reactance element connected to the feeding point of the antenna may be controlled based on the antenna pattern database. Specifically, a switch connected to each feeding point may be turned on or off based on the mapped antenna pattern, and a value of a reactance element connected to the feeding point may be adjusted to a specific value. S3450 may be based on the operation described in [5] (control of array antenna based on antenna pattern) described above.
  • the beamforming method based on S3410 to S3510 described above may be performed by the apparatus of FIGS. 41 to 45 to be described later.
  • operations eg, operations related to beamforming based on at least one of [1] to [5]
  • operations are performed in the apparatuses of FIGS. 41 to 45 (examples) of FIGS. : can be processed by the processors 102 and 202 of FIG. 42 .
  • operations of the apparatus use at least one processor (eg, 102 and 202 in FIG. 42 ). It may be stored in a memory (eg, 104 and 204 of FIG. 42 ) in the form of an instruction/program (eg, instruction, executable code) for driving.
  • processor eg, 102 and 202 in FIG. 42
  • instruction/program eg, instruction, executable code
  • a beamforming method based on an embodiment of the present specification obtains a phase shift effect of a radiation pattern by using a switch and a variable reactance element, and performs beamforming based on this.
  • a beamforming system based on the prior art includes an active element, a power amplifier (PA).
  • PA power amplifier
  • a pin diode is used as a switch and a varactor diode is used as a variable reactance element. Since only passive elements are used, there is an effect of reducing size, power consumption, complexity, and cost compared to a beamforming system according to the prior art.
  • 35 illustrates a block diagram of a beamforming system using an existing phase shifter.
  • FIG. 36 illustrates a circuit diagram of a phase shifter and a power amplifier based on the prior art. Specifically, FIG. 36(a) shows a circuit diagram of a CMOS phase shifter, and FIG. 36(b) shows a circuit diagram of a power amplifier related to the phase shifter. Since a large number of elements are required for one phase shifter, the use of a phase shifter makes the system implementation very complicated.
  • Figure 37 illustrates a block diagram of a beamforming system based on an embodiment of the present specification.
  • Figure 37 (a) shows a block diagram of a beamforming system including an antenna based on an embodiment of the present specification.
  • 37(b) shows a switch network included in the beamforming system.
  • a switch may be implemented as a pin diode, and a variable reactor may be implemented as a varactor diode. Since all devices used in the switch network are passive devices, power consumption and complexity of the beamforming system are reduced.
  • FIGS. 38 and 39 a beamforming simulation result using an antenna based on an embodiment of the present specification will be reviewed in FIGS. 38 and 39 .
  • 38A to 38C and 39A to 39C are diagrams illustrating simulation results using a 1X16 array antenna according to an embodiment of the present specification.
  • 38A to 38C show a beam gain and an antenna beam pattern when the target direction is -30 degrees, -20 degrees, and -10 degrees.
  • 39A to 39C show a beam gain and an antenna beam pattern when the target direction is 10 degrees, 20 degrees, and 30 degrees.
  • the beamforming module may be utilized in various array antennas.
  • the array antenna may include an antenna based on a uniform linear array (ULA) or a uniform planar array (UPA).
  • a massive array antenna can be implemented without using a phase shifter. Since power loss due to insertion loss of a phase shifter is prevented, a large array antenna having low power and low loss characteristics can be implemented. That is, a huge array antenna that can be effectively utilized in a 6G THz mobile communication system can be implemented.
  • the wireless device may be a wireless device (eg, a terminal/base station) based on FIGS. 41 to 45 to be described later.
  • FIG. 40 is a flowchart illustrating a beamforming method performed by a wireless device having an array antenna in a wireless communication system according to an embodiment of the present specification.
  • a beamforming method performed by a wireless device having an array antenna in a wireless communication system includes a phase calculation step (S4010) related to a target beamforming direction and a target beamforming direction. Determining the antenna patterns related to (S4020) and applying the antenna pattern based on the phase to the array antenna (S4030).
  • the array antenna may be based on the antenna of FIG. 31 described above.
  • the array antenna may include a plurality of antennas.
  • Each antenna included in the array antenna may include a plurality of feeding points and a variable reactance element connected to at least one of the plurality of feeding points.
  • the array antenna may be implemented based on one or more antennas 108/208 of FIG. 42 .
  • the wireless device calculates a phase related to the target beamforming direction.
  • the phase may be calculated for each antenna included in the array antenna.
  • the phase may be based on Equation 2 above.
  • the operation of the wireless device ( 100/200 in FIGS. 41 to 45 ) calculating the phase related to the target beamforming direction may be implemented by the device of FIGS. 41 to 45 .
  • the one or more processors 102/202 control one or more transceivers 106/206 and/or one or more memories 104/204 to calculate a phase associated with a target beamforming direction. can do.
  • the wireless device determines antenna patterns related to the target beamforming direction from among antenna patterns preset in relation to beamforming.
  • the antenna pattern may be related to at least one of i) selection of at least one feeding point from among the plurality of feeding points or ii) a reactance value of the variable reactance element.
  • the antenna pattern may include information related to at least one of selection of the at least one feeding point, the reactance value, a peak gain direction, and a polarization phase.
  • the antenna pattern may be an antenna pattern based on the aforementioned [1] antenna pattern database.
  • the antenna patterns related to the target beamforming direction may belong to a specific range in which the maximum gain direction is based on the target beamforming direction.
  • the antenna patterns related to the target beamforming direction may be at least one antenna pattern determined based on [3] above.
  • the information related to the polarization phase may include a 3D matrix based on the antenna pattern.
  • the 3D matrix may include an elevation angle, an azimuth angle, and a polarization phase based on the elevation angle and the azimuth angle.
  • the information related to selection of the at least one feeding point may be based on a bitmap indicating on or off of each antenna.
  • the information related to the reactance value may include a reactance value of each antenna.
  • the information related to selection of the at least one feeding point may be based on Feeding point selection information X, and the information related to the reactance value may be based on Variable reactance information Y of Table 3 above.
  • FIGS. 41 to 45 The operation of the wireless device (100/200 in FIGS. 41 to 45 ) determining antenna patterns related to the target beamforming direction from among antenna patterns preset in relation to beamforming according to S4020 described above is shown in FIGS. 41 to 45 . It can be implemented by the device of For example, referring to FIG. 42 , the one or more processors 102/202 are configured to determine one or more transceivers 106/206 to determine antenna patterns related to the target beamforming direction from among antenna patterns preset in relation to beamforming. and/or one or more memories 104/204.
  • the wireless device applies the phase-based antenna pattern among the antenna patterns related to the target beamforming direction to the array antenna.
  • the phase-based antenna pattern may be based on i) the polarization phase determined based on the target beamforming direction and the three-dimensional matrix and ii) an antenna pattern having a minimum difference between the phases. have.
  • the antenna pattern based on the phase may be an antenna pattern based on Equation 5 above.
  • application of the antenna pattern based on the phase may be based on the bitmap and a reactance value of each antenna. This embodiment may be based on the operation described in [5] (control of array antenna based on antenna pattern) described above.
  • the operation of the wireless device (100/200 in FIGS. 41 to 45 ) applying the phase-based antenna pattern among the antenna patterns related to the target beamforming direction to the array antenna is performed in FIGS. 41 to 45 .
  • 45 may be implemented.
  • the one or more processors 102/202 apply one or more antenna patterns based on the phase among the antenna patterns related to the target beamforming direction to the one or more antennas 108/208. It may control one or more transceivers 106/206 and/or one or more memories 104/204.
  • 41 illustrates the communication system 1 applied to this specification.
  • the communication system 1 applied to the present specification includes a wireless device, a base station, and a network.
  • the wireless device refers to a device that performs communication using a radio access technology (eg, 5G NR (New RAT), LTE (Long Term Evolution)), and may be referred to as a communication/wireless/5G device.
  • a radio access technology eg, 5G NR (New RAT), LTE (Long Term Evolution)
  • the wireless device may include a robot 100a, a vehicle 100b-1, 100b-2, an eXtended Reality (XR) device 100c, a hand-held device 100d, and a home appliance 100e. ), an Internet of Thing (IoT) device 100f, and an AI device/server 400 .
  • the vehicle may include a vehicle equipped with a wireless communication function, an autonomous driving vehicle, a vehicle capable of performing inter-vehicle communication, and the like.
  • the vehicle may include an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) (eg, a drone).
  • UAV Unmanned Aerial Vehicle
  • XR devices include AR (Augmented Reality)/VR (Virtual Reality)/MR (Mixed Reality) devices, and include a Head-Mounted Device (HMD), a Head-Up Display (HUD) provided in a vehicle, a television, a smartphone, It may be implemented in the form of a computer, a wearable device, a home appliance, a digital signage, a vehicle, a robot, and the like.
  • the portable device may include a smart phone, a smart pad, a wearable device (eg, a smart watch, smart glasses), a computer (eg, a laptop computer), and the like.
  • Home appliances may include a TV, a refrigerator, a washing machine, and the like.
  • the IoT device may include a sensor, a smart meter, and the like.
  • the base station and the network may be implemented as a wireless device, and the specific wireless device 200a may operate as a base station/network node to other wireless devices.
  • the wireless devices 100a to 100f may be connected to the network 300 through the base station 200 .
  • AI Artificial Intelligence
  • the network 300 may be configured using a 3G network, a 4G (eg, LTE) network, or a 5G (eg, NR) network.
  • the wireless devices 100a to 100f may communicate with each other through the base station 200/network 300, but may also communicate directly (e.g. sidelink communication) without passing through the base station/network.
  • the vehicles 100b-1 and 100b-2 may perform direct communication (e.g. Vehicle to Vehicle (V2V)/Vehicle to everything (V2X) communication).
  • the IoT device eg, sensor
  • the IoT device may communicate directly with other IoT devices (eg, sensor) or other wireless devices 100a to 100f.
  • Wireless communication/connection 150a, 150b, and 150c may be performed between the wireless devices 100a to 100f/base station 200 and the base station 200/base station 200 .
  • the wireless communication/connection includes uplink/downlink communication 150a and sidelink communication 150b (or D2D communication), and communication between base stations 150c (eg relay, IAB (Integrated Access Backhaul)).
  • This can be done through technology (eg 5G NR)
  • Wireless communication/connection 150a, 150b, 150c allows the wireless device and the base station/radio device, and the base station and the base station to transmit/receive wireless signals to each other.
  • the wireless communication/connection 150a, 150b, and 150c may transmit/receive signals through various physical channels.
  • various signal processing processes eg, channel encoding/decoding, modulation/demodulation, resource mapping/demapping, etc.
  • resource allocation processes etc.
  • the first wireless device 100 and the second wireless device 200 may transmit/receive wireless signals through various wireless access technologies (eg, LTE, NR).
  • ⁇ first wireless device 100, second wireless device 200 ⁇ is ⁇ wireless device 100x, base station 200 ⁇ of FIG. 41 and/or ⁇ wireless device 100x, wireless device 100x) ⁇ can be matched.
  • the first wireless device 100 includes one or more processors 102 and one or more memories 104 , and may further include one or more transceivers 106 and/or one or more antennas 108 .
  • the processor 102 controls the memory 104 and/or the transceiver 106 and may be configured to implement the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods, and/or operational flowcharts disclosed herein.
  • the processor 102 may process information in the memory 104 to generate first information/signal, and then transmit a wireless signal including the first information/signal through the transceiver 106 .
  • the processor 102 may receive the radio signal including the second information/signal through the transceiver 106 , and then store information obtained from signal processing of the second information/signal in the memory 104 .
  • the memory 104 may be connected to the processor 102 and may store various information related to the operation of the processor 102 .
  • memory 104 may provide instructions for performing some or all of the processes controlled by processor 102 , or for performing descriptions, functions, procedures, suggestions, methods, and/or operational flowcharts disclosed herein. may store software code including
  • the processor 102 and the memory 104 may be part of a communication modem/circuit/chip designed to implement a wireless communication technology (eg, LTE, NR).
  • a wireless communication technology eg, LTE, NR
  • the transceiver 106 may be coupled to the processor 102 , and may transmit and/or receive wireless signals via one or more antennas 108 .
  • the transceiver 106 may include a transmitter and/or a receiver.
  • the transceiver 106 may be used interchangeably with a radio frequency (RF) unit.
  • RF radio frequency
  • a wireless device may refer to a communication modem/circuit/chip.
  • the second wireless device 200 includes one or more processors 202 , one or more memories 204 , and may further include one or more transceivers 206 and/or one or more antennas 208 .
  • the processor 202 controls the memory 204 and/or the transceiver 206 and may be configured to implement the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods, and/or flow charts disclosed herein.
  • the processor 202 may process the information in the memory 204 to generate third information/signal, and then transmit a wireless signal including the third information/signal through the transceiver 206 .
  • the processor 202 may receive the radio signal including the fourth information/signal through the transceiver 206 , and then store information obtained from signal processing of the fourth information/signal in the memory 204 .
  • the memory 204 may be connected to the processor 202 and may store various information related to the operation of the processor 202 .
  • the memory 204 may provide instructions for performing some or all of the processes controlled by the processor 202, or for performing the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods, and/or operational flowcharts disclosed herein. may store software code including
  • the processor 202 and the memory 204 may be part of a communication modem/circuit/chip designed to implement a wireless communication technology (eg, LTE, NR).
  • the transceiver 206 may be coupled to the processor 202 and may transmit and/or receive wireless signals via one or more antennas 208 .
  • the transceiver 206 may include a transmitter and/or a receiver.
  • the transceiver 206 may be used interchangeably with an RF unit.
  • a wireless device may refer to a communication modem/circuit/chip.
  • one or more protocol layers may be implemented by one or more processors 102 , 202 .
  • one or more processors 102 , 202 may implement one or more layers (eg, functional layers such as PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC, SDAP).
  • the one or more processors 102, 202 are configured to process one or more Protocol Data Units (PDUs) and/or one or more Service Data Units (SDUs) according to the description, function, procedure, proposal, method, and/or operational flowcharts disclosed herein.
  • PDUs Protocol Data Units
  • SDUs Service Data Units
  • One or more processors 102 , 202 may generate messages, control information, data, or information according to the description, function, procedure, proposal, method, and/or flow charts disclosed herein.
  • the one or more processors 102 and 202 generate a signal (eg, a baseband signal) including PDUs, SDUs, messages, control information, data or information according to the functions, procedures, proposals and/or methods disclosed herein. , to one or more transceivers 106 and 206 .
  • the one or more processors 102 , 202 may receive signals (eg, baseband signals) from one or more transceivers 106 , 206 , and may be described, functions, procedures, proposals, methods, and/or operational flowcharts disclosed herein.
  • PDUs, SDUs, messages, control information, data, or information may be acquired according to the fields.
  • One or more processors 102, 202 may be referred to as a controller, microcontroller, microprocessor, or microcomputer.
  • One or more processors 102 , 202 may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof.
  • ASICs Application Specific Integrated Circuits
  • DSPs Digital Signal Processors
  • DSPDs Digital Signal Processing Devices
  • PLDs Programmable Logic Devices
  • FPGAs Field Programmable Gate Arrays
  • firmware or software may be implemented using firmware or software, and the firmware or software may be implemented to include modules, procedures, functions, and the like.
  • the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods, and/or flow charts disclosed in this document provide that firmware or software configured to perform is contained in one or more processors 102 , 202 , or stored in one or more memories 104 , 204 . It may be driven by the above processors 102 and 202 .
  • the descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or flowcharts of operations disclosed herein may be implemented using firmware or software in the form of code, instructions, and/or a set of instructions.
  • One or more memories 104 , 204 may be coupled with one or more processors 102 , 202 , and may store various forms of data, signals, messages, information, programs, code, instructions, and/or instructions.
  • the one or more memories 104 and 204 may be comprised of ROM, RAM, EPROM, flash memory, hard drives, registers, cache memory, computer readable storage media, and/or combinations thereof.
  • One or more memories 104 , 204 may be located inside and/or external to one or more processors 102 , 202 . Additionally, one or more memories 104 , 204 may be coupled to one or more processors 102 , 202 through various technologies, such as wired or wireless connections.
  • One or more transceivers 106 , 206 may transmit user data, control information, radio signals/channels, etc. referred to in the methods and/or operational flowcharts of this document to one or more other devices.
  • One or more transceivers 106, 206 may receive user data, control information, radio signals/channels, etc. referred to in the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or flow charts, etc. disclosed herein, from one or more other devices. have.
  • one or more transceivers 106 , 206 may be coupled to one or more processors 102 , 202 and may transmit and receive wireless signals.
  • one or more processors 102 , 202 may control one or more transceivers 106 , 206 to transmit user data, control information, or wireless signals to one or more other devices.
  • one or more processors 102 , 202 may control one or more transceivers 106 , 206 to receive user data, control information, or wireless signals from one or more other devices.
  • one or more transceivers 106, 206 may be coupled to one or more antennas 108, 208, and the one or more transceivers 106, 206 may be coupled via one or more antennas 108, 208 to the descriptions, functions, and functions disclosed herein. , may be set to transmit and receive user data, control information, radio signals/channels, etc.
  • one or more antennas may be a plurality of physical antennas or a plurality of logical antennas (eg, antenna ports).
  • the one or more transceivers 106, 206 convert the received radio signal/channel, etc. from the RF band signal to process the received user data, control information, radio signal/channel, etc. using the one or more processors 102, 202. It can be converted into a baseband signal.
  • One or more transceivers 106 , 206 may convert user data, control information, radio signals/channels, etc. processed using one or more processors 102 , 202 from baseband signals to RF band signals.
  • one or more transceivers 106 , 206 may include (analog) oscillators and/or filters.
  • the signal processing circuit 1000 may include a scrambler 1010 , a modulator 1020 , a layer mapper 1030 , a precoder 1040 , a resource mapper 1050 , and a signal generator 1060 .
  • the operations/functions of FIG. 43 may be performed by the processors 102 and 202 and/or the transceivers 106 and 206 of FIG. 42 .
  • the hardware elements of FIG. 43 may be implemented in the processors 102 , 202 and/or transceivers 106 , 206 of FIG. 42 .
  • blocks 1010 to 1060 may be implemented in the processors 102 and 202 of FIG. 42 .
  • blocks 1010 to 1050 may be implemented in the processors 102 and 202 of FIG. 42
  • block 1060 may be implemented in the transceivers 106 and 206 of FIG. 42 .
  • the codeword may be converted into a wireless signal through the signal processing circuit 1000 of FIG. 43 .
  • the codeword is a coded bit sequence of an information block.
  • the information block may include a transport block (eg, a UL-SCH transport block, a DL-SCH transport block).
  • the radio signal may be transmitted through various physical channels (eg, PUSCH, PDSCH).
  • the codeword may be converted into a scrambled bit sequence by the scrambler 1010 .
  • a scramble sequence used for scrambling is generated based on an initialization value, and the initialization value may include ID information of a wireless device, and the like.
  • the scrambled bit sequence may be modulated by a modulator 1020 into a modulation symbol sequence.
  • the modulation method may include pi/2-Binary Phase Shift Keying (pi/2-BPSK), m-Phase Shift Keying (m-PSK), m-Quadrature Amplitude Modulation (m-QAM), and the like.
  • the complex modulation symbol sequence may be mapped to one or more transport layers by the layer mapper 1030 .
  • Modulation symbols of each transport layer may be mapped to corresponding antenna port(s) by the precoder 1040 (precoding).
  • the output z of the precoder 1040 may be obtained by multiplying the output y of the layer mapper 1030 by the precoding matrix W of N*M.
  • N is the number of antenna ports
  • M is the number of transport layers.
  • the precoder 1040 may perform precoding after performing transform precoding (eg, DFT transform) on the complex modulation symbols. Also, the precoder 1040 may perform precoding without performing transform precoding.
  • the resource mapper 1050 may map modulation symbols of each antenna port to a time-frequency resource.
  • the time-frequency resource may include a plurality of symbols (eg, a CP-OFDMA symbol, a DFT-s-OFDMA symbol) in the time domain and a plurality of subcarriers in the frequency domain.
  • CP Cyclic Prefix
  • DAC Digital-to-Analog Converter
  • the signal processing process for the received signal in the wireless device may be configured in reverse of the signal processing process 1010 to 1060 of FIG. 43 .
  • the wireless device eg, 100 and 200 in FIG. 42
  • the received radio signal may be converted into a baseband signal through a signal restorer.
  • the signal restorer may include a frequency downlink converter, an analog-to-digital converter (ADC), a CP remover, and a Fast Fourier Transform (FFT) module.
  • ADC analog-to-digital converter
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the baseband signal may be restored to a codeword through a resource de-mapper process, a postcoding process, a demodulation process, and a descrambling process.
  • the codeword may be restored to the original information block through decoding.
  • the signal processing circuit (not shown) for the received signal may include a signal restorer, a resource de-mapper, a post coder, a demodulator, a descrambler, and a decoder.
  • the wireless device 44 shows another example of a wireless device applied to the present specification.
  • the wireless device may be implemented in various forms according to use-examples/services (refer to FIG. 41 ).
  • wireless devices 100 and 200 correspond to wireless devices 100 and 200 of FIG. 42 , and various elements, components, units/units, and/or modules ) can be composed of
  • the wireless devices 100 and 200 may include a communication unit 110 , a control unit 120 , a memory unit 130 , and an additional element 140 .
  • the communication unit may include communication circuitry 112 and transceiver(s) 114 .
  • communication circuitry 112 may include one or more processors 102,202 and/or one or more memories 104,204 of FIG. 42 .
  • the transceiver(s) 114 may include one or more transceivers 106 , 206 and/or one or more antennas 108 , 208 of FIG. 42 .
  • the control unit 120 is electrically connected to the communication unit 110 , the memory unit 130 , and the additional element 140 , and controls general operations of the wireless device. For example, the controller 120 may control the electrical/mechanical operation of the wireless device based on the program/code/command/information stored in the memory unit 130 . In addition, the control unit 120 transmits information stored in the memory unit 130 to the outside (eg, other communication device) through the communication unit 110 through a wireless/wired interface, or externally (eg, through the communication unit 110 ) Information received through a wireless/wired interface from another communication device) may be stored in the memory unit 130 .
  • the outside eg, other communication device
  • Information received through a wireless/wired interface from another communication device may be stored in the memory unit 130 .
  • the additional element 140 may be configured in various ways according to the type of the wireless device.
  • the additional element 140 may include at least one of a power unit/battery, an input/output unit (I/O unit), a driving unit, and a computing unit.
  • a wireless device may include a robot ( FIGS. 41 and 100A ), a vehicle ( FIGS. 41 , 100B-1 , 100B-2 ), an XR device ( FIGS. 41 and 100C ), a portable device ( FIGS. 41 and 100D ), and a home appliance. (FIG. 41, 100e), IoT device (FIG.
  • the wireless device may be mobile or used in a fixed location depending on the use-example/service.
  • various elements, components, units/units, and/or modules in the wireless devices 100 and 200 may be entirely interconnected through a wired interface, or at least some of them may be wirelessly connected through the communication unit 110 .
  • the control unit 120 and the communication unit 110 are connected by wire, and the control unit 120 and the first unit (eg, 130 , 140 ) are connected to the communication unit 110 through the communication unit 110 . It can be connected wirelessly.
  • each element, component, unit/unit, and/or module within the wireless device 100 , 200 may further include one or more elements.
  • the controller 120 may be configured with one or more processor sets.
  • control unit 120 may be configured as a set of a communication control processor, an application processor, an electronic control unit (ECU), a graphic processing processor, a memory control processor, and the like.
  • memory unit 130 may include random access memory (RAM), dynamic RAM (DRAM), read only memory (ROM), flash memory, volatile memory, and non-volatile memory. volatile memory) and/or a combination thereof.
  • the portable device may include a smart phone, a smart pad, a wearable device (eg, a smart watch, smart glasses), and a portable computer (eg, a laptop computer).
  • a mobile device may be referred to as a mobile station (MS), a user terminal (UT), a mobile subscriber station (MSS), a subscriber station (SS), an advanced mobile station (AMS), or a wireless terminal (WT).
  • MS mobile station
  • UT user terminal
  • MSS mobile subscriber station
  • SS subscriber station
  • AMS advanced mobile station
  • WT wireless terminal
  • the portable device 100 includes an antenna unit 108 , a communication unit 110 , a control unit 120 , a memory unit 130 , a power supply unit 140a , an interface unit 140b , and an input/output unit 140c . ) may be included.
  • the antenna unit 108 may be configured as a part of the communication unit 110 .
  • Blocks 110 to 130/140a to 140c respectively correspond to blocks 110 to 130/140 in FIG. 44 .
  • the communication unit 110 may transmit and receive signals (eg, data, control signals, etc.) with other wireless devices and base stations.
  • the controller 120 may perform various operations by controlling the components of the portable device 100 .
  • the controller 120 may include an application processor (AP).
  • the memory unit 130 may store data/parameters/programs/codes/commands necessary for driving the portable device 100 . Also, the memory unit 130 may store input/output data/information.
  • the power supply unit 140a supplies power to the portable device 100 and may include a wired/wireless charging circuit, a battery, and the like.
  • the interface unit 140b may support a connection between the portable device 100 and other external devices.
  • the interface unit 140b may include various ports (eg, an audio input/output port and a video input/output port) for connection with an external device.
  • the input/output unit 140c may receive or output image information/signal, audio information/signal, data, and/or information input from a user.
  • the input/output unit 140c may include a camera, a microphone, a user input unit, a display unit 140d, a speaker, and/or a haptic module.
  • the input/output unit 140c obtains information/signals (eg, touch, text, voice, image, video) input from the user, and the obtained information/signals are stored in the memory unit 130 . can be saved.
  • the communication unit 110 may convert the information/signal stored in the memory into a wireless signal, and transmit the converted wireless signal directly to another wireless device or to a base station. Also, after receiving a radio signal from another radio device or base station, the communication unit 110 may restore the received radio signal to original information/signal. After the restored information/signal is stored in the memory unit 130 , it may be output in various forms (eg, text, voice, image, video, haptic) through the input/output unit 140c.
  • various forms eg, text, voice, image, video, haptic
  • a plurality of feeding points a switch for turning on or off the signal applied to each feeding point among the plurality of feeding points, and
  • An antenna comprising a variable reactance element coupled to at least one of the plurality of feeding points. Therefore, a beamforming system can be effectively configured without problems due to power or heat based on the antenna. That is, the size, power consumption, complexity, and cost are reduced in implementing the beamforming system.
  • the plurality of feeding points are at least one first feeding point disposed in a first position and at least one second feeding point disposed in a second position different from the first position. and a second feeding point, wherein the second feeding point is connected to the variable reactance element.
  • pattern reconfigurability of the antenna can be obtained by selecting the feeding points and adjusting the reactance value. Accordingly, the antenna according to the present embodiment can generate various radiation patterns and is easily used as a module for configuring a massive array antenna.
  • beamforming is performed by applying an antenna pattern based on a phase weight among antenna patterns related to a target beamforming direction to an array antenna.
  • the antenna pattern is related to at least one of i) selection of at least one feeding point from among the plurality of feeding points or ii) a reactance value of the variable reactance element. Therefore, beamforming can be effectively performed based on an array antenna that does not use a phase shifter.
  • the number of radiation patterns that can be generated is not limited, so radiation patterns having various directions and phases can be generated. 2) Since the problem of power consumption and insertion loss due to the phase shifter does not occur, beamforming can be effectively performed even in the terahertz band.
  • Embodiments according to the present invention may be implemented by various means, for example, hardware, firmware, software, or a combination thereof.
  • an embodiment of the present invention provides one or more application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), FPGAs ( field programmable gate arrays), a processor, a controller, a microcontroller, a microprocessor, and the like.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • an embodiment of the present invention may be implemented in the form of modules, procedures, functions, etc. that perform the functions or operations described above.
  • the software code may be stored in the memory and driven by the processor.
  • the memory may be located inside or outside the processor, and may transmit/receive data to and from the processor by various well-known means.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

본 명세서의 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 배열 안테나를 구비한 무선 장치에 의해 수행되는 빔포밍 방법은 타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상을 계산하는 단계, 빔포밍과 관련하여 미리 설정된 안테나 패턴들 중 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들을 결정하는 단계 및 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴을 상기 배열 안테나에 적용하는 단계를 포함한다. 상기 배열 안테나에 포함되는 각 안테나는 복수의 피딩 포인트들 및 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자를 포함한다. 상기 안테나 패턴은 i) 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택 또는 ii) 상기 가변 리액턴스 소자의 리액턴스 값 중에서 적어도 하나와 관련된 것을 특징으로 한다.

Description

무선 통신 시스템에서 빔포밍 방법 및 그 장치
본 발명은 무선 통신 시스템에서 빔포밍 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
이동 통신 시스템은 사용자의 활동성을 보장하면서 음성 서비스를 제공하기 위해 개발되었다. 그러나 이동통신 시스템은 음성뿐 아니라 데이터 서비스까지 영역을 확장하였으며, 현재에는 폭발적인 트래픽의 증가로 인하여 자원의 부족 현상이 야기되고 사용자들이 보다 고속의 서비스를 요구하므로, 보다 발전된 이동 통신 시스템이 요구되고 있다.
차세대 이동 통신 시스템의 요구 조건은 크게 폭발적인 데이터 트래픽의 수용, 사용자 당 전송률의 획기적인 증가, 대폭 증가된 연결 디바이스 개수의 수용, 매우 낮은 단대단 지연(End-to-End Latency), 고에너지 효율을 지원할 수 있어야 한다. 이를 위하여 이중 연결성(Dual Connectivity), 대규모 다중 입출력(Massive MIMO: Massive Multiple Input Multiple Output), 전이중(In-band Full Duplex), 비직교 다중접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access), 초광대역(Super wideband) 지원, 단말 네트워킹(Device Networking) 등 다양한 기술들이 연구되고 있다.
본 명세서는 빔포밍 방법 및 그 장치를 제안한다.
종래 기술의 빔포밍은 안테나에 연결된 위상 천이기(phase shifter)를 기반으로 수행된다. THz 대역의 경우 큰 빔 이득을 얻기 위해 작은 크기의 안테나를 거대 배열 안테나(massive array antenna)로 구성하게 된다. 이 경우 각 안테나에 위상 변조가 연결됨에 따라 전력소모가 매우 커지고 발열 문제가 발생하며, 위상 천이기의 삽입 손실(insertion loss)로 인해 전력손실이 발생하게 된다. THz 대역에서는 위상 천이기를 사용하여 빔포밍 시스템을 구성하기에 어려움이 있다.
한편, 위상 천이기를 사용하지 않고 빔포밍을 수행하는 기술이 제안된바 있다. 패턴 재구성 가능 안테나(Pattern reconfigurable antenna)는 방사 패턴을 여러 가지로 조정할 수 있는 안테나이다. Pattern reconfigurability를 얻는 방법은 여러 가지가 있는데, 대표적으로 기생 요소(parasitic element)를 스위치(switch)를 통해 선택하는 방법과 ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator)라는 기생 요소(parasitic element)에 reactively loaded element를 연결하여 조절하는 방법이 있다.
그러나 기생 요소 스위칭(parasitic element switching)을 이용한 방법 및 ESPAR을 이용한 방법은 모두 메인 안테나(main antenna) 주변에 다수의 기생 안테나(parasitic antenna)를 배치해야 한다. 이에 따라, 단위 안테나의 부피가 커지므로 배열 확장이 불가능하다. 또한 기존의 pattern reconfigurable antenna의 경우 parasitic element의 수에 따라 바꿀 수 있는 방사 방향의 수가 제한된다는 한계점이 존재한다.
따라서 본 명세서는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 빔포밍 방법 및 그 장치를 제안한다.
본 명세서에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나는 방사 소자(radiating element), 상기 방사 소자에 신호를 인가하기 위한 피딩 라인(feeding line)이 연결되는 복수의 피딩 포인트(feeding point)들, 상기 복수의 피딩 포인트들 중 각 피딩 포인트로 인가되는 상기 신호를 온(on) 또는 오프(off)하는 스위치(switch) 및 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자(variable reactance element)를 포함한다.
상기 복수의 피딩 포인트들은 제1 위치에 배치되는 적어도 하나의 제1 피딩 포인트(first feeding point) 및 상기 제1 위치와 다른 제2 위치에 배치되는 적어도 하나의 제2 피딩 포인트(second feeding point)를 포함한다. 상기 제2 피딩 포인트는 상기 가변 리액턴스 소자와 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 위치는 상기 방사 소자의 가장자리(edge)로부터 특정 길이에 기반하여 형성되는 영역 내에 위치하며, 상기 제2 위치는 상기 영역 밖에 위치할 수 있다.
상기 특정 길이는 상기 가장자리(edge)로부터 반대편 가장자리(edge)까지의 길이의 1/3(one third)에 기반할 수 있다.
상기 가변 리액턴스 소자는 칩 인덕터(chip inductor), 칩 커패시터(chip capacitor) 또는 버랙터 다이오드(varactor diode)에 기반할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 배열 안테나를 구비한 무선 장치에 의해 수행되는 빔포밍 방법은 타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상을 계산하는 단계, 빔포밍과 관련하여 미리 설정된 안테나 패턴들 중 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들을 결정하는 단계 및 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴을 상기 배열 안테나에 적용하는 단계를 포함한다.
상기 배열 안테나에 포함되는 각 안테나는 복수의 피딩 포인트들 및 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자를 포함한다. 상기 안테나 패턴은 i) 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택 또는 ii) 상기 가변 리액턴스 소자의 리액턴스 값 중에서 적어도 하나와 관련된 것을 특징으로 한다.
상기 안테나 패턴은 상기 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택, 상기 리액턴스 값, 최대 이득 방향(peak gain direction) 또는 편파 위상(polarization phase) 중 적어도 하나와 관련된 정보를 포함할 수 있다.
상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들은 상기 최대 이득 방향이 상기 타겟 빔포밍 방향에 기반하는 특정 범위에 속할 수 있다.
상기 편파 위상(polarization phase)과 관련된 정보는 상기 안테나 패턴에 기반하는 3차원 행렬을 포함하고, 상기 3차원 행렬은 고도각(elavation angle), 방위각(azimuth angle) 및 상기 고도각(elavation angle) 및 상기 방위각(azimuth angle)에 기반하는 편파 위상(polarization phase)을 포함할 수 있다.
상기 위상에 기반하는 안테나 패턴은 상기 타겟 빔포밍 방향 및 상기 3차원 행렬에 기반하여 결정되는 상기 편파 위상과 상기 위상 간의 차이가 최소인 안테나 패턴에 기반할 수 있다.
상기 위상은 상기 배열 안테나에 포함되는 각 안테나별로 계산되고, 상기 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택과 관련된 정보는 상기 각 안테나의 온(on) 또는 오프(off)를 나타내는 비트맵(bitmap)에 기반하며, 상기 리액턴스 값과 관련된 정보는 상기 각 안테나의 리액턴스 값을 포함할 수 있다.
상기 위상에 기반하는 안테나 패턴의 적용은 상기 비트맵 및 상기 각 안테나의 리액턴스 값에 기반할 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 수행하는 무선 장치는 배열 안테나, 상기 배열 안테나를 통해 무선 신호를 송수신 하는 하나 이상의 송수신기, 상기 배열 안테나 및 상기 하나 이상의 송수신기를 제어하는 하나 이상의 프로세서들, 상기 하나 이상의 프로세서들에 동작 가능하게 접속 가능하고, 상기 하나 이상의 프로세서들에 의해 상기 빔포밍이 실행될 때, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하는 하나 이상의 메모리들을 포함한다.
상기 동작들은 타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상을 계산하는 단계, 상기 빔포밍과 관련하여 미리 설정된 안테나 패턴들 중 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들을 결정하는 단계 및 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴을 상기 배열 안테나에 적용하는 단계를 포함한다.
상기 배열 안테나에 포함되는 각 안테나는 복수의 피딩 포인트들 및 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자를 포함한다. 상기 안테나 패턴은 i) 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택 또는 ii) 상기 가변 리액턴스 소자의 리액턴스 값 중에서 적어도 하나와 관련된 것을 특징으로 한다.
상기 안테나 패턴은 상기 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택, 상기 리액턴스 값, 최대 이득 방향(peak gain direction) 또는 편파 위상(polarization phase) 중 적어도 하나와 관련된 정보를 포함할 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시예에 따른 하나 이상의 명령어를 저장하는 하나 이상의 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 있어서,
하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능한 하나 이상의 명령어는 장치가 타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상을 계산하고, 빔포밍과 관련하여 미리 설정된 안테나 패턴들 중 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들을 결정하며, 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴을 배열 안테나에 적용하도록 설정된다.
상기 배열 안테나에 포함되는 각 안테나는 복수의 피딩 포인트들 및 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자를 포함한다. 상기 안테나 패턴은 i) 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택 또는 ii) 상기 가변 리액턴스 소자의 리액턴스 값 중에서 적어도 하나와 관련된 것을 특징으로 한다.
상기 안테나 패턴은 상기 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택, 상기 리액턴스 값, 최대 이득 방향(peak gain direction) 또는 편파 위상(polarization phase) 중 적어도 하나와 관련된 정보를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 의하면, 복수의 피딩 포인트(feeding point)들, 상기 복수의 피딩 포인트들 중 각 피딩 포인트로 인가되는 상기 신호를 온(on) 또는 오프(off)하는 스위치(switch) 및 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자(variable reactance element)를 포함하는 안테나가 개시된다. 따라서 상기 안테나를 기반으로 전력이나 발열로 인한 문제 없이 효과적으로 빔포밍 시스템이 구성될 수 있다. 즉, 빔포밍 시스템을 구현함에 있어 크기, 소모 전력, 복잡도 및 비용이 감소한다.
본 명세서의 일 실시예에 의하면, 상기 복수의 피딩 포인트들은 제1 위치에 배치되는 적어도 하나의 제1 피딩 포인트(first feeding point) 및 상기 제1 위치와 다른 제2 위치에 배치되는 적어도 하나의 제2 피딩 포인트(second feeding point)를 포함하고 상기 제2 피딩 포인트는 상기 가변 리액턴스 소자와 연결된다. 방사 소자(radiating element)에 기생 안테나(parasitic antenna)나 그 밖의 구성을 추가하지 않고서도, 상기 피딩 포인트들의 선택과 리액턴스 값의 조절을 통해 안테나의 pattern reconfigurability를 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 안테나는 다양한 방사 패턴을 생성할 수 있고, 거대 배열 안테나(massive array antenna)를 구성하기 위한 모듈로써 활용되기 용이하다.
본 명세서의 일 실시예에 의하면, 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 위상 가중치에 기반하는 안테나 패턴을 배열 안테나에 적용함으로써 빔포밍이 수행된다. 이 때, 상기 안테나 패턴은 i) 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택 또는 ii) 상기 가변 리액턴스 소자의 리액턴스 값 중에서 적어도 하나와 관련된다. 따라서, 위상 천이기를 사용하지 않는 배열 안테나에 기반하여 효과적으로 빔포밍이 수행될 수 있다. 구체적으로 1) 빔포밍을 수행함에 있어 기존 패턴 재구성가능 안테나(pattern reconfigurable antenna)와 달리 생성할 수 있는 방사 패턴의 수가 제한되지 않으므로 다양한 방향과 위상을 가지는 방사 패턴을 생성할 수 있다. 2) 위상 천이기로 인한 전력 소모와 삽입 손실의 문제가 발생하지 않는 바 테라헤르츠 대역에서도 효과적으로 빔포밍이 수행될 수 있다.
본 명세서에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 3GPP 시스템에 이용되는 물리 채널들 및 일반적인 신호 전송을 예시한다.
도 2는 6G 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 나타낸 도이다.
도 3은 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 퍼셉트론의 구조를 예시한다.
도 4는 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 다층 퍼셉트론의 구조를 예시한다.
도 5는 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 심층 신경망의 구조를 예시한다.
도 6은 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 컨볼루션 신경망의 구조를 예시한다.
도 7은 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 컨볼루션 신경망에서의 필터 연산을 예시한다.
도 8은 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 순환 루프가 존재하는 신경망 구조를 예시한다.
도 9는 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 순환 신경망의 동작 구조를 예시한다.
도 10은 전자기 스펙트럼의 일례를 나타낸다.
도 11은 THz 통신 응용의 일례를 나타낸 도이다.
도 12는 전자소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 나타낸 도이다.
도 13은 광 소자 기반 THz 신호를 생성하는 방법의 일례를 나타낸 도이다.
도 14는 광 소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 나타낸 도이다.
도 15는 광자 소스(Photoinc source) 기반 송신기의 구조를 예시한다.
도 16은 광 변조기(Optical modulator)의 구조를 예시한다.
도 17은 안테나의 방사패턴을 예시한다.
도 18은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나와 피딩 포인트의 위치 이동을 예시하는 도면이다.
도 19는 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나의 피딩 포인트 위치에 따른 입력 임피던스와 반사 계수를 도시한 그래프이다.
도 20은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나의 피딩 포인트가 위치하는 영역을 예시하는 도면이다.
도 21 및 도 22는 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나의 타입 1 피딩 포인트 구성을 예시한다.
도 23 및 도 24는 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나의 타입 1 피딩 포인트 및 타입 2 피딩 포인트 구성을 예시한다.
도 25 및 도 26은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나의 피딩 포인트 및 가변 리액턴소 소자의 구성을 예시한다.
도 27은 본 명세서의 일 실시예에 따른 가변 리액턴스를 포함하는 안테나의 구조를 예시한다.
도 28은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나에 있어서, 가변 리액턴스 값 변화에 따른 안테나 패턴의 위상 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 29은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나에 있어서, 피딩 포인트의 선택에 따른 빔의 변화를 나타낸 도면이다.
도 30은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나에 있어서, 다양한 피딩 포인트 구성을 예시한다.
도 31은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나를 예시한다.
도 32는 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나 패턴의 매핑을 설명하기 위한 도면이다.
도 33은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나 패턴의 적용을 설명하기 위한 도면이다.
도 34는 본 명세서의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 35는 기존의 위상 천이기를 사용하는 빔포밍 시스템의 블록도를 예시한다.
도 36은 종래기술에 기반하는 위상 천이기와 전력 증폭기의 회로도를 예시한다.
도 37은 본 명세서의 일 실시예에 기반하는 빔포밍 시스템의 블록도를 예시한다.
도 38a 내지 도 38c 및 도 39a 내지 도 39c는 본 명세서의 일 실시예에 따른 1X16 배열 안테나를 이용한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 40은 본 명세서의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 배열 안테나를 구비한 무선 장치에 의해 수행되는 빔포밍 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 41은 본 명세서에 적용되는 통신 시스템(1)을 예시한다.
도 42는 본 명세서에 적용될 수 있는 무선 기기를 예시한다.
도 43은 본 명세서에 적용되는 신호 처리 회로를 예시한다.
도 44는 본 명세서에 적용되는 무선 기기의 다른 예를 나타낸다.
도 45는 본 명세서에 적용되는 휴대 기기를 예시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 기지국은 단말과 직접적으로 통신을 수행하는 네트워크의 종단 노드(terminal node)로서의 의미를 갖는다. 본 문서에서 기지국에 의해 수행되는 것으로 설명된 특정 동작은 경우에 따라서는 기지국의 상위 노드(upper node)에 의해 수행될 수도 있다. 즉, 기지국을 포함하는 다수의 네트워크 노드들(network nodes)로 이루어지는 네트워크에서 단말과의 통신을 위해 수행되는 다양한 동작들은 기지국 또는 기지국 이외의 다른 네트워크 노드들에 의해 수행될 수 있음은 자명하다. '기지국(BS: Base Station)'은 고정국(fixed station), Node B, eNB(evolved-NodeB), BTS(base transceiver system), 액세스 포인트(AP: Access Point), gNB(general NB) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다. 또한, '단말(Terminal)'은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, UE(User Equipment), MS(Mobile Station), UT(user terminal), MSS(Mobile Subscriber Station), SS(Subscriber Station), AMS(Advanced Mobile Station), WT(Wireless terminal), MTC(Machine-Type Communication) 장치, M2M(Machine-to-Machine) 장치, D2D(Device-to-Device) 장치 등의 용어로 대체될 수 있다.
이하에서, 하향링크(DL: downlink)는 기지국에서 단말로의 통신을 의미하며, 상향링크(UL: uplink)는 단말에서 기지국으로의 통신을 의미한다. 하향링크에서 송신기는 기지국의 일부이고, 수신기는 단말의 일부일 수 있다. 상향링크에서 송신기는 단말의 일부이고, 수신기는 기지국의 일부일 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
이하의 기술은 CDMA, FDMA, TDMA, OFDMA, SC-FDMA 등과 같은 다양한 무선 접속 시스템에 사용될 수 있다. CDMA는 UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)나 CDMA2000과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. TDMA는 GSM(Global System for Mobile communications)/GPRS(General Packet Radio Service)/EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)와 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. OFDMA는 IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, E-UTRA(Evolved UTRA) 등과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. UTRA는 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)의 일부이다. 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution)은 E-UTRA를 사용하는 E-UMTS(Evolved UMTS)의 일부이고 LTE-A(Advanced)/LTE-A pro는 3GPP LTE의 진화된 버전이다. 3GPP NR(New Radio or New Radio Access Technology)는 3GPP LTE/LTE-A/LTE-A pro의 진화된 버전이다. 3GPP 6G는 3GPP NR의 진화된 버전일 수 있다.
설명을 명확하게 하기 위해, 3GPP 통신 시스템(예, LTE, NR 등)을 기반으로 설명하지만 본 발명의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다. LTE는 3GPP TS 36.xxx Release 8 이후의 기술을 의미한다. 세부적으로, 3GPP TS 36.xxx Release 10 이후의 LTE 기술은 LTE-A로 지칭되고, 3GPP TS 36.xxx Release 13 이후의 LTE 기술은 LTE-A pro로 지칭된다. 3GPP NR은 TS 38.xxx Release 15 이후의 기술을 의미한다. 3GPP 6G는 TS Release 17 및/또는 Release 18 이후의 기술을 의미할 수 있다. "xxx"는 표준 문서 세부 번호를 의미한다. LTE/NR/6G는 3GPP 시스템으로 통칭될 수 있다. 본 발명의 설명에 사용된 배경기술, 용어, 약어 등에 관해서는 본 발명 이전에 공개된 표준 문서에 기재된 사항을 참조할 수 있다. 예를 들어, 다음 문서를 참조할 수 있다.
3GPP LTE
- 36.211: Physical channels and modulation
- 36.212: Multiplexing and channel coding
- 36.213: Physical layer procedures
- 36.300: Overall description
- 36.331: Radio Resource Control (RRC)
3GPP NR
- 38.211: Physical channels and modulation
- 38.212: Multiplexing and channel coding
- 38.213: Physical layer procedures for control
- 38.214: Physical layer procedures for data
- 38.300: NR and NG-RAN Overall Description
- 38.331: Radio Resource Control (RRC) protocol specification
물리 채널 및 프레임 구조
물리 채널 및 일반적인 신호 전송
도 1은 3GPP 시스템에 이용되는 물리 채널들 및 일반적인 신호 전송을 예시한다. 무선 통신 시스템에서 단말은 기지국으로부터 하향링크(Downlink, DL)를 통해 정보를 수신하고, 단말은 기지국으로 상향링크(Uplink, UL)를 통해 정보를 전송한다. 기지국과 단말이 송수신하는 정보는 데이터 및 다양한 제어 정보를 포함하고, 이들이 송수신 하는 정보의 종류/용도에 따라 다양한 물리 채널이 존재한다.
단말은 전원이 켜지거나 새로이 셀에 진입한 경우 기지국과 동기를 맞추는 등의 초기 셀 탐색(Initial cell search) 작업을 수행한다(S101). 이를 위해, 단말은 기지국으로부터 주 동기 신호(Primary Synchronization Signal, PSS) 및 부 동기 신호(Secondary Synchronization Signal, SSS)을 수신하여 기지국과 동기를 맞추고, 셀 ID 등의 정보를 획득할 수 있다. 그 후, 단말은 기지국으로부터 물리 방송 채널(Physical Broadcast Channel, PBCH)를 수신하여 셀 내 방송 정보를 획득할 수 있다. 한편, 단말은 초기 셀 탐색 단계에서 하향링크 참조 신호(Downlink Reference Signal, DL RS)를 수신하여 하향링크 채널 상태를 확인할 수 있다.
초기 셀 탐색을 마친 단말은 물리 하향링크 제어 채널(Physical Downlink Control Channel, PDCCH) 및 상기 PDCCH에 실린 정보에 따라 물리 하향링크 공유 채널(Physical Downlink Control Channel; PDSCH)을 수신함으로써 좀더 구체적인 시스템 정보를 획득할 수 있다(S102).
한편, 기지국에 최초로 접속하거나 신호 송신을 위한 무선 자원이 없는 경우, 단말은 기지국에 대해 임의 접속 과정(Random Access Procedure, RACH)을 수행할 수 있다(S103 내지 S106). 이를 위해, 단말은 물리 임의 접속 채널(Physical Random Access Channel, PRACH)을 통해 특정 시퀀스를 프리앰블로 송신하고(S103 및 S105), PDCCH 및 대응하는 PDSCH를 통해 프리앰블에 대한 응답 메시지((RAR(Random Access Response) message)를 수신할 수 있다. 경쟁 기반 RACH의 경우, 추가적으로 충돌 해결 절차(Contention Resolution Procedure)를 수행할 수 있다(S106).
상술한 바와 같은 절차를 수행한 단말은 이후 일반적인 상/하향링크 신호 송신 절차로서 PDCCH/PDSCH 수신(S107) 및 물리 상향링크 공유 채널(Physical Uplink Shared Channel, PUSCH)/물리 상향링크 제어 채널(Physical Uplink Control Channel; PUCCH) 송신(S108)을 수행할 수 있다. 특히 단말은 PDCCH를 통하여 하향링크 제어 정보(Downlink Control Information, DCI)를 수신할 수 있다. 여기서, DCI는 단말에 대한 자원 할당 정보와 같은 제어 정보를 포함하며, 사용 목적에 따라 포맷이 서로 다르게 적용될 수 있다.
한편, 단말이 상향링크를 통해 기지국에 송신하는 또는 단말이 기지국으로부터 수신하는 제어 정보는 하향링크/상향링크 ACK/NACK 신호, CQI(Channel Quality Indicator), PMI(Precoding Matrix 인덱스), RI(Rank Indicator) 등을 포함할 수 있다. 단말은 상술한 CQI/PMI/RI 등의 제어 정보를 PUSCH 및/또는 PUCCH를 통해 송신할 수 있다.
상향링크 및 하향링크 채널의 구조
하향링크 채널 구조
기지국은 후술하는 하향링크 채널을 통해 관련 신호를 단말에게 전송하고, 단말은 후술하는 하향링크 채널을 통해 관련 신호를 기지국으로부터 수신한다.
(1) 물리 하향링크 공유 채널(PDSCH)
PDSCH는 하향링크 데이터(예, DL-shared channel transport block, DL-SCH TB)를 운반하고, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16 QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 64 QAM, 256 QAM 등의 변조 방법이 적용된다. TB를 인코딩하여 코드워드(codeword)가 생성된다. PDSCH는 다수의 코드워드들을 나를 수 있다. 코드워드(codeword) 별로 스크램블링(scrambling) 및 변조 매핑(modulation mapping)이 수행되고, 각 코드워드로부터 생성된 변조 심볼들은 하나 이상의 레이어로 매핑된다(Layer mapping). 각 레이어는 DMRS(Demodulation Reference Signal)과 함께 자원에 매핑되어 OFDM 심볼 신호로 생성되고, 해당 안테나 포트를 통해 전송된다.
(2) 물리 하향링크 제어 채널(PDCCH)
PDCCH는 하향링크 제어 정보(DCI)를 운반하고 QPSK 변조 방법 등이 적용된다. 하나의 PDCCH는 AL(Aggregation Level)에 따라 1, 2, 4, 8, 16 개 등의 CCE(Control Channel Element)로 구성된다. 하나의 CCE는 6개의 REG(Resource Element Group)로 구성된다. 하나의 REG는 하나의 OFDM 심볼과 하나의 (P)RB로 정의된다.
단말은 PDCCH 후보들의 세트에 대한 디코딩(일명, 블라인드 디코딩)을 수행하여 PDCCH를 통해 전송되는 DCI를 획득한다. 단말이 디코딩하는 PDCCH 후보들의 세트는 PDCCH 검색 공간(Search Space) 세트라 정의한다. 검색 공간 세트는 공통 검색 공간 (common search space) 또는 단말-특정 검색 공간 (UE-specific search space)일 수 있다. 단말은 MIB 또는 상위 계층 시그널링에 의해 설정된 하나 이상의 검색 공간 세트 내 PDCCH 후보를 모니터링하여 DCI를 획득할 수 있다.
상향링크 채널 구조
단말은 후술하는 상향링크 채널을 통해 관련 신호를 기지국으로 전송하고, 기지국은 후술하는 상향링크 채널을 통해 관련 신호를 단말로부터 수신한다.
(1) 물리 상향링크 공유 채널(PUSCH)
PUSCH는 상향링크 데이터(예, UL-shared channel transport block, UL-SCH TB) 및/또는 상향링크 제어 정보(UCI)를 운반하고, CP-OFDM (Cyclic Prefix - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 파형(waveform), DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform - spread - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 파형 등에 기초하여 전송된다. PUSCH가 DFT-s-OFDM 파형에 기초하여 전송되는 경우, 단말은 변환 프리코딩(transform precoding)을 적용하여 PUSCH를 전송한다. 일 예로, 변환 프리코딩이 불가능한 경우(예, transform precoding is disabled) 단말은 CP-OFDM 파형에 기초하여 PUSCH를 전송하고, 변환 프리코딩이 가능한 경우(예, transform precoding is enabled) 단말은 CP-OFDM 파형 또는 DFT-s-OFDM 파형에 기초하여 PUSCH를 전송할 수 있다. PUSCH 전송은 DCI 내 UL 그랜트에 의해 동적으로 스케줄링 되거나, 상위 계층(예, RRC) 시그널링 (및/또는 Layer 1(L1) 시그널링(예, PDCCH))에 기초하여 반-정적(semi-static)으로 스케줄링 될 수 있다(configured grant). PUSCH 전송은 코드북 기반 또는 비-코드북 기반으로 수행될 수 있다.
(2) 물리 상향링크 제어 채널(PUCCH)
PUCCH는 상향링크 제어 정보, HARQ-ACK 및/또는 스케줄링 요청(SR)을 운반하고, PUCCH 전송 길이에 따라 다수의 PUCCH들로 구분될 수 있다.
6G 시스템 일반
6G (무선통신) 시스템은 (i) 디바이스 당 매우 높은 데이터 속도, (ii) 매우 많은 수의 연결된 디바이스들, (iii) 글로벌 연결성(global connectivity), (iv) 매우 낮은 지연, (v) 배터리-프리(battery-free) IoT 디바이스들의 에너지 소비를 낮추고, (vi) 초고신뢰성 연결, (vii) 머신 러닝 능력을 가지는 연결된 지능 등에 목적이 있다. 6G 시스템의 비젼은 intelligent connectivity, deep connectivity, holographic connectivity, ubiquitous connectivity와 같은 4가지 측면일 수 있으며, 6G 시스템은 아래 표 1과 같은 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 즉, 표 1은 6G 시스템의 요구 사항의 일례를 나타낸 표이다.
Figure PCTKR2020009057-appb-T000001
6G 시스템은 Enhanced mobile broadband (eMBB), Ultra-reliable low latency communications (URLLC), massive machine-type communication (mMTC), AI integrated communication, Tactile internet, High throughput, High network capacity, High energy efficiency, Low backhaul and access network congestion, Enhanced data security와 같은 핵심 요소(key factor)들을 가질 수 있다.
도 2는 6G 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 나타낸 도이다.
6G 시스템은 5G 무선통신 시스템보다 50배 더 높은 동시 무선통신 연결성을 가질 것으로 예상된다. 5G의 key feature인 URLLC는 6G 통신에서 1ms보다 적은 단-대-단(end-to-end) 지연을 제공함으로써 보다 더 주요한 기술이 될 것이다. 6G 시스템은 자주 사용되는 영역 스펙트럼 효율과 달리 체적 스펙트럼 효율이 훨씬 우수할 것이다. 6G 시스템은 매우 긴 배터리 수명과 에너지 수확을 위한 고급 배터리 기술을 제공할 수 있어, 6G 시스템에서 모바일 디바이스들은 별도로 충전될 필요가 없을 것이다. 6G에서 새로운 네트워크 특성들은 다음과 같을 수 있다.
- 위성 통합 네트워크(Satellites integrated network): 글로벌 모바일 집단을 제공하기 위해 6G는 위성과 통합될 것으로 예상된다. 지상파, 위성 및 공중 네트워크를 하나의 무선통신 시스템으로 통합은 6G에 매우 중요하다.
- 연결된 인텔리전스(Connected intelligence): 이전 세대의 무선 통신 시스템과 달리 6G는 혁신적이며, "연결된 사물"에서 "연결된 지능"으로 무선 진화가 업데이트될 것이다. AI는 통신 절차의 각 단계(또는 후술할 신호 처리의 각 절차)에서 적용될 수 있다.
- 무선 정보 및 에너지 전달의 완벽한 통합(Seamless integration wireless information and energy transfer): 6G 무선 네트워크는 스마트폰들과 센서들과 같이 디바이스들의 배터리를 충전하기 위해 전력을 전달할 것이다. 그러므로, 무선 정보 및 에너지 전송 (WIET)은 통합될 것이다.
- 유비쿼터스 슈퍼 3D 연결(Ubiquitous super 3D connectivity): 드론 및 매우 낮은 지구 궤도 위성의 네트워크 및 핵심 네트워크 기능에 접속은 6G 유비쿼터스에서 슈퍼 3D 연결을 만들 것이다.
위와 같은 6G의 새로운 네트워크 특성들에서 몇 가지 일반적인 요구 사항은 다음과 같을 수 있다.
- 스몰 셀 네트워크(small cell networks): 스몰 셀 네트워크의 아이디어는 셀룰러 시스템에서 처리량, 에너지 효율 및 스펙트럼 효율 향상의 결과로 수신 신호 품질을 향상시키기 위해 도입되었다. 결과적으로, 스몰 셀 네트워크는 5G 및 비욘드 5G (5GB) 이상의 통신 시스템에 필수적인 특성이다. 따라서, 6G 통신 시스템 역시 스몰 셀 네트워크의 특성을 채택한다.
- 초 고밀도 이기종 네트워크(Ultra-dense heterogeneous network): 초 고밀도 이기종 네트워크들은 6G 통신 시스템의 또 다른 중요한 특성이 될 것이다. 이기종 네트워크로 구성된 멀티-티어 네트워크는 전체 QoS를 개선하고 비용을 줄인다.
- 대용량 백홀(High-capacity backhaul): 백홀 연결은 대용량 트래픽을 지원하기 위해 대용량 백홀 네트워크로 특징 지어진다. 고속 광섬유 및 자유 공간 광학 (FSO) 시스템이 이 문제에 대한 가능한 솔루션일 수 있다.
- 모바일 기술과 통합된 레이더 기술: 통신을 통한 고정밀 지역화(또는 위치 기반 서비스)는 6G 무선통신 시스템의 기능 중 하나이다. 따라서, 레이더 시스템은 6G 네트워크와 통합될 것이다.
- 소프트화 및 가상화(Softwarization and virtualization): 소프트화 및 가상화는 유연성, 재구성성 및 프로그래밍 가능성을 보장하기 위해 5GB 네트워크에서 설계 프로세스의 기초가 되는 두 가지 중요한 기능이다. 또한, 공유 물리적 인프라에서 수십억 개의 장치가 공유될 수 있다.
6G 시스템의 핵심 구현 기술
인공 지능(Artificial Intelligence)
6G 시스템에 가장 중요하며, 새로 도입될 기술은 AI이다. 4G 시스템에는 AI가 관여하지 않았다. 5G 시스템은 부분 또는 매우 제한된 AI를 지원할 것이다. 그러나, 6G 시스템은 완전히 자동화를 위해 AI가 지원될 것이다. 머신 러닝의 발전은 6G에서 실시간 통신을 위해 보다 지능적인 네트워크를 만들 것이다. 통신에 AI를 도입하면 실시간 데이터 전송이 간소화되고 향상될 수 있다. AI는 수많은 분석을 사용하여 복잡한 대상 작업이 수행되는 방식을 결정할 수 있다. 즉, AI는 효율성을 높이고 처리 지연을 줄일 수 있다.
핸드 오버, 네트워크 선택, 자원 스케쥴링과 같은 시간 소모적인 작업은 AI를 사용함으로써 즉시 수행될 수 있다. AI는 M2M, 기계-대-인간 및 인간-대-기계 통신에서도 중요한 역할을 할 수 있다. 또한, AI는 BCI(Brain Computer Interface)에서 신속한 통신이 될 수 있다. AI 기반 통신 시스템은 메타 물질, 지능형 구조, 지능형 네트워크, 지능형 장치, 지능형 인지 라디오(radio), 자체 유지 무선 네트워크 및 머신 러닝에 의해 지원될 수 있다.
최근에는 AI를 무선 통신 시스템과 통합하려고 하는 시도들이 나타나고 있으나, 이는 application layer, network layer 특히, 딥러닝을 wireless resource management and allocation 분야에 집중되어 왔다. 그러나, 이러한 연구는 점점 MAC layer 와 Physical layer로 발전하고 있으며, 특히 물리계층에서 딥러닝을 무선 전송(wireless transmission)과 결합하고자 하는 시도들이 나타나고 있다. AI 기반의 물리계층 전송은, 근본적인 신호 처리 및 통신 메커니즘에 있어서, 전통적인 통신 프레임워크가 아니라 AI 드라이버에 기초한 신호 처리 및 통신 메커니즘을 적용하는 것을 의미한다. 예를 들어, 딥러닝 기반의 채널 코딩 및 디코딩(channel coding and decoding), 딥러닝 기반의 신호 추정(estimation) 및 검출(detection), 딥러닝 기반의 MIMO mechanism, AI 기반의 자원 스케줄링(scheduling) 및 할당(allocation) 등을 포함할 수 있다.
머신 러닝은 채널 추정 및 채널 트래킹을 위해 사용될 수 있으며, DL(downlink)의 물리 계층(physical layer)에서 전력 할당(power allocation), 간섭 제거 (interference cancellation) 등에 사용될 수 있다. 또한, 머신 러닝은 MIMO 시스템에서 안테나 선택, 전력 제어(power control), 심볼 검출(symbol detection) 등에도 사용될 수 있다.
그러나 물리계층에서의 전송을 위한 DNN의 적용은 아래와 같은 문제점이 있을 수 있다.
딥러닝 기반의 AI 알고리즘은 훈련 파라미터를 최적화하기 위해 수많은 훈련 데이터가 필요하다. 그러나 특정 채널 환경에서의 데이터를 훈련 데이터로 획득하는데 있어서의 한계로 인해, 오프라인 상에서 많은 훈련 데이터를 사용한다. 이는 특정 채널 환경에서 훈련 데이터에 대한 정적 훈련(static training)은, 무선 채널의 동적 특성 및 다이버시티(diversity) 사이에 모순(contradiction)이 생길 수 있다.
또한, 현재 딥러닝은 주로 실제 신호(real signal)을 대상으로 한다. 그러나, 무선 통신의 물리 계층의 신호들은 복소 신호(complex signal)이다. 무선 통신 신호의 특성을 매칭시키기 위해 복소 도메인 신호의 검출하는 신경망(neural network)에 대한 연구가 더 필요하다.
이하, 머신 러닝에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.
머신 러닝은 사람이 할 수 있거나 혹은 하기 어려운 작업을 대신해낼 수 있는 기계를 만들어내기 위해 기계를 학습시키는 일련의 동작을 의미한다. 머신 러닝을 위해서는 데이터와 러닝 모델이 필요하다. 머신 러닝에서 데이터의 학습 방법은 크게 3가지 즉, 지도 학습(supervised learning), 비지도 학습(unsupervised learning) 그리고 강화 학습(reinforcement learning)으로 구분될 수 있다.
신경망 학습은 출력의 오류를 최소화하기 위한 것이다. 신경망 학습은 반복적으로 학습 데이터를 신경망에 입력시키고 학습 데이터에 대한 신경망의 출력과 타겟의 에러를 계산하고, 에러를 줄이기 위한 방향으로 신경망의 에러를 신경망의 출력 레이어에서부터 입력 레이어 방향으로 역전파(backpropagation) 하여 신경망의 각 노드의 가중치를 업데이트하는 과정이다.
지도 학습은 학습 데이터에 정답이 라벨링된 학습 데이터를 사용하며 비지도 학습은 학습 데이터에 정답이 라벨링되어 있지 않을 수 있다. 즉, 예를 들어 데이터 분류에 관한 지도 학습의 경우의 학습 데이터는 학습 데이터 각각에 카테고리가 라벨링된 데이터 일 수 있다. 라벨링된 학습 데이터가 신경망에 입력되고 신경망의 출력(카테고리)과 학습 데이터의 라벨을 비교하여 오차(error)가 계산될 수 있다. 계산된 오차는 신경망에서 역방향(즉, 출력 레이어에서 입력 레이어 방향)으로 역전파 되며, 역전파에 따라 신경망의 각 레이어의 각 노드들의 연결 가중치가 업데이트 될 수 있다. 업데이트 되는 각 노드의 연결 가중치는 학습률(learing rate)에 따라 변화량이 결정될 수 있다. 입력 데이터에 대한 신경망의 계산과 에러의 역전파는 학습 사이클(epoch)을 구성할 수 있다. 학습률은 신경망의 학습 사이클의 반복 횟수에 따라 상이하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 신경망의 학습 초기에는 높은 학습률을 사용하여 신경망이 빠르게 일정 수준의 성능을 확보하도록 하여 효율성을 높이고, 학습 후기에는 낮은 학습률을 사용하여 정확도를 높일 수 있다
데이터의 특징에 따라 학습 방법은 달라질 수 있다. 예를 들어, 통신 시스템 상에서 송신단에서 전송한 데이터를 수신단에서 정확하게 예측하는 것을 목적으로 하는 경우, 비지도 학습 또는 강화 학습 보다는 지도 학습을 이용하여 학습을 수행하는 것이 바람직하다.
러닝 모델은 인간의 뇌에 해당하는 것으로서, 가장 기본적인 선형 모델을 생각할 수 있으나, 인공 신경망(artificial neural networks)와 같은 복잡성이 높은 신경망 구조를 러닝 모델로 사용하는 머신 러닝의 패러다임을 딥러닝(deep learning)이라 한다.
학습(learning) 방식으로 사용하는 신경망 코어(neural network cord)는 크게 심층 신경망(DNN, deep neural networks), 합성곱 신경망(CNN, convolutional deep neural networks), 순환 신경망(RNN, Recurrent Boltzmann Machine) 방식이 있다.
인공 신경망(artificial neural network)은 여러 개의 퍼셉트론을 연결한 예시이다.
도 3은 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 퍼셉트론의 구조를 예시한다.
도 3을 참조하면, 입력 벡터 x=(x1,x2,...,xd) 가 입력되면 각 성분에 가중치(W1,W2,...,Wd)를 곱하고, 그 결과를 모두 합산한 후, 활성함수
Figure PCTKR2020009057-appb-I000001
를 적용하는 전체 과정을 퍼셉트론(perceptron)이라 한다. 거대한 인공 신경망 구조는 도 3에 도시한 단순화된 퍼셉트론 구조를 확장하여 입력벡터를 서로 다른 다 차원의 퍼셉트론에 적용할 수도 있다. 설명의 편의를 위해 입력값 또는 출력값을 노드(node)라 칭한다.
한편, 도 3에 도시된 퍼셉트론 구조는 입력값, 출력값을 기준으로 총 3개의 층(layer)로 구성되는 것으로 설명할 수 있다. 1st layer와 2nd layer 사이에는 (d+1) 차원의 퍼셉트론 H개, 2nd layer와 3rd layer 사이에는 (H+1)차원 퍼셉트론이 K 개 존재하는 인공신경망을 도 4와 같이 표현할 수 있다.
도 4는 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 다층 퍼셉트론의 구조를 예시한다.
입력벡터가 위치하는 층을 입력층(input layer), 최종 출력값이 위치하는 층을 출력층(output layer), 입력층과 출력층 사이에 위치하는 모든 층을 은닉층(hidden layer)라 한다. 도 4의 예시는 3개의 층이 개시되나, 실제 인공신경망 층의 개수를 카운트할 때는 입력층을 제외하고 카운트하므로 총 2개의 층으로 볼 수 있다. 인공신경망은 기본 블록의 퍼셉트론을 2차원적으로 연결되어 구성된다.
전술한 입력층, 은닉층, 출력층은 다층 퍼셉트론 뿐 아니라 후술할 CNN, RNN 등 다양한 인공신경망 구조에서 공동적으로 적용될 수 있다. 은닉층의 개수가 많아질수록 인공신경망이 깊어진 것이며, 충분히 깊어진 인공신경망을 러닝모델로 사용하는 머신러닝 패러다임을 딥러닝(Deep Learning)이라 한다. 또한 딥러닝을 위해 사용하는 인공신경망을 심층 신경망(DNN: Deep neural network)라 한다.
도 5는 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 심층 신경망의 구조를 예시한다.
도 5에 도시된 심층 신경망은 은닉층+출력층이 8개로 구성된 다층 퍼셉트론이다. 상기 다층 퍼셉트론 구조를 완전 연결 신경망(fully-connected neural network)이라 표현한다. 완전 연결 신경망은 서로 같은 층에 위치하는 노드 간에는 연결 관계가 존재하지 않으며, 인접한 층에 위치한 노드들 간에만 연결 관계가 존재한다. DNN은 완전 연결 신경망 구조를 가지고 다수의 은닉층과 활성함수들의 조합으로 구성되어 입력과 출력 사이의 상관관계 특성을 파악하는데 유용하게 적용될 수 있다. 여기서 상관관계 특성은 입출력의 결합확률(joint probability)을 의미할 수 있다.
‘한편, 복수의 퍼셉트론을 서로 어떻게 연결하느냐에 따라 전술한 DNN과 다른 다양한 인공 신경망 구조를 형성할 수 있다.
DNN은 하나의 층 내부에 위치한 노드들이 1차원적의 세로 방향으로 배치되어 있다. 그러나, 도 6는 노드들이 2차원적으로 가로 w개, 세로 h개의 노드가 배치할 경우를 가정할 수 있다(도 6의 컨볼루션 신경망 구조). 이 경우, 하나의 입력노드에서 은닉층으로 이어지는 연결과정에서 연결 하나당 가중치가 부가되므로 총 hХw 개의 가중치를 고려해야한다. 입력층에 hХw 개의 노드가 존재하므로 인접한 두 층 사이에는 총 h2w2 개의 가중치가 필요하다.
도 6은 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 컨볼루션 신경망의 구조를 예시한다.
도 6의 컨볼루션 신경망은 연결개수에 따라 가중치의 개수가 기하급수적으로 증가하는 문제가 있어 인접한 층 간의 모든 모드의 연결을 고려하는 대신, 크기가 작은 필터(filter)가 존재하는 것으로 가정하여 도 7에서와 같이 필터가 겹치는 부분에 대해서는 가중합 및 활성함수 연산을 수행하도록 한다.
하나의 필터는 그 크기만큼의 개수에 해당하는 가중치를 가지며, 이미지 상의 어느 특정한 특징을 요인으로 추출하여 출력할 수 있도록 가중치의 학습이 이루어질 수 있다. 도 7에서는 3Х3 크기의 필터가 입력층의 가장 좌측 상단 3Х3 영역에 적용되고, 해당 노드에 대한 가중합 및 활성함수 연산을 수행한 결과 출력값을 z22에 저장한다.
상기 필터는 입력층을 스캔하면서 가로,세로 일정 간격 만큼 이동하면서 가중합 및 활성함수 연산을 수행하고 그 출력값을 현재 필터의 위치에 위치시킨다. 이러한 연산 방식은 컴퓨터 비전(computer vision) 분야에서 이미지에 대한 컨볼루션(convolution) 연산과 유사하여 이러한 구조의 심층 신경망을 컨볼루션 신경망(CNN: convolutional neural network)라 하고, 컨볼루션 연산 결과 생성되는 은닉층을 컨볼루션 층(convolutional layer)라 한다. 또한, 복수의 컨볼루션 층이 존재하는 신경망을 심층 컨볼루션 신경망(DCNN: Deep convolutional)이라 한다.
도 7은 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 컨볼루션 신경망에서의 필터 연산을 예시한다.
컨볼루션 층에서는 현재 필터가 위치한 노드에서, 상기 필터가 커버하는 영역에 위치한 노드만을 포괄하여 가중합을 계산함으로써, 가중치의 개수를 줄여줄 수 있다. 이로 인해, 하나의 필터가 로컬(local) 영역에 대한 특징에 집중하도록 이용될 수 있다. 이에 따라 CNN은 2차원 영역 상의 물리적 거리가 중요한 판단 기준이 되는 이미지 데이터 처리에 효과적으로 적용될 수 있다. 한편, CNN은 컨볼루션 층의 직전에 복수의 필터가 적용될 수 있으며, 각 필터의 컨볼루션 연산을 통해 복수의 출력 결과를 생성할 수도 있다.
한편, 데이터 속성에 따라 시퀀스(sequence) 특성이 중요한 데이터들이 있을 수 있다. 이러한 시퀀스 데이터들의 길이 가변성, 선후 관계를 고려하여 데이터 시퀀스 상의 원소를 매 시점(timestep) 마다 하나씩 입력하고, 특정 시점에 출력된 은닉층의 출력 벡터(은닉 벡터)를, 시퀀스 상의 바로 다음 원소와 함께 입력하는 방식을 인공 신경망에 적용한 구조를 순환 신경망 구조라 한다.
도 8은 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 순환 루프가 존재하는 신경망 구조를 예시한다.
도 8을 참조하면, 순환 신경망(RNN: recurrent neural netwok)은 데이터 시퀀스 상의 어느 시선 t의 원소 (x1(t), x2(t), ,..., xd(t))를 완전 연결 신경망에 입력하는 과정에서, 바로 이전 시점 t-1은 은닉 벡터 (z1(t-1), z2(t*?*1),..., zH(t*?*1))을 함께 입력하여 가중합 및 활성함수를 적용하는 구조이다. 이와 같이 은닉 벡터를 다음 시점으로 전달하는 이유는 앞선 시점들에서의 입력 벡터속 정보들이 현재 시점의 은닉 벡터에 누적된 것으로 간주하기 때문이다.
도 9는 본 명세서에서 제안하는 방법이 적용될 수 있는 순환 신경망의 동작 구조를 예시한다.
도 9를 참조하면, 순환 신경망은 입력되는 데이터 시퀀스에 대하여 소정의 시점 순서대로 동작한다.
시점 1에서의 입력 벡터 (x1(t), x2(t), ,..., xd(t))가 순환 신경망에 입력되었을 때의 은닉 벡터 (z1(1),z2(1),...,zH(1))가 시점 2의 입력 벡터 (x1(2),x2(2),...,xd(2))와 함께 입력되어 가중합 및 활성 함수를 통해 은닉층의 벡터 (z1(2),z2(2) ,...,zH(2))를 결정한다. 이러한 과정은 시점 2, 시점 3, ,,, 시점 T 까지 반복적으로 수행된다.
한편, 순환 신경망 내에서 복수의 은닉층이 배치될 경우, 이를 심층 순환 신경망(DRNN: Deep recurrent neural network)라 한다. 순환 신경망은 시퀀스 데이터(예를 들어, 자연어 처리(natural language processing)에 유용하게 적용되도록 설계되어 있다.
학습(learning) 방식으로 사용하는 신경망 코어로서 DNN, CNN, RNN 외에 제한 볼츠만 머신(RBM, Restricted Boltzmann Machine), 심층 신뢰 신경망(DBN, deep belief networks), 심층 Q-네트워크(Deep Q-Network)와 같은 다양한 딥 러닝 기법들을 포함하며, 컴퓨터비젼, 음성인식, 자연어처리, 음성/신호처리 등의 분야에 적용될 수 있다.
최근에는 AI를 무선 통신 시스템과 통합하려고 하는 시도들이 나타나고 있으나, 이는 application layer, network layer 특히, 딥러닝을 wireless resource management and allocation 분야에 집중되어 왔다. 그러나, 이러한 연구는 점점 MAC layer 와 Physical layer로 발전하고 있으며, 특히 물리계층에서 딥러닝을 무선 전송(wireless transmission)과 결합하고자 하는 시도들이 나타나고 있다. AI 기반의 물리계층 전송은, 근본적인 신호 처리 및 통신 메커니즘에 있어서, 전통적인 통신 프레임워크가 아니라 AI 드라이버에 기초한 신호 처리 및 통신 메커니즘을 적용하는 것을 의미한다. 예를 들어, 딥러닝 기반의 채널 코딩 및 디코딩(channel coding and decoding), 딥러닝 기반의 신호 추정(estimation) 및 검출(detection), 딥러닝 기반의 MIMO mechanism, AI 기반의 자원 스케줄링(scheduling) 및 할당(allocation) 등을 포함할 수 있다.
THz( Terahertz ) 통신
데이터 전송률은 대역폭을 늘려 높일 수 있다. 이것은 넓은 대역폭으로 sub-THz 통신을 사용하고, 진보된 대규모 MIMO 기술을 적용하여 수행될 수 있다. 밀리미터 이하의 방사선으로도 알려진 THz파는 일반적으로 0.03mm-3mm 범위의 해당 파장을 가진 0.1THz와 10THz 사이의 주파수 대역을 나타낸다. 100GHz-300GHz 대역 범위(Sub THz 대역)는 셀룰러 통신을 위한 THz 대역의 주요 부분으로 간주된다. Sub-THz 대역 mmWave 대역 에 추가하면 6G 셀룰러 통신 용량은 늘어난다.. 정의된 THz 대역 중 300GHz-3THz는 원적외선 (IR) 주파수 대역에 있다. 300GHz-3THz 대역은 광 대역의 일부이지만 광 대역의 경계에 있으며, RF 대역 바로 뒤에 있다. 따라서, 이 300 GHz-3 THz 대역은 RF와 유사성을 나타낸다.
THz 통신의 주요 특성은 (i) 매우 높은 데이터 전송률을 지원하기 위해 광범위하게 사용 가능한 대역폭, (ii) 고주파에서 발생하는 높은 경로 손실 (고 지향성 안테나는 필수 불가결)을 포함한다. 높은 지향성 안테나에서 생성된 좁은 빔 폭은 간섭을 줄인다. THz 신호의 작은 파장은 훨씬 더 많은 수의 안테나 소자가 이 대역에서 동작하는 장치 및 BS에 통합될 수 있게 한다. 이를 통해 범위 제한을 극복할 수 있는 고급 적응형 배열 기술을 사용할 수 있다.
광 무선 기술 (Optical wireless technology)
OWC 기술은 가능한 모든 장치-대-액세스 네트워크를 위한 RF 기반 통신 외에도 6G 통신을 위해 계획되었다. 이러한 네트워크는 네트워크-대-백홀/프론트홀 네트워크 연결에 접속한다. OWC 기술은 4G 통신 시스템 이후 이미 사용되고 있으나 6G 통신 시스템의 요구를 충족시키기 위해 더 널리 사용될 것이다. 광 충실도(light fidelity), 가시광 통신, 광 카메라 통신 및 광 대역에 기초한 FSO 통신과 같은 OWC 기술은 이미 잘 알려진 기술이다. 광 무선 기술 기반의 통신은 매우 높은 데이터 속도, 낮은 지연 시간 및 안전한 통신을 제공할 수 있다. LiDAR 또한 광 대역을 기반으로 6G 통신에서 초 고해상도 3D 매핑을 위해 이용될 수 있다.
FSO 백홀 네트워크
FSO 시스템의 송신기 및 수신기 특성은 광섬유 네트워크의 특성과 유사하다. 따라서, FSO 시스템의 데이터 전송은 광섬유 시스템과 비슷하다. 따라서, FSO는 광섬유 네트워크와 함께 6G 시스템에서 백홀 연결을 제공하는 좋은 기술이 될 수 있다. FSO를 사용하면, 10,000km 이상의 거리에서도 매우 장거리 통신이 가능하다. FSO는 바다, 우주, 수중, 고립된 섬과 같은 원격 및 비원격 지역을 위한 대용량 백홀 연결을 지원한다. FSO는 셀룰러 BS 연결도 지원한다.
대규모 MIMO 기술
스펙트럼 효율을 향상시키는 핵심 기술 중 하나는 MIMO 기술을 적용하는 것이다. MIMO 기술이 향상되면 스펙트럼 효율도 향상된다. 따라서, 6G 시스템에서 대규모 MIMO 기술이 중요할 것이다. MIMO 기술은 다중 경로를 이용하기 때문에 데이터 신호가 하나 이상의 경로로 전송될 수 있도록 다중화 기술 및 THz 대역에 적합한 빔 생성 및 운영 기술도 중요하게 고려되어야 한다.
블록 체인
블록 체인은 미래의 통신 시스템에서 대량의 데이터를 관리하는 중요한 기술이 될 것이다. 블록 체인은 분산 원장 기술의 한 형태로서, 분산 원장은 수많은 노드 또는 컴퓨팅 장치에 분산되어 있는 데이터베이스이다. 각 노드는 동일한 원장 사본을 복제하고 저장한다. 블록 체인은 P2P 네트워크로 관리된다. 중앙 집중식 기관이나 서버에서 관리하지 않고 존재할 수 있다. 블록 체인의 데이터는 함께 수집되어 블록으로 구성된다. 블록은 서로 연결되고 암호화를 사용하여 보호된다. 블록 체인은 본질적으로 향상된 상호 운용성(interoperability), 보안, 개인 정보 보호, 안정성 및 확장성을 통해 대규모 IoT를 완벽하게 보완한다. 따라서, 블록 체인 기술은 장치 간 상호 운용성, 대용량 데이터 추적성, 다른 IoT 시스템의 자율적 상호 작용 및 6G 통신 시스템의 대규모 연결 안정성과 같은 여러 기능을 제공한다.
3D 네트워킹
6G 시스템은 지상 및 공중 네트워크를 통합하여 수직 확장의 사용자 통신을 지원한다. 3D BS는 저궤도 위성 및 UAV를 통해 제공될 것이다. 고도 및 관련 자유도 측면에서 새로운 차원을 추가하면 3D 연결이 기존 2D 네트워크와 상당히 다르다.
양자 커뮤니케이션
6G 네트워크의 맥락에서 네트워크의 감독되지 않은 강화 학습이 유망하다. 지도 학습 방식은 6G에서 생성된 방대한 양의 데이터에 레이블을 지정할 수 없다. 비지도 학습에는 라벨링이 필요하지 않다. 따라서, 이 기술은 복잡한 네트워크의 표현을 자율적으로 구축하는 데 사용할 수 있다. 강화 학습과 비지도 학습을 결합하면 진정한 자율적인 방식으로 네트워크를 운영할 수 있다.
무인 항공기
UAV(Unmanned Aerial Vehicle) 또는 드론은 6G 무선 통신에서 중요한 요소가 될 것이다. 대부분의 경우, UAV 기술을 사용하여 고속 데이터 무선 연결이 제공된다. BS 엔티티는 셀룰러 연결을 제공하기 위해 UAV에 설치된다. UAV는 쉬운 배치, 강력한 가시선 링크 및 이동성이 제어되는 자유도와 같은 고정 BS 인프라에서 볼 수 없는 특정 기능을 가지고 있다. 천재 지변 등의 긴급 상황 동안, 지상 통신 인프라의 배치는 경제적으로 실현 가능하지 않으며, 때로는 휘발성 환경에서 서비스를 제공할 수 없다. UAV는 이러한 상황을 쉽게 처리할 수 *?*있다. UAV는 무선 통신 분야의 새로운 패러다임이 될 것이다. 이 기술은 eMBB, URLLC 및 mMTC 인 무선 네트워크의 세 가지 기본 요구 사항을 용이하게 한다. UAV는 또한, 네트워크 연결성 향상, 화재 감지, 재난 응급 서비스, 보안 및 감시, 오염 모니터링, 주차 모니터링, 사고 모니터링 등과 같은 여러 가지 목적을 지원할 수 있다. 따라서, UAV 기술은 6G 통신에 가장 중요한 기술 중 하나로 인식되고 있다.
셀- 프리 통신(Cell-free Communication)
여러 주파수와 이기종 통신 기술의 긴밀한 통합은 6G 시스템에서 매우 중요하다. 결과적으로, 사용자는 디바이스에서 어떤 수동 구성을 만들 필요 없이 네트워크에서 다른 네트워크로 원활하게 이동할 수 있다. 사용 가능한 통신 기술에서 최상의 네트워크가 자동으로 선택된다. 이것은 무선 통신에서 셀 개념의 한계를 깨뜨릴 것이다. 현재, 하나의 셀에서 다른 셀로의 사용자 이동은 고밀도 네트워크에서 너무 많은 핸드 오버를 야기하고, 핸드 오버 실패, 핸드 오버 지연, 데이터 손실 및 핑퐁 효과를 야기한다. 6G 셀-프리 통신은 이 모든 것을 극복하고 더 나은 QoS를 제공할 것이다. 셀-프리 통신은 멀티 커넥티비티 및 멀티-티어 하이브리드 기술과 장치의 서로 다른 이기종 라디오를 통해 달성될 것이다.
무선 정보 및 에너지 전송 통합
WIET은 무선 통신 시스템과 같이 동일한 필드와 웨이브(wave)를 사용한다. 특히, 센서와 스마트폰은 통신 중 무선 전력 전송을 사용하여 충전될 것이다. WIET은 배터리 충전 무선 시스템의 수명을 연장하기 위한 유망한 기술이다. 따라서, 배터리가 없는 장치는 6G 통신에서 지원될 것이다.
센싱과 커뮤니케이션의 통합
자율 무선 네트워크는 동적으로 변화하는 환경 상태를 지속적으로 감지하고 서로 다른 노드간에 정보를 교환할 수 있는 기능이다. 6G에서, 감지는 자율 시스템을 지원하기 위해 통신과 긴밀하게 통합될 것이다.
액세스 백홀 네트워크의 통합
6G에서 액세스 네트워크의 밀도는 엄청날 것이다. 각 액세스 네트워크는 광섬유와 FSO 네트워크와 같은 백홀 연결로 연결된다. 매우 많은 수의 액세스 네트워크들에 대처하기 위해, 액세스 및 백홀 네트워크 사이에 긴밀한 통합이 있을 것이다.
홀로그램 빔 포밍
빔 포밍은 특정 방향으로 무선 신호를 전송하기 위해 안테나 배열을 조정하는 신호 처리 절차이다. 스마트 안테나 또는 진보된 안테나 시스템의 하위 집합이다. 빔 포밍 기술은 높은 호 대잡음비, 간섭 방지 및 거부, 높은 네트워크 효율과 같은 몇 가지 장점이 있다. 홀로그램 빔 포밍 (HBF)은 소프트웨어-정의된 안테나를 사용하기 때문에 MIMO 시스템과 상당히 다른 새로운 빔 포밍 방법이다. HBF는 6G에서 다중 안테나 통신 장치에서 신호의 효율적이고 유연한 전송 및 수신을 위해 매우 효과적인 접근 방식이 될 것이다.
빅 데이터 분석
빅 데이터 분석은 다양한 대규모 데이터 세트 또는 빅 데이터를 분석하기 위한 복잡한 프로세스이다. 이 프로세스는 숨겨진 데이터, 알 수 없는 상관 관계 및 고객 성향과 같은 정보를 찾아 완벽한 데이터 관리를 보장한다. 빅 데이터는 비디오, 소셜 네트워크, 이미지 및 센서와 같은 다양한 소스에서 수집된다. 이 기술은 6G 시스템에서 방대한 데이터를 처리하는 데 널리 사용된다.
Large Intelligent Surface(LIS)
THz 대역 신호의 경우 직진성이 강하여 방해물로 인한 음영 지역이 많이 생길 수 있는데, 이러한 음영 지역 근처에 LIS 설치함으로써 통신 권역을 확대하고 통신 안정성 강화 및 추가적인 부가 서비스가 가능한 LIS 기술이 중요하게 된다. LIS는 전자기 물질(electromagnetic materials)로 만들어진 인공 표면(artificial surface)이고, 들어오는 무선파와 나가는 무선파의 전파(propagation)을 변경시킬 수 있다. LIS는 massive MIMO의 확장으로 보여질 수 있으나, massive MIMO와 서로 다른 array 구조 및 동작 메커니즘이 다르다. 또한, LIS는 수동 엘리먼트(passive elements)를 가진 재구성 가능한 리플렉터(reflector)로서 동작하는 점 즉, 활성(active) RF chain을 사용하지 않고 신호를 수동적으로만 반사(reflect)하는 점에서 낮은 전력 소비를 가지는 장점이 있다. 또한, LIS의 수동적인 리플렉터 각각은 입사되는 신호의 위상 편이를 독립적으로 조절해야 하기 때문에, 무선 통신 채널에 유리할 수 있다. LIS 컨트롤러를 통해 위상 편이를 적절히 조절함으로써, 반사된 신호는 수신된 신호 전력을 부스트(boost)하기 위해 타겟 수신기에서 모여질 수 있다.
테라헤르츠(THz) 무선통신 일반
THz 무선통신은 대략 0.1~10THz(1THz=1012Hz)의 진동수를 가지는 THz파를 이용하여 무선통신을 이용하는 것으로, 100GHz 이상의 매우 높은 캐리어 주파수를 사용하는 테라헤르츠(THz) 대역 무선통신을 의미할 수 있다. THz파는 RF(Radio Frequency)/밀리미터(mm)와 적외선 대역 사이에 위치하며, (i) 가시광/적외선에 비해 비금속/비분극성 물질을 잘 투과하며 RF/밀리미터파에 비해 파장이 짧아 높은 직진성을 가지며 빔 집속이 가능할 수 있다. 또한, THz파의 광자 에너지는 수 meV에 불과하기 때문에 인체에 무해한 특성이 있다. THz 무선통신에 이용될 것으로 기대되는 주파수 대역은 공기 중 분자 흡수에 의한 전파 손실이 작은 D-밴드(110GHz~170GHz) 혹은 H-밴드(220GHz~325GHz) 대역일 수 있다. THz 무선통신에 대한 표준화 논의는 3GPP 이외에도 IEEE 802.15 THz working group을 중심으로 논의되고 있으며, IEEE 802.15의 Task Group (TG3d, TG3e)에서 발행되는 표준문서는 본 명세서에서 설명되는 내용을 구체화하거나 보충할 수 있다. THz 무선통신은 무선 인식(wireless cognition), 센싱(sensing), 이미징(imaging), 무선 통신(wireless), THz 네비게이션(navigation) 등에 응용될 수 있다.
도 11은 THz 통신 응용의 일례를 나타낸 도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, THz 무선통신 시나리오는 매크로 네트워크(macro network), 마이크로 네트워크(micro network), 나노스케일 네트워크(nanoscale network)로 분류될 수 있다. 매크로 네트워크에서 THz 무선통신은 vehicle-to-vehicle 연결 및 backhaul/fronthaul 연결에 응용될 수 있다. 마이크로 네트워크에서 THz 무선통신은 인도어 스몰 셀(small cell), 데이터 센터에서 무선 연결과 같은 고정된 point-to-point 또는 multi-point 연결, 키오스크 다운로딩과 같은 근거리 통신(near-field communication)에 응용될 수 있다.
아래 표 2는 THz 파에서 이용될 수 있는 기술의 일례를 나타낸 표이다.
Figure PCTKR2020009057-appb-T000002
THz 무선통신은 THz 발생 및 수신을 위한 방법을 기준으로 분류할 수 있다. THz 발생 방법은 광 소자 또는 전자소자 기반 기술로 분류할 수 있다.
도 12는 전자소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 나타낸 도이다.
전자 소자를 이용하여 THz를 발생시키는 방법은 공명 터널링 다이오드(RTD: Resonant Tunneling Diode)와 같은 반도체 소자를 이용하는 방법, 국부 발진기와 체배기를 이용하는 방법, 화합물 반도체 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 기반의 집적회로를 이용한 MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) 방법, Si-CMOS 기반의 집적회로를 이용하는 방법 등이 있다. 도 12의 경우, 주파수를 높이기 위해 체배기(doubler, tripler, multiplier)가 적용되었고, 서브하모닉 믹서를 지나 안테나에 의해 방사된다. THz 대역은 높은 주파수를 형성하므로, 체배기가 필수적이다. 여기서, 체배기는 입력 대비 N배의 출력 주파수를 갖게 하는 회로이며, 원하는 하모닉 주파수에 정합시키고, 나머지 모든 주파수는 걸러낸다. 그리고, 도 12의 안테나에 배열 안테나 등이 적용되어 빔포밍이 구현될 수도 있다. 도 12에서, IF는 중간 주파수(intermediate frequency)를 나타내며, tripler, multipler는 체배기를 나타내며, PA 전력 증폭기(Power Amplifier)를 나타내며, LNA는 저잡음 증폭기(low noise amplifier), PLL은 위상동기회로(Phase-Locked Loop)를 나타낸다.
도 13은 광 소자 기반 THz 신호를 생성하는 방법의 일례를 나타낸 도이며, 도 14는 광 소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 나타낸 도이다.
광 소자 기반 THz 무선통신 기술은 광소자를 이용하여 THz 신호를 발생 및 변조하는 방법을 말한다. 광 소자 기반 THz 신호 생성 기술은 레이저와 광변조기 등을 이용하여 초고속 광신호를 생성하고, 이를 초고속 광검출기를 이용하여 THz 신호로 변환하는 기술이다. 이 기술은 전자 소자만을 이용하는 기술에 비해 주파수를 증가시키기가 용이하고, 높은 전력의 신호 생성이 가능하며, 넓은 주파수 대역에서 평탄한 응답 특성을 얻을 수 있다. 광소자 기반 THz 신호 생성을 위해서는 도 13에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드, 광대역 광변조기, 초고속 광검출기가 필요하다. 도 13의 경우, 파장이 다른 두 레이저의 빛 신호를 합파하여 레이저 간의 파장 차이에 해당하는 THz 신호를 생성하는 것이다. 도 13에서, 광 커플러(Optical Coupler)는 회로 또는 시스템 간의 전기적 절연과의 결합을 제공하기 위해 광파를 사용하여 전기신호를 전송하도록 하는 반도체 디바이스를 의미하며, UTC-PD(Uni-Travelling Carrier Photo-Detector)은 광 검출기의 하나로서, 능동 캐리어(active carrier)로 전자를 사용하며 밴드갭 그레이딩(Bandgap Grading)으로 전자의 이동 시간을 감소시킨 소자이다. UTC-PD는 150GHz 이상에서 광검출이 가능하다. 도 14에서, EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)는 어븀이 첨가된 광섬유 증폭기를 나타내며, PD(Photo Detector)는 광신호를 전기신호로 변환할 수 있는 반도체 디바이스를 나타내며, OSA는 각종 광통신 기능(광전 변환, 전광 변환 등)을 하나의 부품으로 모듈화시킨 광모듈(Optical Sub Aassembly)를 나타내며, DSO는 디지털 스토리지 오실로스코프(digital storage oscilloscope)를 나타낸다.
도 15 및 도 16을 참조하여 광전 변환기(또는 광전 컨버터)의 구조를 설명한다. 도 15는 광자 소스(Photoinc source) 기반 송신기의 구조를 예시하며, 도 16은 광 변조기(Optical modulator)의 구조를 예시한다.
일반적으로 레이저(Laser)의 광학 소스(Optical source)를 광파 가이드(Optical wave guide)를 통과시켜 신호의 위상(phase)등을 변화시킬 수 있다. 이때, 마이크로파 컨택트(Microwave contact) 등을 통해 전기적 특성을 변화시킴으로써 데이터를 싣게 된다. 따라서, 광학 변조기 출력(Optical modulator output)은 변조된(modulated) 형태의 파형으로 형성된다. 광전 변조기(O/E converter)는 비선형 크리스탈(nonlinear crystal)에 의한 광학 정류(optical rectification) 동작, 광전도 안테나(photoconductive antenna)에 의한 광전 변환(O/E conversion), 광속의 전자 다발(bunch of relativistic electrons)로부터의 방출(emission) 등에 따라 THz 펄스를 생성할 수 있다. 상기와 같은 방식으로 발생한 테라헤르츠 펄스(THz pulse)는 펨토 세컨드(femto second)부터 피코 세컨드(pico second)의 단위의 길이를 가질 수 있다. 광전 변환기(O/E converter)는 소자의 비선형성(non-linearity)을 이용하여, 하향 변환(Down conversion)을 수행한다.
테라헤르츠 스펙트럼의 용도(THz spectrum usage)를 고려할 때, 테라헤르츠 시스템을 위해서 고정된(fixed) 또는 모바일 서비스(mobile service) 용도로써 여러 개의 연속적인 기가헤르츠(contiguous GHz)의 대역들(bands)을 사용할 가능성이 높다. 아웃도어(outdoor) 시나리오 기준에 의하면, 1THz까지의 스펙트럼에서 산소 감쇠(Oxygen attenuation) 10^2 dB/km를 기준으로 가용 대역폭(Bandwidth)이 분류될 수 있다. 이에 따라 상기 가용 대역폭이 여러 개의 밴드 청크(band chunk)들로 구성되는 프레임워크(framework)가 고려될 수 있다. 상기 프레임워크의 일 예시로 하나의 캐리어(carrier)에 대해 테라헤르츠 펄스(THz pulse)의 길이를 50ps로 설정한다면, 대역폭(BW)은 약 20GHz가 된다.
적외선 대역(IR band)에서 테라헤르츠 대역(THz band)으로의 효과적인 하향 변환(Down conversion)은 광전 컨버터(O/E converter)의 비선형성(nonlinearity)을 어떻게 활용하는가에 달려 있다. 즉, 원하는 테라헤르츠 대역(THz band)으로 하향 변환(down conversion)하기 위해서는 해당 테라헤르츠 대역(THz band)에 옮기기에 가장 이상적인 비선형성(non-linearity)을 갖는 광전 변환기(O/E converter)의 설계가 요구된다. 만일 타겟으로 하는 주파수 대역에 맞지 않는 광전 변환기(O/E converter)를 사용하는 경우, 해당 펄스(pulse)의 크기(amplitude), 위상(phase)에 대하여 오류(error)가 발생할 가능성이 높다.
단일 캐리어(single carrier) 시스템에서는 광전 변환기 1개를 이용하여 테라헤르츠 송수신 시스템이 구현될 수 있다. 채널 환경에 따라 달라지지만 멀리 캐리어(Multi carrier) 시스템에서는 캐리어 수만큼 광전 변환기가 요구될 수 있다. 특히 전술한 스펙트럼 용도와 관련된 계획에 따라 여러 개의 광대역들을 이용하는 멀티 캐리어 시스템인 경우, 그 현상이 두드러지게 될 것이다. 이와 관련하여 상기 멀티 캐리어 시스템을 위한 프레임 구조가 고려될 수 있다. 광전 변환기를 기반으로 하향 주파수 변환된 신호는 특정 자원 영역(예: 특정 프레임)에서 전송될 수 있다. 상기 특정 자원 영역의 주파수 영역은 복수의 청크(chunk)들을 포함할 수 있다. 각 청크(chunk)는 적어도 하나의 컴포넌트 캐리어(CC)로 구성될 수 있다.
앞서 살핀 내용들은 후술할 본 명세서에서 제안하는 실시예들과 결합되어 적용될 수 있으며, 또는 본 명세서에서 제안하는 실시예들의 기술적 특징을 명확하게 하는데 보충될 수 있다. 이하 설명되는 실시예들은 설명의 편의를 위하여 구분된 것일 뿐, 어느 한 실시예의 일부 구성이 다른 실시예의 일부 구성과 치환되거나, 상호 간에 결합되어 적용될 수 있음은 물론이다.
이동통신에서 신호 도달거리를 높이고, 원하는 방향으로 강한 신호를 보내기 위해 빔포밍이 사용된다. 빔포밍 구현을 위해서는 배열 안테나의 각 안테나마다 위상 천이기(phase shifter)를 연결해야 한다. 하지만 이동통신 주파수가 높아짐에 따라 안테나의 크기는 작아지는 반면 안테나에 연결되는 위상 천이기(phase shifter)의 크기는 작아지지 못해 문제가 발생한다. 본 명세서에서는 위상 천이기(phase shifter) 를 사용하지 않고 안테나의 방사 패턴을 조정하여 빔포밍하는 방식을 제안하려 한다.
먼저, 빔포밍과 관련된 종래기술 및 테라헤르츠 대역에서의 빔포밍과 관련된 문제점을 살펴본다.
이동통신에서 요구되는 전송 데이터 용량이 증가함에 따라 이동통신 주파수는 점점 높아지고 있다. 이에 따라 안테나의 크기는 작아지고 신호의 도달거리도 짧아진다. 또한 주파수가 높아짐에 따라 소자의 한계로 인해 신호 출력이 감소하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 여러 개의 안테나를 사용하여 특정 방향으로 강한 신호를 보내는 빔포밍 기술이 연구되고 있다. 빔포밍은 배열로 구성된 여러 개의 안테나에 들어가는 신호의 위상들을 조정하여 신호가 특정 방향으로 보강 간섭이 되도록 하여 해당 방향으로 강한 신호를 보내는 기법이다. 빔포밍을 구현하기 위해서는 위상 천이기(phase shifter)를 배열 안테나의 각 안테나마다 연결해야 한다.
6G 이동통신용 주파수로 THz 대역이 논의되고 있다. THz 대역은 100 GHz ~ 10 THz 주파수를 의미한다. THz 대역은 파장이 매우 짧아서 채널의 경로 손실(path loss)이 매우 크다. 또한 신호의 출력이 매우 작기 때문에 이동통신에서 요구되는 신호 도달 거리를 지원하기 위해서는 배열 안테나를 이용한 빔포밍이 필수적이다. 하지만 THz 대역은 안테나 크기 대비 위상 천이기(phase shifter)의 크기가 커서 배열 안테나로 구성하기에 어려움이 있다.
또한 THz 대역은 매우 작은 크기의 안테나를 거대 배열(massive array)로 구성하여 매우 큰 빔 이득을 얻어야 한다. 이 때 많은 수의 안테나 각각에 위상 천이기(phase shifter)를 연결한다면 전력소모가 매우 커지고 발열 문제가 발생할 것이며, 위상 천이기(phase shifter)의 insertion loss로 인해 전력손실이 발생할 것이다. 따라서 THz 대역에서는 위상 천이기(phase shifter)를 사용하여 빔포밍 시스템을 구성하기에 어려움이 있다.
따라서 위상 천이기(phase shifter)를 사용하지 않는 빔포밍 방식이 요구된다.
기존에도 위상 천이기(phase shifter)를 사용하지 않고 신호를 특정 방향으로 강하게 보내는 기술이 존재한다. 패턴 재구성 가능 안테나(Pattern reconfigurable antenna)는 방사 패턴을 여러 가지로 조정할 수 있는 안테나이다. Pattern reconfigurability을 얻는 방법은 여러 가지가 있는데, 1) 기생 요소(parasitic element)를 스위치(switch)를 통해 선택하는 방법 2) 기생 요소(parasitic element)에 reactively loaded element를 연결하여 조절하는 ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) 방식이 있다.
하지만 기생 요소 스위칭(parasitic element switching)을 이용한 방법과 ESPAR 방식은 모두 메인 안테나(main antenna) 주변에 다수의 기생 안테나(parasitic antenna)를 배치해야 한다. 따라서 상기 2가지 방법의 경우, 단위 안테나의 부피가 커지므로 배열 확장이 불가능하다. 또한 기존의 패턴 재구성가능 안테나(pattern reconfigurable antenna)의 경우 기생 요소(parasitic element)의 수에 따라 바꿀 수 있는 방사 방향의 수가 제한된다는 한계가 있다.
본 명세서에서는 안테나 방사 패턴의 위상을 활용하여 해결책을 제시하려 한다.
안테나의 방사 패턴은 다음과 같이 설명할 수 있다. 안테나에서 방사된 전기장(Electric field)는 모든 각도로 나아간다. 여기서 각도는 수직방향 각도(elevation angle)
Figure PCTKR2020009057-appb-I000002
와 수평방향 각도(azimuth angle)
Figure PCTKR2020009057-appb-I000003
를 의미한다.
E-field의 각도(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000004
,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000005
)는
Figure PCTKR2020009057-appb-I000006
가 0°~180°의 범위를 가지고,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000007
가 -180°~180°의 범위를 갖는다. 해당 각도(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000008
,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000009
)마다 안테나에서 방사된 E-field가 존재한다. E-field는 수직방향(vertical polarization) 및 수평방향(horizontal polarization) 요소를 가진다. 따라서 모든 각도 (
Figure PCTKR2020009057-appb-I000010
,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000011
) 별로
Figure PCTKR2020009057-appb-I000012
와
Figure PCTKR2020009057-appb-I000013
가 존재한다.
안테나에서 방사된 E-field는 각도마다, 그리고 수직 편파(vertical polarization) 및 수평 편파(horizontal polarization)마다 서로 다른 위상을 갖는다. 모든 각도(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000014
,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000015
)의 방사 패턴은 상대적인 위상 정보
Figure PCTKR2020009057-appb-I000016
와
Figure PCTKR2020009057-appb-I000017
를 포함한다. 따라서 안테나의 방사 패턴은 다음과 같이 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020009057-appb-M000001
안테나에서 방사된 E-field는 각도에 따라 다르다. 각도(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000018
,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000019
)마다 안테나에서 방사된 E-field의 크기를 반지름
Figure PCTKR2020009057-appb-I000020
로 표현한 것이 방사 패턴이다. 안테나의 방사 패턴은 일반적으로 각도와 반지름을 축으로 하는 극좌표(polar plot) 형태로 표현된다. 이하 도 17을 참조하여 안테나의 방사패턴과 관련된 사항을 구체적으로 설명한다.
도 17은 안테나의 방사패턴을 예시한다.
구체적으로 도 17(a)는 안테나의 2D 방사패턴이고, 도 17(b)는 안테나의 3D 방사패턴이다. 도 17(a) 및 도 17(b)를 참조하면, 안테나의 방사패턴을 통해 안테나의 방사 방향 및 최대 이득(peak gain), 3dB 빔 폭(3dB beam width)에 대한 정보를 얻을 수 있다. 또한 안테나의 방사패턴으로부터, 모든 방향(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000021
,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000022
)에 대한 수직 편파 및 수평 편파 위상 정보
Figure PCTKR2020009057-appb-I000023
와
Figure PCTKR2020009057-appb-I000024
를 얻을 수 있다.
이하 본 명세서에서 후술하는 실시예와 종래기술과의 차이점을 간략히 요약하여 설명한다.
본 명세서에서는 피딩 포인트(feeding point)의 위치와 피딩 포인트(feeding point)에 연결된 리액턴스(reactance)의 값을 변경하여 다양한 방사패턴을 생성할 수 있는 안테나 구조를 제안한다. 안테나의 방사 방향 및 방사 패턴의 위상은 다음과 같이 조절될 수 있다. 상기 안테나의 스위치(switch)를 이용하여 안테나의 다수 피딩 포인트(feeding point) 중 일부를 선택하거나, 선택된 피딩 포인트(feeding point) 중 일부에 연결된 가변 리액턴스 소자(variable reactance element)의 값을 변경함으로써 상기 방사 방향 및 방사 패턴의 위상이 조절될 수 있다.
본 실시예에 따른 안테나는 기존의 기생 요소(parasitic element)를 사용하는 패턴 재구성 가능 안테나(pattern reconfigurable antenna)와 달리 다수 피딩 포인트(feeding point) 중 선택한 피딩 포인트(feeding point)의 조합 및 리액턴스(reactance) 값 조정을 통해 방사 패턴을 생성한다는 점에서 차이가 있다. 즉, 기존 방식에 따라 위상 천이기(phase shifter)를 기반으로 빔포밍을 수행하는 경우에 비해 전력이 절감되고, 발열 문제가 방지될 수 있다.
또한 본 명세서에서는 상기 안테나를 이용한 빔포밍 방식을 제안한다. 위상 천이기(phase shifter)가 사용되지 않으므로 피딩 포인트의 선택과 리액턴스의 값 조정을 통해 빔포밍을 수행하기 위해서는 이를 활용하기 위한 안테나 패턴이 구체적으로 정의될 필요가 있다.
구체적으로 이하 본 명세서에서는 스위치(Switch)와 가변 리액턴스 소자(variable reactance device)를 사용하여 다양한 방사 방향 및 위상 특성을 갖는 안테나 패턴을 생성하고 다양한 패턴의 조합을 이용하여 빔포밍을 수행하는 방법을 제안한다. 빔포밍 타겟 방향(beam forming target direction)과 같은 방향으로 최대 이득(peak gain)을 갖는 안테나 패턴으로 배열 안테나를 구성하여 타겟 방향(target direction)으로 최대의 빔 이득(gain)을 얻을 수 있다.
상술한 종래기술과의 차이점에 따라 본 명세서의 실시예에 따른 안테나 및 이를 이용한 빔포밍 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
종래의 패턴 재구성가능 안테나(pattern reconfigurable antenna)와 달리, 본 명세서의 실시예에 따른 안테나는 방사 소자(radiating element)에 기생 안테나(parasitic antenna)나 그 밖의 구성을 추가하지 않고서도 하나의 안테나에서 pattern reconfigurability를 얻을 수 있다(즉, 하나의 안테나에서 패턴 재구성이 가능). 따라서 안테나의 부피가 감소하고 이에 따라 배열 확장이 용이하게 된다.
또한 기존 패턴 재구성가능 안테나(pattern reconfigurable antenna)와 달리 생성할 수 있는 방사 패턴의 수가 제한적이지 않고 피딩 포인트(feeding point)의 조합, 가변 리액턴스(variable reactance) 값 조정을 통해 다양한 방향과 위상을 가지는 방사 패턴을 생성할 수 있다.
또한 위상 천이기(phase shifter)를 사용하지 않고 방사 패턴의 위상 및 방사 방향을 바꿀 수 있는 안테나에 기반하여 빔포밍이 수행될 수 있다. 구체적으로 종래의 빔포밍과 달리 단위 안테나마다 다수의 피딩 포인트(feeding point) 중 일부를 선택하고 가변 리액턴스(variable reactance) 값을 조절함으로써 안테나 방사패턴의 위상을 변경될 수 있다. 이에 따라 빔포밍을 수행함에 있어, 소모 전력이 감소하고 신호 손실 또한 최소화된다. 또한 타겟 방향(target direction)으로 최대 이득(peak gain)을 가지는 안테나 패턴이 활용됨으로써 기존 빔포밍의 빔 틸팅(beam tilting)시 빔 이득이 줄어드는 현상이 개선될 수 있다.
이하에서는 본 명세서의 실시예에 따른 안테나 패턴과 관련된 사항을 구체적으로 살펴본다.
안테나의 방사 패턴은 안테나의 구조 및 안테나에 흐르는 전류 분포에 따라 달라진다. 안테나의 전류 밀도를 J라고 할 때 안테나의 방사 패턴 F는 다음 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2020009057-appb-M000002
상기 수학식 2에서 k는 파수(wavenumber)로서
Figure PCTKR2020009057-appb-I000025
이고,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000026
는 각속도이고
Figure PCTKR2020009057-appb-I000027
는 빛의 속도이며,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000028
는 자유공간의 임피던스(impedance of free space)로서
Figure PCTKR2020009057-appb-I000029
이며,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000030
는 진공에서의 투자율이고,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000031
는 진공에서의 유전율이며,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000032
은
Figure PCTKR2020009057-appb-I000033
에서의 위치 벡터(position vector in
Figure PCTKR2020009057-appb-I000034
)이고,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000035
는 단위 방향 벡터(unit direction vector)로서
Figure PCTKR2020009057-appb-I000036
이다.
안테나에 신호를 인가해 주는 지점을 피딩 포인트(feeding point)라 한다. 피딩 포인트(feeding point)의 위치에 따라 안테나에 흐르는 전류 분포가 달라지고 이에 따라 안테나의 방사 패턴도 달라지게 된다. 복수의 피딩 포인트(feeding point)들을 가지는 안테나에서 하나 이상의 피딩 포인트(feeding point)를 선택함으로써 안테나의 방사 패턴을 변화시킬 수 있다(즉, pattern reconfigurability를 얻을 수 있다).
일 실시예에 의하면, 상기 복수의 피딩 포인트들은 적어도 하나의 타입1 피딩 포인트(type1 feeding point)와 적어도 하나의 타입2 피딩 포인트(type2 feeding point)를 포함할 수 있다. 이하 상기 타입1 피딩 포인트와 상기 타입2 피딩 포인트의 구성과 관련된 사항을 살펴본다.
1) 타입1 피딩 포인트(Type1 feeding point) 구성
타입1 피딩 포인트(Type1 feeding point)는 입력 임피던스(input impedance)가 50 옴(Ohm)이 되어 안테나를 동작하도록 하는 피딩 포인트(feeding point)이다. 50 옴(ohm)은 마이크로파 공학(microwave engineering)에 있어서 임피던스 매칭과 관련된 기준점이 되는 수치이다. 전자파 에너지의 전력 전송(Power transfer) 특성이 가장 좋은 임피던스는 약 33 옴, 신호파형의 왜곡(distortion)이 가장 작은 임피던스는 약 75 옴이다. 해당 값들의 중간 정도가 약 49옴인데, 계산의 편의를 위해 50옴이 사용된다. 즉, 입력 임피던스를 50옴으로 매칭함으로써 신호의 반사가 최소화될 수 있다. 이하 타입1 피딩 포인트의 위치와 관련하여 도 18 및 도 19를 참조하여 설명한다.
도 18은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나와 피딩 포인트의 위치 이동을 예시하는 도면이다. 도 18(a)를 참조하면, 안테나는 원형 패치(circular patch) 형태이며, 도 18(b)를 참조하면 안테나의 피딩 포인트는 가장자리에서 가운데로 이동한다.
도 19는 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나의 피딩 포인트 위치에 따른 입력 임피던스와 반사 계수를 도시한 그래프이다.
도 19(a)는 도 18(b)에 따라 안테나의 피딩 포인트를 이동시켰을 때의 입력 임피던스의 값을 나타내는 그래프이다. 도 19(b)는 도 18(b)에 따라 안테나의 피딩 포인트를 이동시켰을 때의 반사 계수(S1,1)의 값을 나타내는 그래프이다.
도 19(a)를 참조하면, 안테나 방사판의 가장자리 영역으로 갈수록 입력 임피던스(input impedance)의 실수부가 50에 가까워지고, 허수부는 0에 가까워진다. 도 19(b)를 참조하면, 안테나 방사판의 가장자리 영역에서는 반사계수가 -10dB 이하로 관찰되어 안테나가 잘 동작한다는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 50옴 매칭(50 Ohm matching)을 만족하는 피딩 포인트(feeding point)의 위치를 이하 도 20을 참조하여 설명한다.
도 20은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나의 피딩 포인트가 위치하는 영역을 예시하는 도면이다. 도 20(a)는 사각 패치(rectangular patch) 안테나의 타입1 피딩 포인트와 타입2 피딩 포인트가 위치하는 영역(Type1/Type2 region)을 예시하고, 도 20(b)는 원형 패치(circular patch) 안테나의 타입1 피딩 포인트와 타입2 피딩 포인트가 위치하는 영역(Type1/Type2 region)을 예시한다.
도 20(a) 및 도 20(b)를 참조하면, 평면 안테나의 타입1 피딩 포인트는 해당 평면 안테나의 가장자리(edge)로부터 평면 안테나의 길이의 1/3 까지의 영역에 위치할 수 있다(Type1 region). 타입2 피딩 포인트는 방사 소자(Radiating element)내에서 상기 Type1 region외의 영역에 위치할 수 있다(Type2 region).
도 20(a)의 경우, 안테나의 가장자리(edge)로부터 반대편 가장자리(edge)까지의 거리의 1/3(W/3 및 L/3)에 기반하여 형성되는 영역(Type1 region)에 타입1 피딩 포인트가 위치할 수 있다. 여기서 상기 가장자리는 안테나의 형상에 따른 일 면을 의미하고, 상기 반대편 가장자리는 상기 일 면의 반대편인 타 면을 의미할 수 있다. 이에 따라, 상기 반대편 가장자리까지의 거리는 안테나의 형상(직사각형)에 따른 가로(W) 또는 세로(L)의 길이를 의미할 수 있다.
도 20(b)의 경우, 안테나의 가장자리(edge)로부터 반대편 가장자리(edge)까지의 거리의 1/3(r/3)에 기반하여 형성되는 영역(Type1 region)에 타입1 피딩 포인트가 위치할 수 있다. 여기서 상기 가장자리는 안테나의 형상에 따른 한 점을 의미하고, 상기 반대편 가장자리는 상기 안테나의 중심을 기준으로 반대편 점을 의미할 수 있다. 이에 따라 상기 반대편 가장자리까지의 거리는 안테나의 형상(원)에 따른 지름(r)을 의미할 수 있다. 이하 타입1 피딩 포인트의 구성을 도 21 및 도 22을 참조하여 설명한다.
도 21 및 도 22는 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나의 타입1 피딩 포인트 구성을 예시한다. 도 21은 사각 패치 안테나의 타입1 피딩 포인트의 구성을 예시하고, 도 22는 원형 패치 안테나의 타입1 피딩 포인트의 구성을 예시한다.
수직 편파(v-pol) 및 수평 편파(h-pol)에 대해 타입1 피딩 포인트(Type1 feeding point)가 각각 2개씩 총 4개의 타입1 피딩 포인트(21210, 22210)가 구성될 수 있다. 복수의 타입1 피딩 포인트(Type1 feeding point)들 중 어느 하나를 스위치(switch)를 통해 선택하면 안테나의 방사 방향은 브로드사이드(broadside,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000037
)로 고정하면서, 방사패턴의 수직 편파 위상
Figure PCTKR2020009057-appb-I000038
또는 수평 편파 위상
Figure PCTKR2020009057-appb-I000039
이 180° 차이가 나는 패턴이 생성될 수 있다. 여기서 스위치(switch)는 핀 다이오드(PIN diode)와 같이 신호의 on/off를 조절할 수 있는 소자를 모두 포함할 수 있다.
2) 타입2 피딩 포인트(Type2 feeding point) 구성
안테나의 방사판(radiating plate)은 상기 방사판 내의 위치에 따라서 전류의 크기와 전압의 크기가 다르므로 임피던스(impedance) 값도 달라진다. 따라서 안테나의 방사판에 피딩 포인트(feeding point)를 추가한다면 해당 위치에 상응하는 임피던스(impedance)를 연결하는 것과 비슷한 효과를 가진다. 여기서 임피던스(impedance)란 저항성 구성(resistive component)뿐 아니라 용량성(capacitive) 또는 유도성(inductive)의 특성을 가지는 리액티브 구성(reactive component)을 모두 포함한다. 즉, 50 옴 매칭(50 Ohm matching)과 관계없이 추가적인 피딩 포인트(feeding point)를 통해 안테나에 리액턴스(reactance)를 연결한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
상기와 같이 안테나의 리액턴스(reactance) 특성을 변화시킬 수 있는 추가적인 피딩 포인트(feeding point)를 타입2 피딩 포인트(Type2 feeding point)로 정의한다.
본 명세서에서 타입1 피딩 포인트와 타입2 피딩 포인트는 서로 다른 피딩 포인트를 구분하여 지칭하기 위한 것으로서 해당 용어를 통해 기술적 범위를 한정하고자 사용되는 것은 아니다. 일 예로, 타입1 피딩 포인트는 제1 피딩 포인트(first feeding point)로 지칭될 수 있고, 타입2 피딩 포인트는 제2 피딩 포인트(second feeding point)로 지칭될 수 있다.
이하 도 23 및 도 24를 참조하여, 피딩 포인트의 선택과 관련된 동작을 구체적으로 설명한다.
도 23 및 도 24는 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나의 타입 1 피딩 포인트 및 타입 2 피딩 포인트 구성을 예시한다. 도 23은 사각 패치(rectangular patch) 안테나의 피딩 포인트 선택을 예시하고, 도 24는 원형 패치(circular patch) 안테나의 피딩 포인트 선택을 예시한다.
상기 1)의 타입1 피딩 포인트(Type1 feeding point) 구성을 갖는 안테나에 1개 이상의 타입2 피딩 포인트(Type2 feeding point)를 다양한 위치에 배치함으로써 해당 안테나의 방사패턴에 변화를 줄 수 있다. 구체적으로 타입2 피딩 포인트를 추가함으로써 해당 안테나의 방사 방향
Figure PCTKR2020009057-appb-I000040
및 방사패턴의 위상
Figure PCTKR2020009057-appb-I000041
와
Figure PCTKR2020009057-appb-I000042
을 변경할 수 있다.
구체적으로 상기 안테나에 구비된 스위치(switch)를 통해 복수의 타입1 피딩 포인트(Type1 feeding point)들(23210, 24210) 중 적어도 하나가 선택되고, 복수의 타입2 피딩 포인트(Type2 feeding point)들(23220, 24220) 중 적어도 하나가 선택될 수 있다. 상기와 같은 동작을 통해 하나의 안테나 구조가 다양한 방사 방향
Figure PCTKR2020009057-appb-I000043
및 위상
Figure PCTKR2020009057-appb-I000044
와
Figure PCTKR2020009057-appb-I000045
를 가지는 방사패턴을 생성할 수 있다. 이하 타입2 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자와 관련된 사항을 도 25 및 도 26을 참조하여 설명한다.
3) 타입2 피딩 포인트(Type2 feeding point)에 가변 리액턴스(variable reactance) 추가
도 25 및 도 26은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나의 피딩 포인트 및 가변 리액턴소 소자의 구성을 예시한다. 도 25는 사각 패치(rectangular patch) 안테나에 있어서, 타입2 피딩 포인트에 추가되는 가변 리액턴스 소자를 예시하고, 도 26은 원형 패치(circular patch) 안테나에 있어서, 타입2 피딩 포인트에 추가되는 가변 리액턴스 소자를 예시한다.
상기 도 25 및 도 26을 참조하면, 상기 2)에서 추가한 타입2 피딩 포인트(Type2 feeding point)의 끝단과 안테나의 방사 소자(radiating element) 사이에 값을 바꿀 수 있는 가변 리액턴스(variable reactance) 소자가 삽입될 수 있다. 상기와 같은 가변 리액턴스 소자의 추가는 안테나의 방사 방향
Figure PCTKR2020009057-appb-I000046
및 방사패턴의 위상
Figure PCTKR2020009057-appb-I000047
와
Figure PCTKR2020009057-appb-I000048
를 추가적으로 변화시킬 수 있다.
여기서 가변 리액턴스(variable reactance) 소자는 칩 인덕터(chip inductor), 칩 커패시터(chip capacitor) 또는 버랙터 다이오드(varactor diode) 등 등가적으로 리액턴스(reactance)를 변화시킬 수 있는 모든 소자를 의미할 수 있다.
구체적으로 상기 안테나에 구비된 스위치(switch)를 통해 복수의 타입1 피딩 포인트(Type1 feeding point)들 중 적어도 하나가 선택되고, 복수의 타입2 피딩 포인트(Type2 feeding point)들(25220,26220) 중 적어도 하나가 선택될 수 있다. 이 때, 상기 선택된 타입2 피딩 포인트(Type2 feeding point)에 연결된 가변 리액턴스(variable reactance) 소자의 값을 조정함으로써 추가적으로 방사 패턴의 방사 방향
Figure PCTKR2020009057-appb-I000049
및 위상(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000050
와
Figure PCTKR2020009057-appb-I000051
)이 변경될 수 있다.
이하 도 27을 참조하여, 가변 리액턴스 소자를 포함하는 안테나의 구성을 설명한다.
도 27은 본 명세서의 일 실시예에 따른 가변 리액턴스를 포함하는 안테나의 구조를 예시한다.
도 27을 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나는 방사 소자(radiating element)(27100), 복수의 피딩 포인트들(27200), 가변 리액턴스 소자(variable reactance element)(27400), 피딩 라인(feeding line)(27500), 접지면(ground plane)(27600)을 포함할 수 있다. 또한 도 27에 도시된 것은 아니나 상기 안테나는 스위치(switch)를 포함할 수 있으며 해당 구성은 후술한다.
방사 소자(radiating element)(27100)는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 도 27의 경우, 원형의 판(circular plate)으로 구현된 방사 소자(27100)를 예시한다.
복수의 피딩 포인트들(27200)은 적어도 하나의 타입1 피딩 포인트(27210)와 적어도 하나의 타입2 피딩 포인트(27220)를 포함할 수 있다. 도 27에서는 하나의 타입1 피딩 포인트(27210)와 2개의 타입2 피딩 포인트(27220)가 배치된 안테나를 예시한다.
가변 리액턴스 소자(variable reactance element)(27400)는 타입2 피딩 포인트(27220)와 연결된다.
피딩 라인(27500)은 방사 소자(27100)에 신호를 인가하며, 피딩 포인트(27210, 27220)를 통해 방사 소자(27100)와 연결된다.
이하 도 28에서는 가변 리액턴스 소자의 값을 변경함에 따른 방사패턴의 위상(수평 편파 성분)을 살펴본다.
도 28은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나에 있어서, 가변 리액턴스 값 변화에 따른 안테나 패턴의 위상 변화를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로 도 28(a) 및 도 28(b)는 동일한 피딩 포인트(feeding point) 구성에서 타입2 피딩 포인트(Type2 feeding point)에 인가해주는 리액턴스(reactance) 값에 따른 방사패턴의
Figure PCTKR2020009057-appb-I000052
방향 수평 편파 위상을 나타낸다.
도 28(a) 및 도 28(b)에서, 안테나 구성은 1개의 타입1 피딩 포인트(28210)와 2개의 타입2 피딩 포인트(28220)로 동일하다. 다만, 각 안테나의 타입1 피딩 포인트(28210)가 배치된 위치가 다르다. 도 28(a)의 안테나는 타입1 피딩 포인트(28210)가 좌측에 배치되고, 도 28(b)의 의 안테나는 타입1 피딩 포인트(28210)가 우측에 배치되었다.
상기와 같은 배치에 따라, 도 28(a)의 안테나와 도 28(b)의 안테나는 방사패턴의 수평 편파 위상(horizaontal polarization phase)에 있어서 약 180도의 차이가 있다. 즉, 2개의 타입2 피딩 포인트(28220)에 각각 연결되는 가변 리액턴스 소자의 값들이 각각 X1=10, X2=10인 경우로 예를 들어 이하 설명한다. 상단 테이블의 경우 방사패턴의 수평 편파 위상은 41.95도이고, 하단 테이블의 경우 방사패턴의 수평 편파 위상은 220.42도이다.
2개의 타입2 피딩 포인트(Type2 feeding point)에 각각 연결되는 가변 리액턴스 소자에는 동일한 리액턴스(reactance) 값이 인가될 수도 있고, 서로 다른 리액턴스(reactance) 값이 인가될 수도 있다.
안테나 패턴 데이터베이스(antenna pattern database)를 구성할 때 다양한 방사 방향 및 다양한 위상 특성을 얻기 위해서는 다양한 리액턴스 값이 인가되어야 한다.
일 실시예에 의하면, 유의미한 특성 변화를 얻기 위해(즉 빔포밍을 위해 방사패턴의 편파 위상을 효과적으로 조절하기 위해) 리액턴스 소자의 값은 이전 값의 10배(또는 1/10배)가 되도록 조절될 수 있다. 도 28의 X1을 예로 들면, 해당 리액턴스(X1)의 조절 전 값이 100이라 하였을 때, 해당 값의 10배인 1000으로 조절될 수 있다.
상술한 1) 내지 3)과 같이 다양한 방사 방향 및 방향별 위상을 가지는 패턴 안테나는 타입1 피딩 포인트, 타입2 피딩 포인트 및 타입2 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자를 포함할 수 있다. 또한 상기 안테나로부터 다양한 방사패턴을 생성하기 위한 방법은 다음 a) 내지 c) 중 적어도 하나에 기반할 수 있다.
a) 타입1 피딩 포인트의 선택
b) 타입2 피딩 포인트의 선택
c) 타입2 피딩 포인트에 연결된 가변 리액턴스 소자의 값 조절
이하 도 29를 참조하여, 상기 a) 내지 c)에 따른 방사패턴의 변화를 설명한다.
도 29은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나에 있어서, 피딩 포인트의 선택에 따른 빔의 변화를 나타낸 도면이다.
도 29(a) 내지 도 29(c)는 상술한 a) 내지 c)와 각각 대응된다. 구체적으로 도 29(a)에서 1개의 타입1 피딩 포인트(29210)가 선택되고, 도 29(b)에서는 2개의 타입2 피딩 포인트(29220)들이 추가로 선택되며, 도 29(c)에서는 상기 타입2 피딩 포인트(29220)들에 연결된 가변 리액턴스 소자 각각에 리액턴스 값(Xc1, Xc2)이 인가된다.
도 29(a) 내지 도 29(c)는 상기 피딩 포인트의 선택과 리액턴스 값에 따른 방사패턴, 방사 방향 및 broadside 방향
Figure PCTKR2020009057-appb-I000053
의 편파 위상 변화를 나타낸다.
상술한 바와 같이 복수의 피딩 포인트들 중에서 적어도 하나 이상의 피딩 포인트가 선택됨으로써 안테나는 다양한 방사패턴이 생성할 수 있다. 이와 관련, 상기 안테나에 포함되는 복수의 피딩 포인트들의 구성을 도 30을 참조하여 설명한다.
도 30은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나에 있어서, 다양한 피딩 포인트 구성을 예시한다.
도 30을 참조하면, 방사 패턴의 위상 및 방사 방향을 바꿀 수 있는 안테나의 피딩 포인트(feeding point) 구성은 대칭 구조 또는 비대칭 구조가 모두 가능하다. 일 예로, 타입1 피딩 포인트(30210)는 상,하,좌,우의 위치 중 적어도 하나의 위치에 배치될 수 있고, 타입2 피딩 포인트(30220)는 상기 타입1 피딩 포인트보다 안쪽의 영역에 하나 이상 배치될 수 있다.
이하 스위치를 포함하는 안테나의 구조를 도 31을 참조하여 설명한다.
도 31은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나를 예시한다.
도 31을 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나는 방사 소자 (31100), 복수의 피딩 포인트들(31200), 스위치(31300), 가변 리액턴스 소자(31400), 피딩 라인(31500) 및 접지면(31600)을 포함할 수 있다.
복수의 피딩 포인트들(31200)에는 방사 소자(31100)에 신호를 인가하기 위한 피딩 라인(feeding line)이 연결된다.
스위치(31300)는 복수의 피딩 포인트들(31200) 중 각 피딩 포인트로 인가되는 상기 신호를 온(on) 또는 오프(off)한다.
가변 리액턴스 소자(31400)는 복수의 피딩 포인트들(31200) 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결된다.
복수의 피딩 포인트(31200)들은 제1 위치에 배치되는 적어도 하나의 제1 피딩 포인트(first feeding point)(31210) 및 상기 제1 위치와 다른 제2 위치에 배치되는 적어도 하나의 제2 피딩 포인트(second feeding point)(31220)를 포함할 수 있다.
제2 피딩 포인트(31220)는 가변 리액턴스 소자(31400)와 연결될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 위치는 상기 방사 소자의 가장자리(edge)로부터 특정 길이에 기반하여 형성되는 영역 내에 위치할 수 있다. 상기 제2 위치는 상기 영역 밖에 위치할 수 있다.
상기 특정 길이는 상기 가장자리(edge)로부터 반대편 가장자리(edge)까지의 길이의 1/3(one third)에 기반할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 가변 리액턴스 소자는 칩 인덕터(chip inductor), 칩 커패시터(chip capacitor) 또는 버랙터 다이오드(varactor diode)에 기반할 수 있다. 스위치(31300)는 핀 다이오드(PIN diode)에 기반할 수 있다.
구현적인 측면에서 상술한 실시예에 따른 안테나는 후술하는 도 41 내지 도 45의 장치의 포함되어 구현될 수 있다. 도 42를 예로 들면, 안테나(108/208)는 방사 소자 (31100), 복수의 피딩 포인트들(31200), 스위치(31300), 가변 리액턴스 소자(31400), 피딩 라인(31500) 및 접지면(31600)을 포함할 수 있다.
이하에서는 상술한 안테나를 기반으로 하는 빔포밍 방법을 구체적으로 설명한다.
[1] 안테나 패턴 데이터 베이스(database) 구성
상술한 안테나의 구조에 따라 생성 가능한 안테나 방사 패턴의 최대 이득 방향(peak gain direction) 및 위상 정보가 안테나 패턴으로 저장될 수 있다. 상기 안테나 패턴은 후술하는 도 42, 도 44 또는 도 45의 메모리(104/204) 또는 메모리부(130)에 저장될 수 있다. 안테나 패턴 데이터 베이스는 상기 안테나의 구조에 기반하는 복수의 안테나 패턴들을 의미할 수 있다.
상기 위상 정보는 빔 운용 시 목표로 하는 스캔 범위(scan range)에 해당하는 각도 범위
Figure PCTKR2020009057-appb-I000054
,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000055
에 대한 편파 위상을 의미한다. 구체적으로 상기 위상 정보는 상기 각도 범위에 대한 수직 편파(vertical polarization, v-pol) 위상(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000056
)와 수평 편파(horizontal polarization, h-pol) 위상(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000057
)을 포함할 수 있다.
상기 안테나 패턴 데이터베이스는 다음의 정보를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 안테나에는 K개의 피딩 포인트들을 포함하고, 그 중 L개의 피딩 포인트들이 타입2 피딩 포인트들인 것으로 가정한다. 즉, 상기 안테나에는 K개의 피딩 포인트(feeding point)들이 배치되고, 그 중 L개의 피딩 포인트(feeding point)들에 가변 리액턴스 소자(variable reactance element)가 연결되어 있는 것을 가정한다.
상기 안테나 패턴 데이터베이스 복수의 안테나 패턴들을 포함할 수 있다. 각 안테나 패턴은 다음 1) 내지 5) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
1) 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택과 관련된 정보. 일 예로, 해당 정보는 K개의 자릿수를 갖는 이진수 X로 표현될 수 있다.
2) 가변 리액턴스 소자의 리액턴스 값. 일 예로, 해당 정보는 길이 L의 십진수 벡터 Y로 표현될 수 있다.
3) 최대 이득 방향(peak gain direction)
Figure PCTKR2020009057-appb-I000058
. 구체적으로 상기 최대 이득 방향은 상기 피딩 포인트의 선택과 관련된 정보(예: X) 및 가변 리액턴스 소자의 값(예: Y)에 기반할 수 있다.
4) 수직 편파 위상 정보를 포함하는 3차원 행렬
Figure PCTKR2020009057-appb-I000059
. 구체적으로 상기 3차원 행렬은 상기 피딩 포인트의 선택과 관련된 정보(예: X) 및 가변 리액턴스 소자의 값(예: Y)에 기반하는 수직 편파 위상 정보를 포함할 수 있다.
5) 수평 편파 위상 정보를 포함하는 3차원 행렬
Figure PCTKR2020009057-appb-I000060
. 구체적으로 상기 3차원 행렬은 상기 피딩 포인트의 선택과 관련된 정보(예: X) 및 가변 리액턴스 소자의 값(예: Y)에 기반하는 수평 편파 위상 정보를 포함할 수 있다.
아래 표 3은 P개의 방사패턴들을 생성할 수 안테나에 기반하는 안테나 패턴 데이터베이스를 예시한다.
Figure PCTKR2020009057-appb-T000003
[2] 빔포밍 타겟 방향(target direction)에 따른 위상(ideal phase) 계산
빔포밍 스캔 범위(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000061
,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000062
)내에서 빔포밍 타겟 방향(target direction)(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000063
)이 선정될 수 있다. 그 후 상기 빔포밍 타겟 방향과 관련된 위상이 계산될 수 있다. 상기 위상은 이상적인 DFT 빔 가중치(ideal DFT beam weight)와 관련된 것일 수 있다.
이하 NxM 배열 안테나로 예를 들어, 상기 위상을 구체적으로 설명한다.
NxM 배열 안테나에서 (n, m) 위치의 안테나에 인가해줘야 하는 위상
Figure PCTKR2020009057-appb-I000064
은 다음 수학식 3과 같다. 이 때, N은 수평 방향 안테나 개수이고, M은 수직 방향 안테나 개수이다.
Figure PCTKR2020009057-appb-M000003
상기 수학식 3에서
Figure PCTKR2020009057-appb-I000065
은 빔포밍 타겟 방향(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000066
)과 관련된 위상이며, n은 NxM 행렬의 n번째 행(row)이고, m은 NxM 행렬의 m번째 열(column)이며,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000067
은 수직 방향 안테나 간격이고,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000068
은 수평 방향 안테나 간격이다.
Figure PCTKR2020009057-appb-I000069
는 상기 빔포밍 타겟 방향에 기반하여 전송되는 무선 신호의 파장이다.
[3] 빔포밍 타겟 방향과 관련된 적어도 하나의 안테나 패턴 결정
복수의 안테나 패턴들 중 상기 빔포밍 타겟 방향과 관련된 적어도 하나의 안테나 패턴이 결정될 수 있다. 이하 상술한 표 3을 예로 들어 구체적으로 설명한다.
상기 적어도 하나의 패턴은 해당 패턴의 최대 이득 방향(peak gain direction)이 타겟 빔포밍 방향(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000070
)에 기반하는 특정 범위에 속하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 표 3의 안테나 패턴들(#1 ~#P)중에서 최대 이득 방향(peak gain direction)이 타겟 빔포밍 방향(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000071
)을 기준으로 특정 범위 안에 들어오는 안테나 패턴 #p일 수 있다. 상기 적어도 하나의 패턴은 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들에 기반할 수 있다. 즉, 상술한 조건을 만족하는 안테나 패턴의 개수가
Figure PCTKR2020009057-appb-I000072
개인 경우, 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들은
Figure PCTKR2020009057-appb-I000073
일 수 있다.
상기 안테나 패턴들은 다음 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2020009057-appb-M000004
상기 안테나 패턴들
Figure PCTKR2020009057-appb-I000074
로부터 타겟 빔포밍 방향
Figure PCTKR2020009057-appb-I000075
에 기반하는 편파 위상 정보가 추출될 수 있다.
상기 편파 위상 정보는 i) 3차원 행렬(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000076
)에 기반하는 수직 편파 위상(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000077
) 또는 ii) 3차원 행렬(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000078
)에 기반하는 수평 편파 위상(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000079
) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 빔포밍에 수평 편파 위상만이 활용되는 경우, 상기 편파 위상 정보는 수평 편파 위상을 포함할 수 있다.
빔포밍에 수평 편파가 활용되는 경우로 예를 들면, 상기 편파 위상 정보에 기반하는 타겟 방향 위상(target direction phase)은 다음 표 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020009057-appb-T000004
[4] 빔포밍 타겟 방향과 관련된 위상과 안테나 패턴들간의 매핑(mapping)
상기 빔포밍 타겟 방향과 관련된 위상(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000080
)은 상기 안테나 패턴들과 매핑될 수 있다. 즉, 상기 빔포밍 타겟 방향과 관련된 위상(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000081
)은 상기 안테나 패턴들의 편파 위상 정보에 기반하는 타겟 방향 위상에 매핑될 수 있다.
이하
Figure PCTKR2020009057-appb-I000082
배열 안테나 및 상기 표 4를 기준으로 상기 매핑 동작을 구체적으로 설명한다.
타겟 빔포밍 방향
Figure PCTKR2020009057-appb-I000083
으로 빔을 형성하기 위한 위상
Figure PCTKR2020009057-appb-I000084
은 상기 편파 위상 정보에 기반하는 타겟 방향 위상들(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000085
,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000086
,..,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000087
,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000088
)중에서 가장 근사한 값에 매핑될 수 있다.
상기 매핑에 기반하여, (n,m) 번째 안테나에 적용될 안테나 패턴이 결정될 수 있다.
상기 (n,m) 번째 안테나에 적용되는 안테나 패턴은 다음 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2020009057-appb-M000005
상기 수학식 5에서
Figure PCTKR2020009057-appb-I000089
은
Figure PCTKR2020009057-appb-I000090
배열 안테나에 포함되는 안테나들 중 (n,m) 번째 안테나에 적용되는 안테나 패턴이다. 즉,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000091
은 i) 상기 타겟 빔포밍 방향(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000092
) 및 3차원 행렬에 기반하여 결정되는 편파 위상(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000093
)과 ii) 상기 타겟 빔포밍과 관련된 위상(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000094
) 간의 차이가 최소일 때의 안테나 패턴에 기반할 수 있다. 이 때
Figure PCTKR2020009057-appb-I000095
과
Figure PCTKR2020009057-appb-I000096
와 가장 근사한 값을 갖는 위상은 모두
Figure PCTKR2020009057-appb-I000097
로 매핑될 수 있다. 이하 도 32를 참조하여, 안테나에 적용되는 위상과 안테나 패턴의 매핑을 설명한다.
도 32는 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나 패턴의 매핑을 설명하기 위한 도면이다.
도 32를 참조하면, 타겟 빔포밍 방향
Figure PCTKR2020009057-appb-I000098
은 (20, 20)이다. 이 때 상기 타겟 빔 방향(target beam direction)과 관련된 위상(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000099
)은 1*4 배열 안테나에 포함되는 각 안테나 별로 계산될 수 있다. 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상들(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000100
내지
Figure PCTKR2020009057-appb-I000101
)은 0˚, 61.6˚, 123.1˚, 184.7˚이다. 상기 위상들은 상기 1*4 배열 안테나에 포함되는 각 안테나(Ant(1,1)~Ant(1,4))와 관련된다.
상기 1*4 배열 안테나가 생성할 수 있는 방사패턴들과 관련된 안테나 패턴들은 #p1 내지 #p5이다. 상기 위상들(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000102
내지
Figure PCTKR2020009057-appb-I000103
)에 각각 매핑되는 안테나 패턴은, 해당 위상들(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000104
내지
Figure PCTKR2020009057-appb-I000105
)과 상기 안테나 패턴들(#p1 내지 #p5)에 기반하는 편파 위상간의 차이가 최소인 안테나 패턴이다. 구체적으로
Figure PCTKR2020009057-appb-I000106
에는 안테나 패턴 #p1이 매핑되고,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000107
에는 안테나 패턴 #p2가 매핑되고,
Figure PCTKR2020009057-appb-I000108
및
Figure PCTKR2020009057-appb-I000109
에는 안테나 패턴 #p4가 매핑된다.
[5] 안테나 패턴에 기반하는 배열 안테나의 제어
상기 매핑을 기반으로 하는 안테나 패턴이 배열 안테나에 적용될 수 있다. 구체적으로 상기 안테나 패턴에 기반하여 배열 안테나에 속하는 각 안테나마다 피딩 포인트 선택 또는 가변 리액턴스의 조절 중 적어도 하나의 동작이 수행될 수 있다.
상기 각 안테나에 대한 상기 안테나 패턴의 적용을 이하 구체적으로 설명한다.
상기 안테나 패턴은 상기 각 안테나의 피딩 포인트의 선택과 관련된 정보(예: X)와 리액턴스 값(예: Y)를 포함할 수 있다.
상기 비트맵으로 표현되는 피딩 포인트(feeding point) 선택과 관련된 정보 X는 (n,m)번째 안테나의 각 피딩 포인트(feeding point)에 연결된 스위치(switch)의 온(on) 또는 오프(off)를 나타낸다. 십진수 벡터로 표현되는 리액턴스 값 Y는 (n,m)번째 안테나의 피딩 포인트(feeding point)에 연결된 가변 리액턴스 소자에 각각 인가해줘야 하는 리액턴스 값(reactance) 값을 나타낸다.
각 안테나에 매핑된 안테나 패턴에 기반하여 다음의 동작이 수행될 수 있다. 상기 각 안테나의 피딩 포인트에 연결된 스위치(switch)의 on/off와 가변 리액턴스(variable reactance)의 값의 조절이 수행될 수 있다. 상기와 같은 동작을 통해 타겟 빔포밍 방향(
Figure PCTKR2020009057-appb-I000110
) 방향으로의 빔이 형성될 수 있다.
아래 표 5는 그림은 매핑된 안테나 패턴의 피딩 포인트 선택 정보(X) 및 리액턴스 값(Y)을 예시한다.
Figure PCTKR2020009057-appb-T000005
이하 도 33을 참조하여 상기 표 5에 기반하는 안테나의 스위치 동작을 구체적으로 설명한다.
도 33은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나 패턴의 적용을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로 도 34은 4개의 안테나들(Antenna 1 ~ Antenna 4)에 대한 안테나 패턴 #1 내지 안테나 패턴 #3의 적용을 나타낸다. 도 34를 참조하면, 각 안테나는 6개의 피딩 포인트들(x1~x6)을 포함하고, 그 중 4개의 피딩 포인트들(x2~x5)에는 가변 리액턴스 소자가 연결되어 있다. 스위치(switch)는 상기 6개의 피딩 포인트들(x1~x6)에 각각 연결되어 있다.
안테나 패턴 #1의 경우, 피딩 포인트 선택 정보 X는 111000이다. 이에 따라, 6개의 피딩 포인트들(x1~x6)들 중 x1~x3에 해당하는 피딩 포인트들에 연결된 스위치(switch)가 on되고, x4~x6에 해당하는 피딩 포인트들에 연결된 스위치가 off된다. 가변 리액턴스 소자 값인 y1 내지 y4(50, 200, 0, 0)는 x2~x5에 각각 적용된다. x2와 x3에 해당하는 피딩 포인트에는 각각 50과 200의 리액턴스 값이 적용되고, 나머지 x4 및 x5에는 0의 리액턴스 값이 적용된다.
안테나 패턴 #3의 경우, 피딩 포인트 선택 정보 X는 111010이다. 이에 따라, 6개의 피딩 포인트들(x1~x6)들 중 x4와 x6에 해당하는 피딩 포인트들에 연결된 스위치(switch)만 off되고, 나머지 피딩 포인트들(x1~x3, x5)에 연결된 스위치는 on된다. 가변 리액턴스 소자 값인 y1 내지 y4(10, 0, 0, 10)들 중 스위치가 on된 피딩 포인트(x2, x5)에 10의 리액턴스 값이 적용된다.
상술한 [1] 내지 [5]에 기반하는 빔포밍 방법을 이하 도 34를 참조하여 설명한다.
도 34는 본 명세서의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 34를 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법은 S3410 내지 S3450에 기반하여 수행될 수 있다.
S3410에서, 안테나의 구조에 기반하는 안테나 패턴 데이터베이스(antenna pattern database)가 저장된다. S3410은 상술한 [1](안테나 패턴 데이터 베이스(database) 구성)에서 설명된 동작에 기반할 수 있다.
S3420에서, 타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상 가중치가 계산된다. S3420은 상술한 [2](빔포밍 타겟 방향에 따른 위상)에서 설명된 동작에 기반할 수 있다.
S3430에서, 타겟 빔포밍 방향과 관련된 방사 방향(radiation direction)을 갖는 안테나 패턴들이 선택될 수 있다. S3430은 상술한 [3](빔포밍 타겟 방향과 관련된 적어도 하나의 안테나 패턴 결정)에서 설명된 동작에 기반할 수 있다.
S3440에서, 타겟 빔포밍과 관련된 위상 가중치(phase weight)와 상기 안테나 패턴들이 매핑될 수 있다. S3440은 상술한 [4]( 빔포밍 타겟 방향과 관련된 위상과 안테나 패턴들간의 매핑)에서 설명된 동작에 기반할 수 있다.
S3450에서, 안테나 패턴 데이터베이스에 기반하여 안테나의 피딩 포인트에 연결된 스위치 및 리액턴스 소자의 값이 제어될 수 있다. 구체적으로 매핑되 안테나 패턴에 기반하여 각 피딩 포인트에 연결된 스위치가 온 또는 오프되고, 피딩 포인트에 연결된 리액턴스 소자의 값이 특정 값으로 조절될 수 있다. S3450은 상술한 [5](안테나 패턴에 기반하는 배열 안테나의 제어)에서 설명된 동작에 기반할 수 있다.
상술한 S3410 내지 S3510에 기반하는 빔포밍 방법은 후술하는 도 41 내지 도 45의 장치에 의해 수행될 수 있다.
구현적인 측면에서 상술한 실시예들에 따른 장치의 동작(예: 상술한 [1] 내지 [5] 중 적어도 하나에 기반하는 빔포밍과 관련된 동작)들은 후술할 도 41 내지 도 45의 장치(예: 도 42의 프로세서(102, 202))에 의해 처리될 수 있다.
또한 상술한 실시예에 따른 장치의 동작(예: 상술한 [1] 내지 [5] 중 적어도 하나에 기반하는 빔포밍과 관련된 동작)들은 적어도 하나의 프로세서(예: 도 42의 102, 202)를 구동하기 위한 명령어/프로그램(예: instruction, executable code)형태로 메모리(예: 도 42의 104, 204)에 저장될 수도 있다.
이하에서는 본 명세서의 실시예에 기반하는 빔포밍 시스템과 종래 기술과에 따른 빔포밍 시스템과의 차이점을 도 35 내지 도 37을 참조하여 설명한다.
본 명세서의 실시예에 기반하는 빔포밍 방법은 스위치(switch)와 가변 리액턴스 소자(variable reactance element)를 활용하여 방사 패턴의 위상 천이 효과를 얻으며 이에 기반하여 빔포밍을 수행한다.
위상 천이기(phase shifter)의 삽입 손실(insertion loss)로 인해, 종래 기술에 기반하는 빔포밍 시스템은 능동(active) 소자인 전력 증폭기(power amplifier, PA)를 포함한다.
반면, 본 실시예에 기반하는 안테나를 이용한 빔포밍 시스템의 경우, 스위치로 핀 다이오드(PIN diode)가 사용되고 가변 리액턴스 소자로서 버랙터 다이오드(varactor diode)가 사용된다. 모두 수동(passive) 소자만이 사용되므로 종래 기술에 따른 빔포밍 시스템 대비 크기, 소모 전력, 복잡도 및 비용이 경감되는 효과가 있다.
도 35는 기존의 위상 천이기를 사용하는 빔포밍 시스템의 블록도를 예시한다.
도 36은 종래기술에 기반하는 위상 천이기와 전력 증폭기의 회로도를 예시한다. 구체적으로, 도 36(a)는 CMOS 위상 천이기(phase shifter)의 회로도를 나타내며, 도 36(b)는 위상 천이기와 관련된 전력 증폭기의 회로도를 나타낸다. 하나의 위상 천이기(phase shifter)에 매우 많은 소자가 필요하므로 위상 천이기(phase shifter)를 사용하면 시스템 구현이 매우 복잡해진다.
도 37은 본 명세서의 일 실시예에 기반하는 빔포밍 시스템의 블록도를 예시한다. 구체적으로 도 37(a)는 본 명세서의 실시예에 기반하는 안테나를 포함하는 빔포밍 시스템의 블록도를 나타낸다. 도 37(b)는 상기 빔포밍 시스템에 포함된 스위치 네트워크(switch network)를 나타낸다.
스위치(switch)는 핀 다이오드(PIN diode)로 구현될 수 있고, 가변 리액터(variable reactor)는 버랙터 다이오드(varactor diode)로 구현될 수 있다. 상기 스위치 네트워크(switch network)에서 사용되는 소자는 모두 수동(passive) 소자이므로 빔포밍 시스템의 전력 소모 및 복잡도가 경감된다.
이하 도 38 및 도 39에서는 본 명세서의 실시예에 기반하는 안테나를 활용한 빔포밍 시뮬레이션 결과를 살펴본다.
도 38a 내지 도 38c 및 도 39a 내지 도 39c는 본 명세서의 일 실시예에 따른 1X16 배열 안테나를 이용한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
상기 1x16 배열 안테나를 활용하는 빔포밍에 있어, 4개의 안테나 패턴이 활용되었다.
도 38a 내지 도 38c는 타겟 방향(target direction)이 -30도, -20도, -10도일 때의 빔 이득(beam gain)과 안테나 빔 패턴(antenna beam pattern)을 나타낸다.
도 39a 내지 도 39c는 타겟 방향(target direction)이 10도, 20도, 30도일 때의 빔 이득(beam gain)과 안테나 빔 패턴(antenna beam pattern)을 나타낸다.
본 명세서의 실시예에 따른 효과를 정리하면 다음과 같다.
고주파수를 사용하는 이동통신 시스템에서 빔포밍 모듈을 구성할 때 위상 천이기(phase shifter)를 사용하지 않아도 되므로 빔포밍 모듈의 크기를 줄일 수 있고 시스템 복잡도 및 비용을 줄일 수 있다. 상기 빔포밍 모듈은 다양한 배열 안테나에 활용될 수 있다. 일 예로, 상기 배열 안테나는 Uniform linear array(ULA) 또는 uniform planar array(UPA)에 기반하는 안테나를 포함할 수 있다.
또한 위상 천이기(phase shifter)를 사용하지 않고서도 거대 배열(massive array) 안테나가 구현될 수 있다. 위상 천이기(phase shifter)의 삽입 손실(insertion loss)에 따른 전력 손실이 방지되는 바, 저전력, 저손실의 특성을 갖는 거대 배열 안테나가 구현될 수 있다. 즉, 6G THz 이동통신 시스템에서 효과적으로 활용될 수 있는 거대 배열 안테나가 구현될 수 있다.
이하 상술한 실시예들을 무선 장치의 동작 측면에서 도 40을 참조하여 구체적으로 설명한다. 이하 설명되는 방법들은 설명의 편의를 위하여 구분된 것일 뿐, 어느 한 방법의 일부 구성이 다른 방법의 일부 구성과 치환되거나, 상호 간에 결합되어 적용될 수 있음은 물론이다. 상기 무선 장치는 후술하는 도 41 내지 도 45에 기반하는 무선 기기(예: 단말/기지국)일 수 있다.
도 40은 본 명세서의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 배열 안테나를 구비한 무선 장치에 의해 수행되는 빔포밍 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 40을 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 배열 안테나를 구비한 무선 장치에 의해 수행되는 빔포밍 방법은 타겟 빔포밍 바향과 관련된 위상 계산 단계(S4010), 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들을 결정하는 단계(S4020) 및 위상에 기반하는 안테나 패턴을 배열 안테나에 적용하는 단계(S4030)를 포함한다.
일 실시예에 의하면, 상기 배열 안테나는 상술한 도 31의 안테나에 기반할 수 있다. 구체적으로 상기 배열 안테나는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 상기 배열 안테나에 포함되는 각 안테나는 복수의 피딩 포인트들 및 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자를 포함할 수 있다. 구현적인 측면에서 상기 배열 안테나는 도 42의 하나 이상의 안테나(108/208)에 기반하여 구현될 수 있다.
S4010에서, 무선 장치는 타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상을 계산한다.
일 실시예에 의하면, 상기 위상은 상기 배열 안테나에 포함되는 각 안테나별로 계산될 수 있다. 상기 위상은 상기 수학식 2에 기반할 수 있다.
상술한 S4010에 따라, 무선 장치(도 41 내지 도 45의 100/200)가 타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상을 계산하는 동작은 도 41내지 도 45의 장치에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 42를 참조하면, 하나 이상의 프로세서(102/202)는 타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상을 계산하도록 하나 이상의 트랜시버(106/206) 및/또는 하나 이상의 메모리(104/204)를 제어할 수 있다.
S4020에서, 무선 장치는 빔포밍과 관련하여 미리 설정된 안테나 패턴들 중 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들을 결정한다.
일 실시예에 의하면, 상기 안테나 패턴은 i) 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택 또는 ii) 상기 가변 리액턴스 소자의 리액턴스 값 중에서 적어도 하나와 관련될 수 있다.
상기 안테나 패턴은 상기 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택, 상기 리액턴스 값, 최대 이득 방향(peak gain direction) 또는 편파 위상(polarization phase) 중 적어도 하나와 관련된 정보를 포함할 수 있다. 상기 안테나 패턴은 상술한 [1] 안테나 패턴 데이터베이스(database)에 기반하는 안테나 패턴일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들은 상기 최대 이득 방향이 상기 타겟 빔포밍 방향에 기반하는 특정 범위에 속할 수 있다. 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들은 상술한 [3]에 기반하여 결정되는 적어도 하나의 안테나 패턴일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 편파 위상(polarization phase)과 관련된 정보는 상기 안테나 패턴에 기반하는 3차원 행렬을 포함할 수 있다. 상기 3차원 행렬은 고도각(elavation angle), 방위각(azimuth angle) 및 상기 고도각(elavation angle) 및 상기 방위각(azimuth angle)에 기반하는 편파 위상(polarization phase)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택과 관련된 정보는 상기 각 안테나의 온(on) 또는 오프(off)를 나타내는 비트맵(bitmap)에 기반할 수 있다. 상기 리액턴스 값과 관련된 정보는 상기 각 안테나의 리액턴스 값을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택과 관련된 정보는 Feeding point selection information X 에 기반할 수 있고, 상기 리액턴스 값과 관련된 정보는 상기 표 3의 Variable reactance information Y에 기반할 수 있다.
상술한 S4020에 따라, 무선 장치(도 41 내지 도 45의 100/200)가 빔포밍과 관련하여 미리 설정된 안테나 패턴들 중 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들을 결정하는 동작은 도 41내지 도 45의 장치에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 42를 참조하면, 하나 이상의 프로세서(102/202)는 빔포밍과 관련하여 미리 설정된 안테나 패턴들 중 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들을 결정하도록 하나 이상의 트랜시버(106/206) 및/또는 하나 이상의 메모리(104/204)를 제어할 수 있다.
S4030에서, 무선 장치는 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴을 상기 배열 안테나에 적용한다.
일 실시예에 의하면, 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴은 i) 상기 타겟 빔포밍 방향 및 상기 3차원 행렬에 기반하여 결정되는 상기 편파 위상과 ii) 상기 위상 간의 차이가 최소인 안테나 패턴에 기반할 수 있다. 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴은 상술한 수학식 5에 기반하는 안테나 패턴일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴의 적용은 상기 비트맵 및 상기 각 안테나의 리액턴스 값에 기반할 수 있다. 본 실시예는 상술한 [5](안테나 패턴에 기반하는 배열 안테나의 제어)에서 설명된 동작에 기반할 수 있다.
상술한 S4030에 따라, 무선 장치(도 41 내지 도 45의 100/200)가 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴을 상기 배열 안테나에 적용하는 동작은 도 41내지 도 45의 장치에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 42를 참조하면, 하나 이상의 프로세서(102/202)는 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴을 하나 이상의 안테나(108/208)에 적용하도록 하나 이상의 트랜시버(106/206) 및/또는 하나 이상의 메모리(104/204)를 제어할 수 있다.
본 발명이 적용되는 통신 시스템 예
이로 제한되는 것은 아니지만, 본 문서에 개시된 본 발명의 다양한 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 기기들간에 무선 통신/연결(예, 6G)을 필요로 하는 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 보다 구체적으로 예시한다. 이하의 도면/설명에서 동일한 도면 부호는 다르게 기술하지 않는 한, 동일하거나 대응되는 하드웨어 블록, 소프트웨어 블록 또는 기능 블록을 예시할 수 있다.
도 41은 본 명세서에 적용되는 통신 시스템(1)을 예시한다.
도 41을 참조하면, 본 명세서에 적용되는 통신 시스템(1)은 무선 기기, 기지국 및 네트워크를 포함한다. 여기서, 무선 기기는 무선 접속 기술(예, 5G NR(New RAT), LTE(Long Term Evolution))을 이용하여 통신을 수행하는 기기를 의미하며, 통신/무선/5G 기기로 지칭될 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 무선 기기는 로봇(100a), 차량(100b-1, 100b-2), XR(eXtended Reality) 기기(100c), 휴대 기기(Hand-held device)(100d), 가전(100e), IoT(Internet of Thing) 기기(100f), AI기기/서버(400)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 차량은 무선 통신 기능이 구비된 차량, 자율 주행 차량, 차량간 통신을 수행할 수 있는 차량 등을 포함할 수 있다. 여기서, 차량은 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)(예, 드론)를 포함할 수 있다. XR 기기는 AR(Augmented Reality)/VR(Virtual Reality)/MR(Mixed Reality) 기기를 포함하며, HMD(Head-Mounted Device), 차량에 구비된 HUD(Head-Up Display), 텔레비전, 스마트폰, 컴퓨터, 웨어러블 디바이스, 가전 기기, 디지털 사이니지(signage), 차량, 로봇 등의 형태로 구현될 수 있다. 휴대 기기는 스마트폰, 스마트패드, 웨어러블 기기(예, 스마트워치, 스마트글래스), 컴퓨터(예, 노트북 등) 등을 포함할 수 있다. 가전은 TV, 냉장고, 세탁기 등을 포함할 수 있다. IoT 기기는 센서, 스마트미터 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기지국, 네트워크는 무선 기기로도 구현될 수 있으며, 특정 무선 기기(200a)는 다른 무선 기기에게 기지국/네트워크 노드로 동작할 수도 있다.
무선 기기(100a~100f)는 기지국(200)을 통해 네트워크(300)와 연결될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)에는 AI(Artificial Intelligence) 기술이 적용될 수 있으며, 무선 기기(100a~100f)는 네트워크(300)를 통해 AI 서버(400)와 연결될 수 있다. 네트워크(300)는 3G 네트워크, 4G(예, LTE) 네트워크 또는 5G(예, NR) 네트워크 등을 이용하여 구성될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)는 기지국(200)/네트워크(300)를 통해 서로 통신할 수도 있지만, 기지국/네트워크를 통하지 않고 직접 통신(e.g. 사이드링크 통신(sidelink communication))할 수도 있다. 예를 들어, 차량들(100b-1, 100b-2)은 직접 통신(e.g. V2V(Vehicle to Vehicle)/V2X(Vehicle to everything) communication)을 할 수 있다. 또한, IoT 기기(예, 센서)는 다른 IoT 기기(예, 센서) 또는 다른 무선 기기(100a~100f)와 직접 통신을 할 수 있다.
무선 기기(100a~100f)/기지국(200), 기지국(200)/기지국(200) 간에는 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)이 이뤄질 수 있다. 여기서, 무선 통신/연결은 상향/하향링크 통신(150a)과 사이드링크 통신(150b)(또는, D2D 통신), 기지국간 통신(150c)(e.g. relay, IAB(Integrated Access Backhaul)과 같은 다양한 무선 접속 기술(예, 5G NR)을 통해 이뤄질 수 있다. 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)을 통해 무선 기기와 기지국/무선 기기, 기지국과 기지국은 서로 무선 신호를 송신/수신할 수 있다. 예를 들어, 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)은 다양한 물리 채널을 통해 신호를 송신/수신할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 다양한 제안들에 기반하여, 무선 신호의 송신/수신을 위한 다양한 구성정보 설정 과정, 다양한 신호 처리 과정(예, 채널 인코딩/디코딩, 변조/복조, 자원 매핑/디매핑 등), 자원 할당 과정 등 중 적어도 일부가 수행될 수 있다.
본 발명이 적용되는 무선 기기 예
도 42는 본 명세서에 적용될 수 있는 무선 기기를 예시한다.
도 42를 참조하면, 제1 무선 기기(100)와 제2 무선 기기(200)는 다양한 무선 접속 기술(예, LTE, NR)을 통해 무선 신호를 송수신할 수 있다. 여기서, {제1 무선 기기(100), 제2 무선 기기(200)}은 도 41의 {무선 기기(100x), 기지국(200)} 및/또는 {무선 기기(100x), 무선 기기(100x)}에 대응할 수 있다.
제1 무선 기기(100)는 하나 이상의 프로세서(102) 및 하나 이상의 메모리(104)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(106) 및/또는 하나 이상의 안테나(108)을 더 포함할 수 있다. 프로세서(102)는 메모리(104) 및/또는 송수신기(106)를 제어하며, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(102)는 메모리(104) 내의 정보를 처리하여 제1 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(106)을 통해 제1 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(102)는 송수신기(106)를 통해 제2 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제2 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(104)에 저장할 수 있다. 메모리(104)는 프로세서(102)와 연결될 수 있고, 프로세서(102)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(104)는 프로세서(102)에 의해 제어되는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하거나, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 수행하기 위한 명령들을 포함하는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다. 여기서, 프로세서(102)와 메모리(104)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(106)는 프로세서(102)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(108)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(106)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다. 송수신기(106)는 RF(Radio Frequency) 유닛과 혼용될 수 있다. 본 발명에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
제2 무선 기기(200)는 하나 이상의 프로세서(202), 하나 이상의 메모리(204)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(206) 및/또는 하나 이상의 안테나(208)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(202)는 메모리(204) 및/또는 송수신기(206)를 제어하며, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(202)는 메모리(204) 내의 정보를 처리하여 제3 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(206)를 통해 제3 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(202)는 송수신기(206)를 통해 제4 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제4 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(204)에 저장할 수 있다. 메모리(204)는 프로세서(202)와 연결될 수 있고, 프로세서(202)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(204)는 프로세서(202)에 의해 제어되는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하거나, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 수행하기 위한 명령들을 포함하는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다. 여기서, 프로세서(202)와 메모리(204)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(206)는 프로세서(202)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(208)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(206)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다 송수신기(206)는 RF 유닛과 혼용될 수 있다. 본 발명에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
이하, 무선 기기(100, 200)의 하드웨어 요소에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 하나 이상의 프로토콜 계층이 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 계층(예, PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC, SDAP와 같은 기능적 계층)을 구현할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 하나 이상의 PDU(Protocol Data Unit) 및/또는 하나 이상의 SDU(Service Data Unit)를 생성할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 생성할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 기능, 절차, 제안 및/또는 방법에 따라 PDU, SDU, 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 포함하는 신호(예, 베이스밴드 신호)를 생성하여, 하나 이상의 송수신기(106, 206)에게 제공할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)로부터 신호(예, 베이스밴드 신호)를 수신할 수 있고, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 PDU, SDU, 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 획득할 수 있다.
하나 이상의 프로세서(102, 202)는 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컴퓨터로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다. 일 예로, 하나 이상의 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 하나 이상의 DSP(Digital Signal Processor), 하나 이상의 DSPD(Digital Signal Processing Device), 하나 이상의 PLD(Programmable Logic Device) 또는 하나 이상의 FPGA(Field Programmable Gate Arrays)가 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 포함될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 펌웨어 또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있고, 펌웨어 또는 소프트웨어는 모듈, 절차, 기능 등을 포함하도록 구현될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 수행하도록 설정된 펌웨어 또는 소프트웨어는 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 포함되거나, 하나 이상의 메모리(104, 204)에 저장되어 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 의해 구동될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 코드, 명령어 및/또는 명령어의 집합 형태로 펌웨어 또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있다.
하나 이상의 메모리(104, 204)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있고, 다양한 형태의 데이터, 신호, 메시지, 정보, 프로그램, 코드, 지시 및/또는 명령을 저장할 수 있다. 하나 이상의 메모리(104, 204)는 ROM, RAM, EPROM, 플래시 메모리, 하드 드라이브, 레지스터, 캐쉬 메모리, 컴퓨터 판독 저장 매체 및/또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 하나 이상의 메모리(104, 204)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)의 내부 및/또는 외부에 위치할 수 있다. 또한, 하나 이상의 메모리(104, 204)는 유선 또는 무선 연결과 같은 다양한 기술을 통해 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있다.
하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 다른 장치에게 본 문서의 방법들 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 전송할 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 다른 장치로부터 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 수신할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있고, 무선 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)가 하나 이상의 다른 장치에게 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 전송하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)가 하나 이상의 다른 장치로부터 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 수신하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 안테나(108, 208)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 안테나(108, 208)를 통해 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 송수신하도록 설정될 수 있다. 본 문서에서, 하나 이상의 안테나는 복수의 물리 안테나이거나, 복수의 논리 안테나(예, 안테나 포트)일 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 수신된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 하나 이상의 프로세서(102, 202)를 이용하여 처리하기 위해, 수신된 무선 신호/채널 등을 RF 밴드 신호에서 베이스밴드 신호로 변환(Convert)할 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)를 이용하여 처리된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 베이스밴드 신호에서 RF 밴드 신호로 변환할 수 있다. 이를 위하여, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 (아날로그) 오실레이터 및/또는 필터를 포함할 수 있다.
본 발명이 적용되는 신호 처리 회로 예
도 43은 본 명세서에 적용되는 신호 처리 회로를 예시한다.
도 43을 참조하면, 신호 처리 회로(1000)는 스크램블러(1010), 변조기(1020), 레이어 매퍼(1030), 프리코더(1040), 자원 매퍼(1050), 신호 생성기(1060)를 포함할 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 도 43의 동작/기능은 도 42의 프로세서(102, 202) 및/또는 송수신기(106, 206)에서 수행될 수 있다. 도 43의 하드웨어 요소는 도 42의 프로세서(102, 202) 및/또는 송수신기(106, 206)에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 블록 1010~1060은 도 42의 프로세서(102, 202)에서 구현될 수 있다. 또한, 블록 1010~1050은 도 42의 프로세서(102, 202)에서 구현되고, 블록 1060은 도 42의 송수신기(106, 206)에서 구현될 수 있다.
코드워드는 도 43의 신호 처리 회로(1000)를 거쳐 무선 신호로 변환될 수 있다. 여기서, 코드워드는 정보블록의 부호화된 비트 시퀀스이다. 정보블록은 전송블록(예, UL-SCH 전송블록, DL-SCH 전송블록)을 포함할 수 있다. 무선 신호는 다양한 물리 채널(예, PUSCH, PDSCH)을 통해 전송될 수 있다.
구체적으로, 코드워드는 스크램블러(1010)에 의해 스크램블된 비트 시퀀스로 변환될 수 있다. 스크램블에 사용되는 스크램블 시퀀스는 초기화 값에 기반하여 생성되며, 초기화 값은 무선 기기의 ID 정보 등이 포함될 수 있다. 스크램블된 비트 시퀀스는 변조기(1020)에 의해 변조 심볼 시퀀스로 변조될 수 있다. 변조 방식은 pi/2-BPSK(pi/2-Binary Phase Shift Keying), m-PSK(m-Phase Shift Keying), m-QAM(m-Quadrature Amplitude Modulation) 등을 포함할 수 있다. 복소 변조 심볼 시퀀스는 레이어 매퍼(1030)에 의해 하나 이상의 전송 레이어로 매핑될 수 있다. 각 전송 레이어의 변조 심볼들은 프리코더(1040)에 의해 해당 안테나 포트(들)로 매핑될 수 있다(프리코딩). 프리코더(1040)의 출력 z는 레이어 매퍼(1030)의 출력 y를 N*M의 프리코딩 행렬 W와 곱해 얻을 수 있다. 여기서, N은 안테나 포트의 개수, M은 전송 레이어의 개수이다. 여기서, 프리코더(1040)는 복소 변조 심볼들에 대한 트랜스폼(transform) 프리코딩(예, DFT 변환)을 수행한 이후에 프리코딩을 수행할 수 있다. 또한, 프리코더(1040)는 트랜스폼 프리코딩을 수행하지 않고 프리코딩을 수행할 수 있다.
자원 매퍼(1050)는 각 안테나 포트의 변조 심볼들을 시간-주파수 자원에 매핑할 수 있다. 시간-주파수 자원은 시간 도메인에서 복수의 심볼(예, CP-OFDMA 심볼, DFT-s-OFDMA 심볼)을 포함하고, 주파수 도메인에서 복수의 부반송파를 포함할 수 있다. 신호 생성기(1060)는 매핑된 변조 심볼들로부터 무선 신호를 생성하며, 생성된 무선 신호는 각 안테나를 통해 다른 기기로 전송될 수 있다. 이를 위해, 신호 생성기(1060)는 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 모듈 및 CP(Cyclic Prefix) 삽입기, DAC(Digital-to-Analog Converter), 주파수 상향 변환기(frequency uplink converter) 등을 포함할 수 있다.
무선 기기에서 수신 신호를 위한 신호 처리 과정은 도 43의 신호 처리 과정(1010~1060)의 역으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(예, 도 42의 100, 200)는 안테나 포트/송수신기를 통해 외부로부터 무선 신호를 수신할 수 있다. 수신된 무선 신호는 신호 복원기를 통해 베이스밴드 신호로 변환될 수 있다. 이를 위해, 신호 복원기는 주파수 하향 변환기(frequency downlink converter), ADC(analog-to-digital converter), CP 제거기, FFT(Fast Fourier Transform) 모듈을 포함할 수 있다. 이후, 베이스밴드 신호는 자원 디-매퍼 과정, 포스트코딩(postcoding) 과정, 복조 과정 및 디-스크램블 과정을 거쳐 코드워드로 복원될 수 있다. 코드워드는 복호(decoding)를 거쳐 원래의 정보블록으로 복원될 수 있다. 따라서, 수신 신호를 위한 신호 처리 회로(미도시)는 신호 복원기, 자원 디-매퍼, 포스트코더, 복조기, 디-스크램블러 및 복호기를 포함할 수 있다.
본 발명이 적용되는 무선 기기 활용 예
도 44는 본 명세서에 적용되는 무선 기기의 다른 예를 나타낸다. 무선 기기는 사용-예/서비스에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다(도 41 참조).
도 44를 참조하면, 무선 기기(100, 200)는 도 42의 무선 기기(100,200)에 대응하며, 다양한 요소(element), 성분(component), 유닛/부(unit), 및/또는 모듈(module)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(100, 200)는 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130) 및 추가 요소(140)를 포함할 수 있다. 통신부는 통신 회로(112) 및 송수신기(들)(114)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신 회로(112)는 도 42의 하나 이상의 프로세서(102,202) 및/또는 하나 이상의 메모리(104,204) 를 포함할 수 있다. 예를 들어, 송수신기(들)(114)는 도 42의 하나 이상의 송수신기(106,206) 및/또는 하나 이상의 안테나(108,208)을 포함할 수 있다. 제어부(120)는 통신부(110), 메모리부(130) 및 추가 요소(140)와 전기적으로 연결되며 무선 기기의 제반 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(120)는 메모리부(130)에 저장된 프로그램/코드/명령/정보에 기반하여 무선 기기의 전기적/기계적 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 메모리부(130)에 저장된 정보를 통신부(110)을 통해 외부(예, 다른 통신 기기)로 무선/유선 인터페이스를 통해 전송하거나, 통신부(110)를 통해 외부(예, 다른 통신 기기)로부터 무선/유선 인터페이스를 통해 수신된 정보를 메모리부(130)에 저장할 수 있다.
추가 요소(140)는 무선 기기의 종류에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 추가 요소(140)는 파워 유닛/배터리, 입출력부(I/O unit), 구동부 및 컴퓨팅부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 무선 기기는 로봇(도 41, 100a), 차량(도 41, 100b-1, 100b-2), XR 기기(도 41, 100c), 휴대 기기(도 41, 100d), 가전(도 41, 100e), IoT 기기(도 41, 100f), 디지털 방송용 단말, 홀로그램 장치, 공공 안전 장치, MTC 장치, 의료 장치, 핀테크 장치(또는 금융 장치), 보안 장치, 기후/환경 장치, AI 서버/기기(도 41, 400), 기지국(도 41, 200), 네트워크 노드 등의 형태로 구현될 수 있다. 무선 기기는 사용-예/서비스에 따라 이동 가능하거나 고정된 장소에서 사용될 수 있다.
도 44에서 무선 기기(100, 200) 내의 다양한 요소, 성분, 유닛/부, 및/또는 모듈은 전체가 유선 인터페이스를 통해 상호 연결되거나, 적어도 일부가 통신부(110)를 통해 무선으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(100, 200) 내에서 제어부(120)와 통신부(110)는 유선으로 연결되며, 제어부(120)와 제1 유닛(예, 130, 140)은 통신부(110)를 통해 무선으로 연결될 수 있다. 또한, 무선 기기(100, 200) 내의 각 요소, 성분, 유닛/부, 및/또는 모듈은 하나 이상의 요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 하나 이상의 프로세서 집합으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 통신 제어 프로세서, 어플리케이션 프로세서(Application processor), ECU(Electronic Control Unit), 그래픽 처리 프로세서, 메모리 제어 프로세서 등의 집합으로 구성될 수 있다. 다른 예로, 메모리부(130)는 RAM(Random Access Memory), DRAM(Dynamic RAM), ROM(Read Only Memory), 플래시 메모리(flash memory), 휘발성 메모리(volatile memory), 비-휘발성 메모리(non-volatile memory) 및/또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
본 발명이 적용되는 휴대기기 예
도 45는 본 명세서에 적용되는 휴대 기기를 예시한다. 휴대 기기는 스마트폰, 스마트패드, 웨어러블 기기(예, 스마트워치, 스마트글래스), 휴대용 컴퓨터(예, 노트북 등)을 포함할 수 있다. 휴대 기기는 MS(Mobile Station), UT(user terminal), MSS(Mobile Subscriber Station), SS(Subscriber Station), AMS(Advanced Mobile Station) 또는 WT(Wireless terminal)로 지칭될 수 있다.
도 45를 참조하면, 휴대 기기(100)는 안테나부(108), 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130), 전원공급부(140a), 인터페이스부(140b) 및 입출력부(140c)를 포함할 수 있다. 안테나부(108)는 통신부(110)의 일부로 구성될 수 있다. 블록 110~130/140a~140c는 각각 도 44의 블록 110~130/140에 대응한다.
통신부(110)는 다른 무선 기기, 기지국들과 신호(예, 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(120)는 휴대 기기(100)의 구성 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 제어부(120)는 AP(Application Processor)를 포함할 수 있다. 메모리부(130)는 휴대 기기(100)의 구동에 필요한 데이터/파라미터/프로그램/코드/명령을 저장할 수 있다. 또한, 메모리부(130)는 입/출력되는 데이터/정보 등을 저장할 수 있다. 전원공급부(140a)는 휴대 기기(100)에게 전원을 공급하며, 유/무선 충전 회로, 배터리 등을 포함할 수 있다. 인터페이스부(140b)는 휴대 기기(100)와 다른 외부 기기의 연결을 지원할 수 있다. 인터페이스부(140b)는 외부 기기와의 연결을 위한 다양한 포트(예, 오디오 입/출력 포트, 비디오 입/출력 포트)를 포함할 수 있다. 입출력부(140c)는 영상 정보/신호, 오디오 정보/신호, 데이터, 및/또는 사용자로부터 입력되는 정보를 입력 받거나 출력할 수 있다. 입출력부(140c)는 카메라, 마이크로폰, 사용자 입력부, 디스플레이부(140d), 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다.
일 예로, 데이터 통신의 경우, 입출력부(140c)는 사용자로부터 입력된 정보/신호(예, 터치, 문자, 음성, 이미지, 비디오)를 획득하며, 획득된 정보/신호는 메모리부(130)에 저장될 수 있다. 통신부(110)는 메모리에 저장된 정보/신호를 무선 신호로 변환하고, 변환된 무선 신호를 다른 무선 기기에게 직접 전송하거나 기지국에게 전송할 수 있다. 또한, 통신부(110)는 다른 무선 기기 또는 기지국으로부터 무선 신호를 수신한 뒤, 수신된 무선 신호를 원래의 정보/신호로 복원할 수 있다. 복원된 정보/신호는 메모리부(130)에 저장된 뒤, 입출력부(140c)를 통해 다양한 형태(예, 문자, 음성, 이미지, 비디오, 헵틱)로 출력될 수 있다.
본 명세서의 실시에에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍 방법 및 그 장치의 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 명세서의 일 실시예에 의하면, 복수의 피딩 포인트(feeding point)들, 상기 복수의 피딩 포인트들 중 각 피딩 포인트로 인가되는 상기 신호를 온(on) 또는 오프(off)하는 스위치(switch) 및 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자(variable reactance element)를 포함하는 안테나가 개시된다. 따라서 상기 안테나를 기반으로 전력이나 발열로 인한 문제 없이 효과적으로 빔포밍 시스템이 구성될 수 있다. 즉, 빔포밍 시스템을 구현함에 있어 크기, 소모 전력, 복잡도 및 비용이 감소한다.
본 명세서의 일 실시예에 의하면, 상기 복수의 피딩 포인트들은 제1 위치에 배치되는 적어도 하나의 제1 피딩 포인트(first feeding point) 및 상기 제1 위치와 다른 제2 위치에 배치되는 적어도 하나의 제2 피딩 포인트(second feeding point)를 포함하고 상기 제2 피딩 포인트는 상기 가변 리액턴스 소자와 연결된다. 방사 소자(radiating element)에 기생 안테나(parasitic antenna)나 그 밖의 구성을 추가하지 않고서도, 상기 피딩 포인트들의 선택과 리액턴스 값의 조절을 통해 안테나의 pattern reconfigurability를 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 안테나는 다양한 방사 패턴을 생성할 수 있고, 거대 배열 안테나(massive array antenna)를 구성하기 위한 모듈로써 활용되기 용이하다.
본 명세서의 일 실시예에 의하면, 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 위상 가중치에 기반하는 안테나 패턴을 배열 안테나에 적용함으로써 빔포밍이 수행된다. 이 때, 상기 안테나 패턴은 i) 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택 또는 ii) 상기 가변 리액턴스 소자의 리액턴스 값 중에서 적어도 하나와 관련된다. 따라서, 위상 천이기를 사용하지 않는 배열 안테나에 기반하여 효과적으로 빔포밍이 수행될 수 있다. 구체적으로 1) 빔포밍을 수행함에 있어 기존 패턴 재구성가능 안테나(pattern reconfigurable antenna)와 달리 생성할 수 있는 방사 패턴의 수가 제한되지 않으므로 다양한 방향과 위상을 가지는 방사 패턴을 생성할 수 있다. 2) 위상 천이기로 인한 전력 소모와 삽입 손실의 문제가 발생하지 않는 바 테라헤르츠 대역에서도 효과적으로 빔포밍이 수행될 수 있다.
이상에서 설명된 실시 예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시 예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시 예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시 예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시 예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 수단, 예를 들어, 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시 예는 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시 예는 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차, 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리는 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
본 발명은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (15)

  1. 안테나에 있어서,
    방사 소자(radiating element);
    상기 방사 소자에 신호를 인가하기 위한 피딩 라인(feeding line)이 연결되는 복수의 피딩 포인트(feeding point)들;
    상기 복수의 피딩 포인트들 중 각 피딩 포인트로 인가되는 상기 신호를 온(on) 또는 오프(off)하는 스위치(switch); 및
    상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자(variable reactance element)를 포함하고,
    상기 복수의 피딩 포인트들은,
    제1 위치에 배치되는 적어도 하나의 제1 피딩 포인트(first feeding point); 및
    상기 제1 위치와 다른 제2 위치에 배치되는 적어도 하나의 제2 피딩 포인트(second feeding point);를 포함하며,
    상기 제2 피딩 포인트는 상기 가변 리액턴스 소자와 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 위치는 상기 방사 소자의 가장자리(edge)로부터 특정 길이에 기반하여 형성되는 영역 내에 위치하며,
    상기 제2 위치는 상기 영역 밖에 위치하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 특정 길이는 상기 가장자리(edge)로부터 반대편 가장자리(edge)까지의 길이의 1/3(one third)에 기반하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 가변 리액턴스 소자는 칩 인덕터(chip inductor), 칩 커패시터(chip capacitor) 또는 버랙터 다이오드(varactor diode)에 기반하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  5. 무선 통신 시스템에서 배열 안테나를 구비한 무선 장치에 의해 수행되는 빔포밍 방법에 있어서,
    타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상을 계산하는 단계;
    빔포밍과 관련하여 미리 설정된 안테나 패턴들 중 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들을 결정하는 단계; 및
    상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴을 상기 배열 안테나에 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 배열 안테나에 포함되는 각 안테나는 복수의 피딩 포인트들 및 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자를 포함하며,
    상기 안테나 패턴은 i) 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택 또는 ii) 상기 가변 리액턴스 소자의 리액턴스 값 중에서 적어도 하나와 관련된 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은,
    상기 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택, 상기 리액턴스 값, 최대 이득 방향(peak gain direction) 또는 편파 위상(polarization phase) 중 적어도 하나와 관련된 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들은 상기 최대 이득 방향이 상기 타겟 빔포밍 방향에 기반하는 특정 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 편파 위상(polarization phase)과 관련된 정보는 상기 안테나 패턴에 기반하는 3차원 행렬을 포함하고,
    상기 3차원 행렬은 고도각(elavation angle), 방위각(azimuth angle) 및 상기 고도각(elavation angle) 및 상기 방위각(azimuth angle)에 기반하는 편파 위상(polarization phase)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 위상에 기반하는 안테나 패턴은,
    i) 상기 타겟 빔포밍 방향 및 상기 3차원 행렬에 기반하여 결정되는 상기 편파 위상과 ii) 상기 위상 간의 차이가 최소인 안테나 패턴에 기반하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 위상은 상기 배열 안테나에 포함되는 각 안테나별로 계산되고,
    상기 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택과 관련된 정보는 상기 각 안테나의 온(on) 또는 오프(off)를 나타내는 비트맵(bitmap)에 기반하며,
    상기 리액턴스 값과 관련된 정보는 상기 각 안테나의 리액턴스 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 위상에 기반하는 안테나 패턴의 적용은 상기 비트맵 및 상기 각 안테나의 리액턴스 값에 기반하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 수행하는 무선 장치에 있어서,
    배열 안테나;
    상기 배열 안테나를 통해 무선 신호를 송수신 하는 하나 이상의 송수신기;
    상기 배열 안테나 및 상기 하나 이상의 송수신기를 제어하는 하나 이상의 프로세서들;
    상기 하나 이상의 프로세서들에 동작 가능하게 접속 가능하고, 상기 하나 이상의 프로세서들에 의해 상기 빔포밍이 실행될 때, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하는 하나 이상의 메모리들을 포함하며,
    상기 동작들은,
    타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상을 계산하는 단계;
    상기 빔포밍과 관련하여 미리 설정된 안테나 패턴들 중 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들을 결정하는 단계; 및
    상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴을 상기 배열 안테나에 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 배열 안테나에 포함되는 각 안테나는 복수의 피딩 포인트들 및 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자를 포함하며,
    상기 안테나 패턴은 i) 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택 또는 ii) 상기 가변 리액턴스 소자의 리액턴스 값 중에서 적어도 하나와 관련된 것을 특징으로 하는 무선 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은,
    상기 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택, 상기 리액턴스 값, 최대 이득 방향(peak gain direction) 또는 편파 위상(polarization phase) 중 적어도 하나와 관련된 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 장치.
  14. 하나 이상의 명령어를 저장하는 하나 이상의 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 있어서,
    하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능한 하나 이상의 명령어는 장치가,
    타겟 빔포밍 방향과 관련된 위상을 계산하고,
    빔포밍과 관련하여 미리 설정된 안테나 패턴들 중 상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들을 결정하며,
    상기 타겟 빔포밍 방향과 관련된 안테나 패턴들 중 상기 위상에 기반하는 안테나 패턴을 배열 안테나에 적용하도록 설정되고,
    상기 배열 안테나에 포함되는 각 안테나는 복수의 피딩 포인트들 및 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트에 연결되는 가변 리액턴스 소자를 포함하며,
    상기 안테나 패턴은 i) 상기 복수의 피딩 포인트들 중 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택 또는 ii) 상기 가변 리액턴스 소자의 리액턴스 값 중에서 적어도 하나와 관련된 것을 특징으로 하는 하나 이상의 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은,
    상기 적어도 하나의 피딩 포인트의 선택, 상기 리액턴스 값, 최대 이득 방향(peak gain direction) 또는 편파 위상(polarization phase) 중 적어도 하나와 관련된 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체.
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