KR100340948B1 - 안테나어래이를사용하는기지국의편파다이버시티용방법및장치 - Google Patents

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Abstract

기지국은, 제1 및 제2 회전 편파를 수신하는 제1 및 제2 안테나 어레이와,
제1 및 제2 안테나 어레이에 연결되어 편파 다이버시티 수신을 토대로 해서 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생하기 위해 이동국으로부터 각 제1 및 제2 수신신호를 처리하는 편파 다이버시티 수신기를 포함한다. 송신 및 수신안테나 소자간의 편파 격리는 제1 수신안테나 소자를 이동시키는 기판 상에 실장된 제2 편파용 제1 다수의 송신안테나 소자를 가짐으로써 또한 구비된다. 제2 안테나 어레이는 제 2 수신안테나 소자를 이동시키는 기판 상에서 제2 다수의 안테나 소자를 포함한다. 이동국에서 편파 다이버시티 이득을 이루기 위해, 기지국은 교대로 동작하는 제1 및 2회전 편파에서 신호를 교대로 송신하는 교대 편파 송신기를 더 포함한다. 본 발명의 방법 태양이 또한 개시된다.

Description

안테나 어레이를 사용하는 기지국의 편파 다이버시티용 방법 및 장치{Method and Apparatus for Polarization Diversity in Base Station Using Antenna Arrays}
일반적으로 셀룰러 통신 시스템은 다수의 이동 유니트 또는 가입자에 음성 및 데이터 통신을 제공하기 위해 사용된다. AMPS, ETACS, NMT-450, 및 NMT-900 등의 아날로그 셀룰러 시스템은 전세계에 걸쳐 성공적으로 배치되어 왔다. 더 최근에는, 북미 IS-54B 및 범유럽 GSM 시스템과 같은 디지털 셀룰러 시스템이 도입되었다. 이러한 시스템 등에 대해서는, 예를 들어 1993년 MA Norwood, Artech House에 의해 출판된 Balston 등의 "셀룰러 무선 시스템"("Cellular Radio System")에 설명되어 있다.
주파수 재사용은, 주파수 그룹이 셀이라는 기지의 제한된 지리적 커버리지 범위의 영역에 사용하기 위해 할당되는 셀룰러 기술에 일반적으로 사용된다. 동등의 주파수 그룹을 포함하는 셀은 지리적으로 분리되어 다른 셀의 이동 유니트 (mobile units)가 서로 간섭 없이 동일한 주파수를 동시에 사용하도록 한다. 이와같이 함으로서 수천의 가입자가 단지 수백의 주파수를 가지는 시스템에 의해 서비스될 수 있다. 미국에서, 예를 들어, 연방 당국은 채널로 불리는 협대역 주파수 쌍으로 다시 더 분할된 UHF 주파수 스펙트럼의 블록을 셀룰러 통신에 할당했다. 채널 쌍(pairing)은 주파수 듀플렉스(duplex) 장치로부터 발생되는데 여기서, 각 쌍의 송신 및 수신 주파수가 45 MHz로 오프셋(offset)된다. 현재 미국에서는 832개의 30-KHz 넓이의 무선 채널이 셀룰러 이동 통신에 할당되어 있다. 상기 아날로그 시스템의 용량 제한을 처리하기 위해 IS-54B라고 하는 디지털 송신 표준이 제공되고, 이러한 주파수 채널은 3개의 시간 슬롯(time slot)으로 다시 더 분할된다.
도 1에 예시했듯이, 종래의 셀룰러 통신 시스템(20)은 하나 이상의 이동국 또는 유니트(21)와, 하나 이상의 기지국(23) 및 이동 전화 교환실(MTSO)(25)을 포함한다. 3개의 셀(36)만이 도 1에 도시되었지만, 통상적인 셀룰러 망은 수백 개의 기지국, 수천 개의 이동국 및 하나 이상의 MTSO를 포함할 수 있다. 각 셀에는 하나 이상의 전용 제어 채널 및 하나 이상의 음성 채널이 할당된다. 통상적인 셀이 예를 들어 하나의 제어 채널, 및 21개의 음성/데이터 채널, 또는 트래픽(traffic) 채널을 갖는다. 제어 채널은 셀 식별(cell identification) 및 페이징 정보(paging information)를 위해 사용되는 전용 채널이다. 트래픽 채널은 음성 및 데이터 정보를 전달한다.
MTSO(25)는 전체 셀룰러 망(20)의 중앙 좌표 소자(central coordinating element)이다. 이것은 통상적으로 셀룰러 프로세서(28), 셀룰러 스위치(29)를 포함하고 공중 전화망(PSTN)(30)에 대한 인터페이스를 또한 제공한다. 셀룰러 망(20)을통해, 듀플렉스 무선 통신 링크(duplex radio communication link)(32)는 2개의 이동국(21)간에 또는 이동국(21) 및 지상선 전화 사용자(landline telephone)(33)간에 이루어진다. 기지국(23)의 기능은 일반적으로 이동국(21)과 무선 통신을 하는 것이다. 이러한 기지국(23)은 데이터 및 음성 신호에 대해 주로 중계국(relay station)으로서 기능한다. 기지국(23)은 또한 링크(32)의 품질을 감독하고 이동국 (21)으로부터 수신된 신호 강도(signal strength)를 모니터 한다.
종래와 같은 통상적인 기지국(23)이 도 2에 개략적으로 도시되었는데, 이것은 예를 들어 에릭슨 텔레콤 AB(Ericsson Telecom AB, Stockholm, RBS 882)에 의해 제조된 CMS 8800 셀룰러 이동 전화 시스템용 모델 번호 RBS 882의 기능적인 요소를 나타낸다. 상기 아날로그 셀룰러 망에 대한 충분한 설명은 에릭슨 텔레콤에 의해 발간된 공보 번호 EN/LZT 101에 나타나 있다.
현재 일반적으로 많은 간선 도로에서 볼 수 있듯이, 기지국(23)은 제어 유니트(34) 및 안테나 타워(35)를 포함한다. 제어 유니트(34)는 기지국 전자 장치로 이루어지고 대개 타워(tower)의 베이스(base)에서 또는 베이스 가까이에서 보호 울타리(ruggedized enclosure)내에 위치된다. 무선 제어 그룹(37) 또는 RCG, AC 그리드 (grid)로부터의 전력을 기지국(23)내의 개별적인 소자에 전력을 공급하기 위해 변환하는 교환 무선 인터페이스(ERI) 및 주 전력 공급기(41), 및 백업 전력 공급기 (42)가 상기 울타리 내에 있다.
ERI(38)는 MTSO(25)와 기지국(23)간에 신호를 제공한다. ERI(38)는 데이터를 RCG(37)로부터 수신하여 전용 MTSO-BS 링크(45)상의 MTSO(25)로 이동시킨다. 역방향에서, ERI(38)는 MTSO(25)로부터 데이터를 수신하여 이동국(21)으로의 연속 송신용 RCG(37)에 보낸다.
무선 제어 그룹(37)은 무선 통신을 행하는데 필요한 전자 장비를 포함한다. 종래 기술에서와 같은 RCG(37)의 기능적인 블록 다이어그램이 도 3에 도시되어 있다. 도시된 구성은 하나의 셀 또는 셀의 섹터(sector)를 서비스하기 위해 요구된 통상적인 구성처럼 하나의 제어 채널 송신/수신 모듈(TRM)(51), 다수의 음성 채널 TRMs(52), 하나의 신호 강도 수신기(53)를 나타낸다. 각 TRM(51, 52)는 각 송신기 (54), 수신기(55) 및 제어 유니트(57)를 포함한다. TRMs(51, 52)는 통상적으로 기민한 주파수(frequency agile)가 아니며 대신에 단지 하나의 지정된 채널 상에서 동작한다. ERI(38)로부터의 제어 신호는 개별적인 제어 유니트(57)에 의해 수신된다. 음성 및 데이터 트래픽 신호는 분리된 인터페이스를 거쳐 ERI(38)로 보내진다.
제어 및 음성용 개별적인 송신기(54) 각각은 송신 결합기(transmit combiner)(58)에 연결된다. 송신 결합기는 동축 케이블(62)를 통해 모든 입력 신호를 송신 안테나(63)에 결합된 단일 출력으로 결합한다. 결합기(58)를 사용함으로서, 16 개까지의 송신기(54)가 공통 송신 안테나(63)에 통상적으로 연결된다. 안테나를 지지하기 위해 사용된 전주(mast) 및 타워 상의 공간에 대해서 프리미엄 (premium)이 종종 있기 때문에 결합기(58)가 사용된다. 극단적인 경우에, 하나의 전주는 100개 이상의 무선 채널을 지지하도록 요구될 수도 있다.
수신측에서, 수신된 신호가 주파수에 따라 분리되고 각 TRMs(51, 52)에서 개별적인 수신기(55)로 통과되는 각 수신 결합기(66A, 66B)에 2개의 수신안테나(65)가 각각 결합된다. 2개의 수신안테나(65)는 타워에서 통상적으로 3 내지 5 미터 간격으로 떨어져 있어서 비상관 페이딩 패턴(uncorrelated fading pattern)을 가지는 신호를 수신할 수 있어서 공간 다이버시티 수신(space diversity reception)을 제공한다. 사전-검출(predetection) 및 사후-검출(post-detection) 다이버시티에 대한 많은 선행 기술이 있는데, 이것은 예를 들어 1992년 맥그로힐 발행, 윌리엄 C. Y. 리의 "Mobile Communication Engineering" 제 10장에 나타나 있다.
통상적인 기지국(23)에 대한 하나의 가시적인 특징이 안테나 타워(35)이다. 합당한 커버리지 영역을 이루기 위해, 안테나(63, 65)는 지면에서 어느 정도 거리를 두도록 설치되는게 바람직하다. 또한 도 4a의 종래 기술의 개략적인 평면도를 다시 참조하여, 시골 지역에서 타워(35)는 셀(36)의 중심에 일반적으로 위치되어 전방향성(omni-directional) 커버리지를 제공한다. 전방향성 셀에서, 제어 채널 (들) 및 능동 음성 채널(들)이 모든 셀 지역에서--보통 단일 안테나로부터 전송된다. 기지국(23)이 더 밀집하게 있는 곳에서, 종래 기술에서는 섹터화된 안테나 시스템이 사용될 수 있으며, 도 4b에 개략적인 다이어그램으로 도시되었다. 섹터화를 위해서는 예를 들어 도 4b에 예시된 것과 같이 120도 방사 패턴(radiation pattern)을 갖는 지향성 안테나(directional antenna)(70)가 필요하다. 각 섹터 (71)는 그 자신의 제어 채널(들) 및 트래픽 채널(들)을 갖는 셀 자체이다. "채널"이 아날로그 시스템의 특정한 캐리어 주파수(carrier frequency)를 말하거나 또는 IS-54 및 GSM과 같은 하이브리드(hybrid) TDMA/FDMA 시스템에서 특정한 캐리어/슬롯 결합(carrier/slot combination)을 말하는 것이다.
도 5a는 상기한 종래 기술과 같은 통상적인 안테나 시스템을 나타낸다. 도 5b는 앞에서 언급되었던 종래 기술의 2가지 형태의 안테나를 나타내는데--다이폴 (dipole)(66)과 같은 전방향성 안테나와, 예를 들어 반사기(reflector)(64)를 더 포함하는 지향성 섹터 안테나(70)를 나타낸다. 송신 및 수신안테나는 주어진 기지국에서 통상적으로 동일한 형태이다.
셀룰러 통신 시스템에서 스캐닝 위상 어레이 안테나(scanning phased array antenna)의 사용이 제안되었다. 예를 들어, 93차 IEEE VTC 의사록, 93 내지 96면, Stapleton 등의 "A Cellular Base Phased Arrays Antenna System"에서는 360도 스캐닝 성능을 제공하기 위해 단극 방사 요소(monopole radiating element)의 원형 어레이(circular array)가 설명되어 있다. 공간 다이버시티를 제공하기 위해, Stapleton의 안테나는 각 방사 소자가 셀에 할당된 모든 채널 상에 송신 퍼텐셜 potential)을 가지도록 설계된다.
수동 마이크로스트립 어레이는(passive microstrip aray)를 셀룰러 기지국으로써 사용하는 것이 현재 가능하다고 알려져 있다. 예를 들어, Huber+Suhner AG(Huber+Suhner AG of Herisau, Switzerland)에 의해 제조된 형식 번호 1309.41.0009는 셀룰러 기지국에서 사용하는 형상화된 승강 빔(shaped elvation beam)을 갖는 7개 소자로 되고 선형적으로 편파된 편파 패널 수동 안테나 (polaeized flat panel passive antenna)이다. 상기 어레이는 통상적인 다이폴 안테나를 대체할 수 있고 빌딩의 측면 또는 다른 평평한 표면상에 위치시키는데 매우 적합하다. Huber+Shuner에 의해 발간된 응용 노트 20.3에서는, 신호 일부를 몇 개의 개별적인 패널로 전환시키는 전력 분할기(power-splitter)를 사용함으로서 광역 커버리지를 얻을 수 있음이 나타나 있다.
1972년 10월 미국, IEEE 의사록 제 COM-20호 제5호, ISSN 0090-6778, 제 912-923면, Lee 등의"Polarization Diversity System for Mobile Radio"에서는 기지국 안테나가 원하는 만큼 가까운 간격으로 설치될 수 있는 장점을 가지는 2-분기 (branch) 수신기 다이버시티 시스템이 논의되어 있다. 1985년 2월 5-7일, 핀랜드, 에스푸, 디지털 육상 이동 무선 통신 의사록, 제87-96면, Vaughan 등의 "Antenna Diversity for Mobile Communication"에서는 결합기를 갖는 다이버시티 안테나가 논의되어 있다. 영국 특허 출원 GB-A-2 221 820에서는 편파 다이버시티 무선 통신 시스템이 논의되어 있다.
셀룰러 시스템 기지국 수신안테나에서의 공간 다이버시티의 이론적인 장점에도 불구하고, 충분한 분리가 항시 얻어질 수는 없다. 다시 말해서, 안테나 타워는 수신 신호에 대한 비상관 페이딩이 이루어지도록 수신안테나에 충분한 물리적 분리를 허용하지 않는다. 또한, 선형으로 편파된 이동 안테나의 배향(orientation)이 기지국에서 통상적으로 수직으로 편파된 수신안테나와 항시 정렬하지는 않는다. 또한, 이동국의 수신이 페이딩을 받게 된다.
본 발명은 일반적으로 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 셀룰러 무선 통신 시스템에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에서와 같은 셀룰러 통신 시스템의 기본 구성을 예시하는 개략적인 블록 다이어그램.
도 2는 종래 기술에서와 같은 셀룰러 통신 기지국의 기능 구성을 예시하는 개략적인 블록 다이어그램.
도 3은 종래 기술에서와 같은 기지국의 무선 제어 그룹의 기능 소자를 예시하는 개략적인 블록 다이어그램.
도 4a는 종래 기술에서와 같은 전-방향성 셀룰러 패턴을 예시하는 개략적인 구성도.
도 4b는 종래 기술에서와 같은 섹터화된 셀룰러 패턴을 예시하는 개략적인 구성도.
도 5a는 종래 기술에서와 같은 통상적인 셀룰러 안테나 시스템을 예시하는 개략적인 측면도.
도 5b는 종래 기술에서와 같은 전-방향성 안테나 및 섹터 안테나를 예시하는 개략적인 측면도.
도 6은 본 발명에 따른 다수의 안테나 소자를 포함하는 기지국의 구성도.
도 7은 도 6에 따른 연장 기판 상에서 다수의 패치 안테나 소자를 포함하는 안테나 어레이 단면도.
도 8은 도 7에 따른 안테나 어레이의 개략도.
도 9는 도 7에 따른 연장 기판(고정된)상에서 단일 패치 안테나 소자의 정면 사시도.
도 10은 도 7에 따른 연장 기판 상에서 단일 패치 안테나 소자의 후면 사시도.
도 11은 도 6에 따른 각 수신 커버리지 영역을 형성하는 안테나 소자 어레이쌍의 평면도.
도 12는 도 6에 따른 각 송신 커버리지 영역을 형성하는 안테나 소자 어레이쌍의 평면도.
상세한 배경 기술로 비추어 볼 때, 본 발명의 목적은 특히 페이딩(fading) 및/또는 이동 안테나의 오배향(misorientation)의 관점에서, 이동국과의 통신을 개선할 수 있는 셀룰러 통신 시스템 기지국을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 장점 및 특징은 제1 및 제2 편파를 수신하는 제1 및 제2 안테나 어레이와, 이동국으로부터 각각의 제1 및 2 수신 신호를 처리하기 위해 제1 및 2 안테나 어레이에 연결된 편파 다이버시티 수신기를 포함하여, 편파 다이버시티 수신을 근거로 고도화 품질 출력 수신 신호(enhanced quality output receive signal)를 발생시키는 셀룰러 기지국을 제공하는 것이다. 특히, 제 1 안테나 어레이는, 셀룰러 통신 채널을 통해 이동국으로부터 제1 편파를 가지는 신호를 수신하고 소정의 패턴으로 설치되어 제1 수신 커버리지 영역을 형성하는 다수의 제1 수신안테나 소자를 포함한다. 마찬가지로, 제2 안테나 어레이는, 셀룰러 통신 채널을 통해 이동국으로부터 제1 편파와는 다른 제2 편파를 가지는 신호를 수신하고 소정의 패턴으로 설치되어 제2 수신 커버리지 영역을 형성하는 다수의 제2 수신안테나 소자를 포함한다. 안테나 실장 수단(mounting mean)은 제1 및 제2 수신 커버리자가 중복되게 제1 및 제2 안테나 어레이를 실장하도록 제공된다. 바람직하게는 실장 수단이 안테나 전주를 포함한다. 이와 달리, 실장 수단은 예를 들어 빌딩 벽과 같은 다른 지지 구조를 포함할 수도 있다.
상기 편파는 회전 편파(rotational polarization)일 수 있다. 예를 들어, 제 1 편파는 우측 원형 편파(right-hand-circular polarization)이고, 제2 편파는 좌측 원형 편파(left-hand-circular polarization)이다. 이동국 안테나는 통상적으로 선형 편파를 가지나, 수평 및 수직 사이의 각도에서 배향될 수 있다. 따라서, 편파 다이버시티는 페이딩을 덜 받는 고도화 수신 신호를 제공한다.
편파 다이버시티 수신기는 제1 및 제2 신호의 신호 대 잡음비를 결정하는 신호 품질 결정 수단(signal quality determining means)과, 각 신호 대 잡음비를 근거로 제1 및 제2 수신 신호를 가중시켜 고도화 품질 출력 수신 신호가 발생되게 하는 가중 수단(weighting means)을 포함한다. 편파 다이버시티 수신기는 주파수 또는 시간 슬롯을 근거로 제1 및 제2 수신 신호를 다수의 각 개별적인 채널로 분리하고, 편파 다이버시티 수신을 근거로 각 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생하는 개별적인 채널 각각을 처리하는 수단을 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따라서 송신 및 수신 안테나 소자간의 편파 격리 (polarization isolation)가 제공된다. 따라서, 제1 안테나 어레이는 제2 회전 편파를 송신하기 위해 소정의 패턴으로 설치된 다수의 제1 송신 안테나 소자를 더 포함하여 다수의 제1 수신안테나 소자로부터의 편파 격리를 제공한다. 마찬가지로, 제2 안테나 어레이는 제1 회전 편파를 송신하기 위해 소정의 패턴으로 설치된 다수의 제2 송신안테나 소자를 더 포함하여 제 2수신안테나로부터의 편파 격리를 제공한다. 또한, 제1 안테나 어레이의 수신안테나 소자 중의 각각의 것과 제1 안테나 어레이의 송신 안테나 소자 중의 각각의 것은 공통 패치 안테나에 제공될 수 있다. 공통 패치 안테나는 하나의 편파를 갖는 신호를 수신할 수 있으며 다른 편파를 갖는 신호를 송신할 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 편파 다이버시티가 기지국으로부터의 송신에서 이루어져서 편파 다이버시티 이득(gain)이 이동국에서 이루어진다는 것이다. 송신 상에서 편파 다이버시티는 수신상의 편파 다이버시티에 독립해서 또는 그 편파 다이버시티와 결합해서 사용된다. 이동국에서 편파 다이버시티 이득을 얻기 위해, 기지국은 다수의 제1 및 제2 송신기 안테나 소자에 연결된 교대 편파 송신기(alternating polarization transmitter) 수단을 더 포함하는데 이 수단은 교대로 동작되는 제1 및 제2 회전 편파 각각에서 신호를 교대로 송신하기 위한 것이다. 기지국은 상기 교대 편파 송신기 수단에 연결되어 제1 및 제2 안테나 어레이로부터 이동국으로 송신되는 코드화되고 인터리브된 시분할 다중 액세스 신호(coded and interleaved time division multiple access signal)를 발생하는 송신기 코딩 수단을 또한 포함한다. 따라서, 교대로 동작되는 제1 및 제2 회전 편파 각각에서 인터리브 코드화 신호(interleaved coded signal)를 송신하는 셀룰러 기지국과 통신하는 이동국은 셀룰러 기지국으로부터 송신된 신호를 수신하는 안테나와, 이 안테나에 연결되어 셀룰러 기지국으로부터 신호를 디인터리브하고 디코딩 함으로서 편파 다이버시티 이득을 이루게 하는 수신기 수단을 포함한다. 셀룰러 기지국으로부터 송신되는 인터리브 코드화 신호는 바람직하게는 시분할 다중 액세스(TDMA) 신호이고, 여기서 수신기 수단은 TDMA 신호를 수신하는 수단을 포함한다.
제1 안테나 어레이는 수직 방향으로 연장된 다수의 제1 송신안테나 소자 및 다수의 제1 수신안테나 소자를 가지는 연장 기판(elogate substrate)을 포함한다. 제2 안테나 어레이는 상기 제1 안테나 어레이와 유사하며 제1 안테나 어레이에 인접해서 실장된다. 각각의 제1 및 제2 안테나 어레이는 연장 기판 상에 다수의 송신 증폭기를 더 포함하고, 송신안테나 소자에 연결되어 능동 위상 어레이 안테나 (active phased array antenna)를 형성하게 된다. 환경 보호를 위해, 각각의 제1 및 제2 안테나 어레이는 연장 기판을 둘러싸는 무선-투명 하우징(radio-transparent housing)을 더 포함한다.
본 발명의 방법의 바람직한 태양은 적어도 하나의 이동국과 통신하는 셀룰러 기지국을 동작하기 위한 것이다. 상기 방법은 제1 편파에서 이동국으로부터 제1 신호를 수신하는 단계와, 제1 편파와는 다른 편파에서 이동국으로부터 제2 신호를 수신하는 단계와, 편파 다이버시티 수신을 근거로 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생시키기 위해 제1 및 제2 수신 신호를 처리하는 단계 포함한다.
또한, 본 발명의 방법에 대한 다른 태양은 편파 격리를 얻는 동시에 이동국에서 다이버시티 이득을 얻는 것이다. 상기 방법은 인접하는 다수의 제1 수신안테나 소자로부터 제2 편파를 송신함으로서 편파 격리를 제공하는 단계와, 인접하는 다수의 제2 수신안테나 소자로부터 제1 편파를 송신함으로서 편파 격리를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 이동국에서 고도화 수신 신호 품질을 제공하기 위해 교대로 동작되는 제1 및 제2 편파 각각에서 신호를 교대로 송신하는 단계를 포함한다.
본 발명은 첨부 도면을 참고로 다음에 더 충분하게 설명되며, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내었다. 그러나, 본 발명은 다수의 다른 형태로 실시될 수 있으며 본원에서 설명된 실시예로 제한되도록 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이러한 실시예는 본 개시가 철저하고 완전하며, 상기 기술에 숙련된 자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하게 되도록 제공된다. 동일한 도면 번호는 전체에 걸쳐 동일한 소자로 언급된다.
먼저 도 6에서, 다수의 안테나 어레이를 포함하는 기지국(200)이 설명된다. 안테나 어레이는 원통형 패턴으로 구성되어 어떤 방향으로도 송신 또는 수신이 가능하게 해준다. 교대로 동작되는 제1(210a-d) 및 제2(212a-d) 안테나 어레이는 제1 및 제2 편파를 갖는 신호를 수신하기 위한 것이다. 편파 다이버시티 수신기(214)는 이동국으로부터 수신된 제1 및 제2 수신 신호를 각각 처리하는 제1(210) 및 제 2(212) 안테나 어레이 각각에 연결되어 편파 다이버시티 수신을 근거로 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생시킨다. 또한, 각 안테나 어레이(210a-d 및 212a-d)로부터의 신호가 각 편파 다이버시티 수신기(214)에 인가되기 전에 각 증폭기(216)에 의해 증폭될 수 있다. 도시했듯이, 각 편파 다이버시티 수신기는 2개의 인접한 안테나 어레이로부터 신호를 수신한다. 상기 기술 분야에 숙련된 자라면 이해할 수 있듯이, 더 높은 정도의 편파 다이버시티 수신은 2개 이상의 인접한 안테나 어레이에서 각 편파 다이버시티 수신기로 신호를 제공함으로써 이루어질 수 있다.
특히, 제1 안테나 어레이(210a-d) 각각은 제1 회전 편파를 갖는 신호를 수신하고 소정의 패턴으로 설치되어 제1 수신 커버리지 영역을 형성하는 다수의 제1 수신안테나 소자를 포함한다. 안테나 소자는 상기 기술 분야에 숙련된 자라면 쉽게 이해할 수 있는 원형 패치(patch) 안테나 소자(도 7 및 8에 예시했듯이) 또는 횡단다이폴(crossed dipole)이다. 또한, 상기 안테나 소자는 송신안테나 소자로서도 동시에 사용될 수 있다.
마찬가지로, 제2 안테나 어레이(212a-d) 각각은 제1 회전 편파와 다른 제2 회전 편파를 수신하고 소정의 패턴으로 설치되어 제2 수신 커버리지 영역을 형성하는 다수의 제2 수신안테나 소자(도 7 및 8에 예시했듯이)를 포함한다. 상기 안테나 소자는 송신안테나 소자로서도 동시에 사용될 수 있다. 예시된 안테나 전주(218)와 같은 안테나 실장 수단이 제1 및 제2 안테나 어레이를 실장하기 위해 제공되어 인접한 안테나 소자에 의해 형성된 인접한 수신 커버리지 영역은 겹쳐지게 된다.
단일 안테나 어레이(223)를 떼어낸 것이 도 7에서 예시된다. 양호한 실시예에서, 안테나 어레이는 패치 안테나와 같은 다수의 인쇄 회로 기판(printed circuit board) 안테나 소자(224)를 포함한다. 패치 안테나 소자와 같은 안테나 소자(224)는 인쇄 회로 기판과 같은 연장 기판(226)상에서 제공되고, 상기 패치 안테나는 송신 및 수신 소자로서 겸해서 사용할 수 있다. 연장 기판은 도 8에 개략적으로 예시했듯이 입력 증폭기(228), 입력(230b) 또는 송신(230a) 필터, 출력 또는 수신 저잡음 증폭기(low noise amplifier;"LNA")(231), 및 출력(232b) 또는 수신 (232a) 필터와 같은 다른 소자도 제공한다. 도 7에 더 예시했듯이, 패치 안테나 (224)를 갖는 연장 기판(226)은 무선 투명관 하우징(radio transparent tubularhousing)(234)으로 둘러 싸진다. 실장 브래킷(mounting bracket)(236)은 안테나 어레이를 기지국 전주에 연결하기 위해 사용될 수 있고, 케이블(220)은 안테나 어레이(223)를 각 편파 다이버시티 수신기에 연결하기 위해 사용될 수 있다.
도 8에서 개략적으로 도시했듯이, 각 안테나 소자(224)는 제1 결합선(239)을 포함하는 제1 결합 회로(238)에 의해 공통 수신 필터(232a) 및 저잡음 수신 증폭기 (231)에 결합된다. 결합선(241)을 포함하는 제2 결합 회로(240)는 송신 신호를 송신 전력 증폭기(228)에 분배한다. 상기 기술에 숙련된 자라면 쉽게 이해할 수 있듯이, 송신 증폭기는 시분할 다중 접속(Time Division Multiple Access: TDMA) 신호를 증폭하는 단일 반송 전력 증폭기(single carrier power amplifiers: SCPA's)이거나 합성된 몇 개의 다른 반송 주파수 신호를 증폭하는 다중-반송 전력 증폭기 (multi-carrier power amplifier's: MCPA's)일 수 있다. SCPA's가 사용되는 경우에, 신호는 단일 주파수상에서 단일 기본 방향으로 향하게 되고, MCPA's가 사용되면, 여러 주파수상의 다중 신호는 각각의 방향으로 향하게 될 수 있다. 그러나, 수신 방향에서 수신 저잡음 증폭기(231)는 항상 다중 주파수상에서 신호를 수신 및 증폭할 수 있다. 결합선(240)에 추가로, 제2 결합 회로는 동일시간 슬롯에서 여러 주파수상에서 동작하는 송신 서브어레이(subarray)를 제공하기 위해 송신 어레이를 동적으로 분할하는 스위칭 수단을 포함할 수 있다.
송신 증폭기(228)는 수신 주파수 대역을 겹쳐지게 하는 주파수에서, 수신 저잡음 증폭기(231)의 잡음 형태를 저하시키는데 충분한 레벨의 광대역 잡음 출력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 도시한 것과 같은 송신(230a) 및 수신(232a) 필터가 사용될 수 있다. 수신 필터(232a)는 수신 주파수 대역을 통과시키며 송신 주파수 신호를 감쇄시키기 위해 조정된 대역통과 필터(bandpass filer)인 반면에, 송신 필터 (230a) 또는 입력 필터(230b)는 수신 주파수에서 송신을 감쇄시키고 송신 주파수 대역을 통과시키는 노치(notch) 필터일 수 있다.
상기 기술에 숙련된 자에 의해 쉽게 이해될 수 있듯이, 지향성에 맞는 수신이 수신된 신호 품질을 개선시키기 위한 한 방법이다. 수신된 신호 품질을 개선시키기 위한 다른 방법으로는 예를 들어 넓은 간격을 가진 안테나(공간 다이버시티)에서, 여러 주파수(주파수 다이버시티)상에서 또는 여러 시간(시간 다이버시티 또는 인터리브된 반복 코딩)에서 2개 이상의 독립적인 채널을 사용하는 다이버시티 수신(diversity reception)이 있다. 지향성 이득을 얻기 위해 여러 안테나 어레이 소자로부터 신호를 결합할 때와는 달리, 결합 신호 프로세서(joint signal procssor)에서 비상관 페이딩으로부터 곤란해진 소스로부터의 신호를 결합할 때는 상당한 다이버시티 이득이 이용 가능하다.
동일한 신호 페이딩을 겪는 2개의 서로 다른 안테나로부터 신호를 통상적으로 결합하는 것은 대략 3dB의 이득을 발생시키는 반면에, 페이딩이 비상관 레일라리(uncorrelated Rayleigh)라면, 7dB정도의 이득이 얻어진다. 페이딩은 이동 전화상에서 단지 몇 인치(inch)만큼의 간격으로 떨어진 2개의 안테나 상에서 비상관될 수 있으나, 유감스럽게도, 기하 확대 효과(geometric magnification effect) 때문에, 기지국에서 요구되는 간격은 수백 배 더 커질 수 있다. 이동국에서는 상대적으로 가까운 간격으로도 가능한데 왜냐하면 수십 또는 수백 야드(yard) 내의 목적물로부터의 반사에 의한 것과 같이, 이동국 근처의 근접 필드 클러터(near field clutter)로 인하여 페이딩을 야기하는 다중 경로가 발생하기 때문이다. 그러나, 역방향에서, 상기 반사는 기지국에서 요구된 안테나 간격의 기하 확대로 인하여 기지국으로 수마일(mile) 전달될 수 있다. 따라서, 기지국에서 인접한 안테나들 사이의 몇 피트의 간격은 공간 다이버시티를 통한 비상관 페이딩을 얻기에는 불충분하다.
다른 한편으로, 직교 편파(orthogonal polarization)의 안테나를 비교할 때 페이딩은 크게 비상관됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 교대 안테나 어레이는 양호하게 직교로 편파된다. 예를 들어, 제1 안테나 어레이(210) 각각은 송신을 위해 우측-원형-편파(right-hand-circular-polarization: RHCP)를 사용하고 수신을 위해 좌측-원형-편파(left-hand-circular-polarization: LHCP)를 사용하는 것과 같이 직교 회전 편파를 사용할 수 있는 반면에, 제2 인접한 안테나 어레이(212)각각은 송신 및 수신을 위해 대향 편파(opposite polarization)를 사용한다. 따라서, 편파 격리는 송신 및 수신 신호를 격리하는 실시예로서 사용될 수 있다. 송신 경로가 단일 반송 능력만을 가질지라도 수신 경로는 다중 반송 능력을 갖는다. 그러므로, 그 수신된 신호는 비상관 페이딩을 나타내는 RHCP 및 LHCP 모두로 수신된다. 2개 이상의 안테나 어레이로부터 신호를 처리할 때, 다이버시티 이득은 지향성 이득이 얻을 수 있는 것보다 큰 것을 얻게 되고 모든 안테나 어레이는 같은 수신 편파를 가진다.
도 7을 참고로 상기 기술에 숙련된 자라면 이해할 수 있듯이, 각 안테나 어레이는 길고 얇은 모듈 또는 인쇄 회로 기판과 같은 연장 기판(226)상에서 분리되게 제조된다. 패치 안테나과 같은 인쇄 회로 기판 안테나 소자는 상기 기술에 숙련된 자라면 쉽게 이해할 수 있듯이 모듈의 일부분으로서 쉽게 제조될 수 있다. 도 9 및 10에서 도시했듯이, 원형 패치 안테나 소자(224)는 2개의 피드점(feed point)(270 및 272)에서 피드되고, 2개의 피드점이 인쇄된 분기된 사각 커풀러 (branch-line quadrature coupler)(274)에 연결되어 대향 원형 또는 회전 편파의 2개의 피드점(270 및 272)을 제공한다. 접지 연결부(ground connection)(276)는 연장 기판(226)의 2개층 사이에 끼워져서 나타난 접지 평면(278)에 안테나 소자(224)를 연결하기 위해 사용될 수 있다. 상기 기술에 숙련된 자라면 이해할 수 있듯이, 증폭기와 같은 능동 소자 및 필터와 같은 수동 소자는 연장 기판 상에 실장되거나 구성된다.
도 7에 예시했듯이, 각 안테나 어레이는 연장 기판(226)을 둘러싼 무선-투명관 하우징(234)을 포함한다. 찬 기후에서, 온도 센서 및 히터가 하우징 내에 포함될 수도 있다.
몇 개의 동일선 안테나 어레이(collinear antenna array)가 단일 안테나 마운트(mount)상에 실장될 수 있다. 그럼으로써 각 안테나 어레이는 수직 평면에서의 좁은 빔(narrow beam)뿐만 아니라 방위 평면(azimuthal angle)에서도 지향성을 제공하고, 어레이는 다른 방위 섹터를 커버하기 위해 배향될 수 있다. 이것은 동일한 높이지만 다른 방위 섹터를 향하는 다른 동일선 어레이를 안테나 전주 주위에 실장하거나, 또는 동일하거나 다른 방위 섹터를 향하는 2개 이상의 어레이를 서로의 주위에 실장함으로써 행해질 수 있다. 사실상, 어레이의 방위 설정은 어레이가 실장되는 곳에 무관하게 설정되나, 어레이는 나머지 안테나 어레이 또는 전주로부터 간섭이 없도록 지향되는 것이 바람직하다.
기지국(200)은 도 6에 도시했듯이 원형 패턴으로 구성된 다수의 안테나 어레이(210a-d 및 212a-d)를 포함한다. 각 안테나 어레이로부터 수신된 신호가 각 편파 다이버시티 수신기(214)에 인가되기 전에 각 케이블(220)을 통해 각 증폭기(216)에 송신된다. 바람직한 실시예에서, 케이블 손실은 전주머리(masthead) 전치증폭기를 도 7의 안테나 어셈블리로 집적함으로써 감소된다. 전주머리 전치증폭기는 각 케이블(220)에 앞서 이득을 제공한다. 상기 기술에 숙련된 자라면 이해할 수 있듯이, 증폭기(211)의 분배 기능은 수동 분할기(splitter)가 대신해서 수행할 수 있다. 2개의 인접한 안테나 어레이로부터 수신된 신호는 도시했듯이 각 편파 다이버시티 수신기에 인가된다. 따라서, 인접한 안테나 어레이에 의해 수신되는 신호는 각 편파 다이버시티 수신기에 의해 향상될 수 있어 신호 페이딩의 효과를 감소시킨다.
인접한 안테나 어레이(210 및 212)쌍 각각은 도 11에 예시했듯이 각 수신 커버리지 영역(242 및 244)을 형성한다. 수신 커버리지 영역(242 및 244)이 중복 영역(overlap area)(246)을 형성하도록 안테나 어레이는 전주(218)상에 실장된다. 따라서, 중복 영역(246)에 위치된 자동차의 셀룰러 무선전화(250)와 같은 이동국 (248)은 안테나 어레이(210 및 212) 모두에 의해 수신되는 신호를 송신할 수 있다.
중복 영역은 2개의 안테나 어레이로부터 수신 커버리지 영역을 포함하는데 2개의 안테나 모두 중복 영역에서의 이동국으로부터 직교 편파를 갖는 신호를 수신하며, 이것은 이중 편파 다이버시티(duar plarization diversity)로 알려져 있다.상기 기술에 숙련된 자라면 알 수 있듯이, 더 높은 편파 다이버시티 레벨이 본 발명의 내용으로부터 또한 이루어질 수 있다. 예를 들어, 3중 편파 다이버시티는 사용될 수 있으며, 여기서 중복 영역이 3개의 안테나 어레이로부터의 커버리지 영역을 포함하며, 3중 편파 다이버시티 수신기는 3개의 안테나 어레이에 의해 수신된 신호를 결합하기 위해 사용된다. 또한, 더 높은 편파 다이버시티 레벨이 송신용으로 사용될 수 있다.
이미 언급했듯이, 제1 안테나 어레이(210)는 제1 회전 편파를 갖는 신호를 수신하고 제2 안테나 어레이(212)는 제2 회전 편파를 갖는 신호를 수신한다. 따라서, 제1 안테나 어레이(210)는 제1 회전 편파를 갖는 셀룰러 무선전화에 의해 송신된 신호의 일부에 응답해서 수신 신호를 발생한다. 대조적으로, 제2 안테나 어레이 (212)는 제2 회전 편파를 갖는 셀룰러 무선전화에 의해 송신된 신호의 일부에 응답해서 제2 수신 신호를 발생한다. 안테나 어레이(210 및 212)의 수신 신호간의 상기 편파 다이버시티는 편파 다이버시티 수신기(214)의 동작을 허여한다.
다른 방법으로, 수신 전용 어레이를 구성시키거나 또는 송신 필터(230a) 대신에 듀플렉스 필터(duplexing filter)를 사용함으로써 편파 모두가 각 안테나 어레이에서 수신될 수 있다. 상기 경우에, 송신 신호에 대해서 직교하는 편파를 갖는 제1 수신 신호는 앞서와 같이 증폭기(231)에 들어간다. 또한, 제2 수신된 신호는 송신 경로로부터 분리되고, 여기서 제2 수신된 신호는 송신된 신호와 같은 편파를 갖는다. 증폭기(231)와 비슷한 분리 증폭기(separate amplifier)는 상기 여분의 수신 경로(extra receive path)용으로 추가될 수 있고, 하나 이상의 안테나 어레이로부터 수신된 신호의 편파 모두는 다중 다이버시티 수신기(214)로 들어갈 수 있다.
편파 다이버시티 수신기(214)는 주파수 및/또는 시간 슬롯을 근거로 제1 및 제2 수신 신호를 다수의 각 개별적인 채널로 분리하고 편파 다이버시티 수신을 토대로 해서 각 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생하기 위해 각 개별적인 채널을 처리하는 채널 분리기(channel separator)(252)와 같은 수단을 포함한다.
편파 다이버시티 수신기는 채널 분리기(252)에 의해 발생된 각 채널에 대해 각 연관된 신호 쌍을 처리하는 채널 강화기(channel enhancer)(254)를 포함한다. 하나의 채널만이 다수의 안테나 어레이에 의해 수신되면, 채널 분리기(252)는 제거될 수 있고, 단일 채널 강화기(254)는 사용될 수 있다.
채널 강화기(254)는 제1 및 제2 수신 신호의 신호 대 잡음비를 결정하는 신호 품질 결정 수단과, 그 각 신호 대 잡음비를 토대로 해서 제1 및 제2 수신 신호를 가중시켜 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생시키는 가중 수단(weighting mean) 을 포함한다. 신호 대 잡음비의 결정 및 다이버스(diverse) 수신 신호의 가중된 처리에 대해서는 Backstrom 등에 의한 미국 특허 제5,191,598호에 개시된다. 또한, Bottomley에 의한 미국 특허 제5,499,272호("Diversity Receiver for Signal With Multipath Time Dispersion")는 또다른 다이버시티 수신기 기술을 개시한다.
각 능동 안테나 어레이(223)는 도 8에 도시했듯이 송신 필터(230a)를 통해 개별적인 방사 송신안테나 소자(radiating transmit antenna element)(224)에 각기 결합된 다수의 RF 전력 송신 증폭기(228)를 포함한다. 안테나 소자(224)는 송신 및 수신 모두를 동시에 하기 위해 사용된다. 전력이 결합 회로(240) 등의 전력 분할망(power dividing network)을 경유해서 각 전력 증폭기(228)에 분배된다. 본 실시예에서, 상기 언급된 소자는 상기 기술에 숙련된 자라면 쉽게 이해할 수 있듯이 유리-수지(glass-epoxy) 인쇄 회로 보드 등의 실장 기판상에서 스트립라인 (stripline) 또는 마이크로스트립을 사용해서 제조된다. 결합 회로(240)와 같은 분할 수단은 다수의 입력과 입력 신호가 어느 증폭기(228)에 분배될 것인가를 선택하는 스위칭 수단을 포함할 수 있다. 하나의 송신 주파수에서 전체 어레이가 사용될 것인지 다중 주파수를 동시에 송신하기 위해 송신 서브어레이가 형성될 것인지를 각 시간 슬롯에 대해 결정하는 미리 프로그램된 제어 수단에 의해 스위칭 수단이 작동될 수 있다.
결합 회로(240)는 단일 입력으로부터의 RF 출력을 몇 개의 출력으로 분배하는 망이며, 윌킨슨 전력 분할기(Wilkinson power divider), 분기-가이드 (branch-guide) 또는 에지-결합 분할기(edge-coupled divider), 또는 잘 알려진 다른 전력 분할 장치로 되는 것이 바람직한데, 이에 대해서는 Bahl 등의 책(Chapter 5 of Bahl, et al., Microwave Solid State Circuit Design, Wiley ＆ Sons, 1988)에 설명되어 있다. 결합 회로(240)는 위상 코히어런트(phase coherent) 출력을 각 전력 송신 증폭기(228)에 제공하도록 설계된다. 입력 전력이 모든 전력 증폭기 (228) 입력 사이에 동등하게 분할되고 동위상으로 되며, 이것은 균일한 조도 (uniform illumination)로 알려져 있으며 대칭 방사 패턴(symmetrical radiation pattern)을 발생시킨다. 다른 방법으로, 기본 어레이 이론에 따라 방사 패턴을 형성하는 것이 요구된다면 소전력 불균형(small power imbalance) 및/또는 위상 오프셋이 제공될수 있다. 위상 오프셋 및 전력 불균형에 대한 논의는 Brookner의 책 (Part 2 of Brookner, Practical Phased-Array Antenna Systems, Artech House, 1991)에서 찾을 수 있다. 어레이 이론을 토대로 한 다른 참고 문헌으로는 Skolnik의 책(Chapter 7 of Skolnik, Radar Handbook 2nd Ed., McGraw Hill, 1990)이 있다. 다른 방법으로, 결합 회로(240)의 스위치-선택된 분배 장치(switch-selected distribution arrangement)는 능동 집적 회로 마이크로웨이브 스위치 칩(active intergrated circuit microwave switch chip)을 사용할 수 있다.
각 필터(230a)의 출력은 수신안테나 소자로서도 동시에 동작하는 각 방사 송신안테나 소자(224)에 예시적으로 결합된다. 상기 안테나 소자는 1984년 맥그로힐, 존슨 등의 안테나 엔지니어링 핸드북 2 판, 7-1 내지 7-4면에서 설명한 바와 같이, 선형-편파 마이크로스트립 패치 안테나(linearly-polarized microstrip patch antenna)일 수 있다. 이와 달리, 상기 언급된 참고 문헌의 페이지 7-14 내지 7-16상에서 설명된 바와 같은 원형 편파된 패치 안테나가 동등하게 사용될 수 있다.
기지국(200)의 예시된 실시예에서, 안테나 어레이(210a-d 및 212a-d)는 동일하다. 각 안테나 어레이는 마이크로스트립 패치 소자(224)로부터 형성되고, 상기 기술에 숙련된 자라면 쉽게 이해할 수 있듯이, 스트립라인 또는 마이크로스트립 기술을 사용해서 유리-에폭시 회로 보드로부터 구성된다. 안테나 소자(224)는 상술했듯이 다시 마이크로스트립 패치 방사기가 된다. 패치 안테나 소자(224)는 회전해서 편파된 패치 안테나 소자이다. 인접한 안테나 어레이는 대향한 회전 편파인 좌측 원형 편파 및 우측 원형 편파를 갖는 것이 바람직하다.
수신안테나 소자(214)는 결합 회로(238)와 같은 결합망을 경유해서 공통 출력에 결합된다. 기본적으로 전력 분할 망의 역인 결합 망은 어레이 소자(214)로부터 수신된 신호를 공통 출력에 코히어런트하게 결합시킨다. 앞서와 같이, 결합망은 빔 형성을 하거나 수직 사이드로브(sidelobe)를 감소시키고 전주에 매우 가까운 이동 기기에 원치않는 깊은 널(nulls)을 감소시키기 위해, 위상 오프셋 또는 테이퍼(tapered)된 결합을 도입한다.
결합망의 출력은 수신 필터(232a) 및 저잡음 증폭기(LNA)(231)에 예시적으로 결합된다. 전통적으로, 비슷한 LNA는 종래의 기지국의 RCG에 놓여있고, 따라서, 수신된 신호는 IFL케이블링을 통해 2-4dB의 송신 손실을 받게 된다. 본 발명의 다른 장점에 따라 LNA(231)를 수신안테나 어레이(223)에 위치시킴으로써, 증폭 이전의 손실이 감소되어 전체 시스템 잡음 형태에 유리하게 하고 사이트/셀(site/sell) 반경의 증가하거나 또는 배터리 수명이 증가되는 이동 전력 출력의 감소가 가능해 진다.
LNA(231)로부터 증폭된 수신 신호는 수신 필터(232a)에 의해 항시 제거되지 않는, 전력 송신 증폭기(228)에 의해 발생된 것과 같은 원치 않는 신호 성분을 제거하기 위해 또한 필터 된다. 그러므로 LNA(231)의 출력은 출력 필터(232b)와 같은 대역통과 필터에 결합된다. 대역통과 필터는 1998년, Wiley ＆ Sons, Bahl 등의 마이크로웨이브 반도체 회로 디자인 제 6 장에 설명된 바와 같은 마이크로스트립 에지 결합 필터(microstrip edge coupled filter), 고-k값 세라믹 공진기 필터 (high-k ceramic resonator filter) 또는 SAW 필터이다. 시스템 대역폭 및 송신/수신 듀플렉스 간격(duplex spacing)에 따라서, 상기 기술 분야의 전문가라면 쉽게 이해할 수 있듯이, 저역-통과 또는 고역-통과 필터를 수용할 수도 있다.
송신 신호 및 수신 신호 모두는 인터퍼실리티 링크(interfacility link: IFL)와 같은 케이블(220)을 통해 안테나 어레이(223)로/로부터 결합된다. 예시된 실시예에서, IFL은 동축케이블 묶음과, 전력 송신 증폭기(228) 및 LNA(231)에 전력을 제공하는 전력 케이블을 포함한다.
본 발명은 도 11에 도시했듯이 적어도 하나의 이동국과 통신하는 셀룰러 기지국을 동작시키는 방법도 포함한다. 기지국은 제1 편파에서 이동국(250)으로부터 제1 신호를 수신하고, 제1 편파와 다른 편파에서 이동국(250)으로부터 제2 신호를 수신한다. 기지국은 중복 영역(246)으로부터 신호를 수신하기 위해 위치된 2개의 안테나 어레이(210 및 212)를 포함하는 것이 바람직하다. 따라서 하나의 안테나 어레이는 제1 편파를 갖는 신호를 수신하고, 나머지 안테나 어레이는 제2 편파를 갖는 신호를 수신한다. 기지국은 제1 및 2 수신 신호를 처리하여 편파 다이버시티 수신을 근거로 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생한다.
종래의 120도 섹터 패턴과 비슷한 안테나 방위 방사 패턴은, 인접한 안테나 어레이의 인접한 커버리지 영역을 의도적으로 상당히 중복되게 하여 사용될 수 있다. 편파 다이버시티 수신기 처리는 적응형 어레이 처리(adaptive array processing)로 달리 볼 수 있으며, 요구되는 신호 수신을 증가시키고 간섭을 감소시키거나, PCT 출원 제W0 960473A호(PCT Application No. WO 960473A entitled "Interference Rejection Combining to Bottomley")에서 설명된 신호 대 간섭비를증가시키도록 설계될 수 있다.
제1 및 제2 수신 신호는 다이버시티 수신기(214)에 의해 처리된다. 처리 단계는 제1 및 제2 수신 신호의 신호 대 잡음비를 결정하는 단계와, 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생하기 위해 각 신호 대 잡음비를 근거로 제1 및 제2 수신 신호를 가중시키는 단계를 포함한다. 또한, 제1 및 제2 수신 신호는 주파수를 근거로 해서 다수의 개별적인 채널로 각각 분리될 수 있고 각각의 개별적인 채널은 편파 다이버시티 수신을 근거로 각 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생하기 위해 처리될 수 있다. 제1 신호를 수신하는 단계는 안테나 어레이(210)를 형성하고 소정의 패턴으로 구성된 다수의 제1 수신안테나 소자를 통해 신호를 수신하는 것을 포함한다. 제2 신호를 수신하는 단계는 안테나 어레이(212)를 형성하고 소정의 패턴으로 구성된 다수의 제2 수신안테나 소자를 통해 신호를 수신하는 것을 포함한다.
상기 방법은 인접한 제1 수신안테나(210) 어레이로부터 제2 편파를 송신하는 단계와, 인접한 제2 수신안테나 어레이(212)로부터 제1 편파를 송신하는 단계를 또한 포함하여 편파 격리를 제공한다. 사실상, 제1 안테나 어레이(210)는 제2 편파를 송신하는 동안 제1 편파를 갖는 신호를 수신할 수 있고, 제2 안테나 어레이(212)는 제1 편파를 갖는 신호를 송신하는 동안 제2 회전 편파를 갖는 신호를 수신할 수 있다. 따라서, 도 11의 다이버시티 수신기(214) 및 도 12의 송신 신호 코더(282)는 단일 기지국에서 실현될 수 있다.
신호는 각각의 제1 및 2 교대 편파에서 기지국으로부터 교대로 송신될 수 있어 고도화 수신 신호 품질을 구비한다. 기지국으로부터 이동국으로 송신된 신호는코드화될 수 있고 시분할 다중 액세스 신호로 인터리빙(interleaving)될 수 있다. 또한, 제1 회전 편파를 수신하는 단계는 우측 원형 편파를 수신하는 것을 포함할 수 있고, 제2 회전 편파를 수신하는 단계는 좌측 원형 편파를 수신하는 것을 포함할 수 있다.
2개의 안테나 어레이(210 및 212)가 동일한 영역을 커버하거나 충분히 중복되도록 배향되고, 도 12에서 도시했듯이, 각 안테나 어레이(210 및 212)는 중복 영역(246)에서 셀룰러 무선전화와 같은 이동국(280)을 동시에 커버할 수 있다. 안테나 어레이를 교대로 사용해서(이 때 나머지 안테나 어레이는 다른 편파를 가지는데), 연속 신호 세그먼트(예를 들어 TDMA 프레임)를 송신함으로써, 이동국에서 수신된 신호의 페이딩은 연속 세그먼트에서 대체로 비상관되게 만들어질 수 있다. 따라서, 편파 다이버시티 이득은 기지국으로부터 이동국으로 송신을 할 때 이루어질 수 있다.
디코드된 신호가 상대적으로 높고 낮은 품질로써 수신되는 연속 세그먼트로부터 교대로 얻어지는 비트(bit)로 이루어지도록, 이동국에 대한 송신은 연속 세그먼트를 통해 코드된 데이터에 대해 인터리빙을 사용할 수 있다. 상기 방법에서, 디코더로의 평균 비트 품질은 모든 높은 품질이거나 모두 낮은 품질이 아니라 높은 확률의 에러 없는 디코딩을 충분히 보장한다. 상기 기술은 느린 신호 페이딩을 받는 고정(static) 또는 도보 속도 휴대 전화(walking speed hand held phone)와 통신하는데 특히 유용하다. 편파 교체는 느린 페이딩을 코딩 및 인터리빙에 의해 더 효과적으로 평균화되는 빠른 페이딩으로 효과적으로 변환한다.
도 12에 도시했듯이, 기지국은 각 인접하는 커버리지 영역(242 및 244)에 대해 송신하는 2개의 인접하는 안테나 어레이(210 및 212)를 포함한다. 안테나 어레이는 각 커버리지 영역이 중복 영역(246)을 형성하도록 설치된다. 따라서 중복 영역(246)에서 휴대용 셀룰러 무선전화와 같은 이동국(280)은 안테나 어레이(210 및 212)에 의해 송신된 신호를 수신할 수 있다.
기지국은 중복 영역(246)에서 신호를 이동국(280)에 송신되도록 처리하는 송신 신호 코더(282)를 또한 포함한다. 송신 신호 코더는 교대로 동작하는 각각의 제 1 및 제2 회전 편파에서 인터리브되고 코드화되는 송신 신호를 발생시킨다. 바람직하게는, 제1 회전 편파를 갖는 신호 부분이 안테나 어레이 중 하나에 일관되게 인가되고, 제2 회전 편파를 갖는 신호 부분은 다른 안테나 어레이에 인가되도록 하는 것이다.
무선 제어 그룹(37) 및 교환 무선 인터페이스(exchange radio interface)를 포함하는 도 2에 도시된 기지국 제어기는, 이동국에 송신하기 위해 하나 또는 나머지 안테나 어레이가 사용될 것인지 또는 두 안테나 어레이 모두가 교대로 사용될 것인지를 각각의 이동-기지국 호출(mobile-base call)에 대해 결정할 수 있다. 상기 결정은, 다이버시티 수신기(214)에서 측정된 바와 같은 2개의 편파에서, 또는 하나의 안테나 어레이로부터의 송신이 바람직한지 또는 다른 것으로부터의 송신이 바람직한지에 따른 이동국으로부터의 피드백(feedback)에서 수신된 신호의 상대적인 기여를 근거로 할 수 있다. 상기 목적을 위해, 플래그 비트(flag bit)는 송신으로 코드될 수 있어 각 송신의 편파를 표시한다.
이동국(280)은 셀룰러 기지국으로부터 송신된 신호를 수신하는 안테나(284)와, 안테나에 연결되고 셀룰러 기지국으로부터 신호를 디인터리빙하고 디코딩하여 편파 다이버시티 이득을 실현하는 수신기(286)를 포함한다. 또한, 셀룰러 기지국으로부터 송신되는 인터리브되고 코드화된 신호는 시분할 다중 접속(TDMA)신호로 될수 있고, 수신기는 TDMA 신호를 수신하는 수단을 포함할 수 있다. 상기 언급된 편파 플래그는 TDMA 버스트-바이-버스트로 포함한다면 수신된 각 버스트의 편파를 표시하도록 디코드될 수 있다.
도 12는 다음의 단계를 포함하는 적어도 하나의 이동국(280) 및 셀룰러 기지국간에 통신하는 방법을 또한 예시한다. 신호는 각각의 교대로 동작하는 제1 및 2편파에서 기지국으로부터 교대로 송신된다. 송신 신호 코더(282)는 단일 송신 신호를 교대로 동작하는 편파를 갖는 신호로 분리하기 위해 사용될 수 있고 교대로 동작하는 편파를 갖는 신호를 각 안테나 어레이(210 및 212)에 인가한다. 이동국 (280)은 교대로 동작하는 제1 및 2 편파를 수신하고 편파 다이버시티 이득을 제공한다.
송신 신호 코더(282) 및 안테나 어레이(210 및 212)를 포함하는 기지국은 교대로 동작하는 제1 및 제2 편파에서의 송신을 위해 코드화되고 인터리브된 시분할 다중 액세스 신호를 발생한다. 또한, 제1 편파는 우측 원형 편파이고, 제2 편파는 좌측 원형 편파인 것이 바람직하다.
본 발명의 많은 변경 및 다른 실시예는 앞선 설명 및 관련 도면에 표현된 내용을 바탕으로 상기 기술에 숙련된 자라면 쉽게 실현할 수 있을 것이다. 그러므로,본 발명은 상기한 특정 실시예로 제한되지 않으며, 변경 및 실시예는 첨부된 청구항의 범위 내에 포함되는 것으로 이해될 수 있다.

Claims (32)

  1. 다수의 셀룰러 통신 채널중 하나를 통해 셀룰러 통신 시스템에서 적어도 하나의 이동국과 통신하는 셀룰러 기지국에 있어서,
    상기 이동국으로부터 제1 편파를 갖는 신호를 셀룰러 통신 채널을 통해 수신하고 제1 수신 커버리지 영역을 형성하기 위해 배향된 다수의 제1 수신안테나 소자를 포함하는 제1 안테나 어레이와;
    상기 제1 편파와 다른 제 2편파를 갖는 신호를 이동국으로부터 셀룰러 통신 채널을 통해 수신하고 제2 수신 커버리지 영역을 형성하기 위해 배향된 다수의 제2 수신안테나 소자를 구비하는 제2 안테나 어레이와;
    상기 제1 및 제2 수신 커버리지 영역이 중복되도록 상기 제1 및 제2 안테나 어레이를 실장하는 안테나 실장 수단과;
    상기 다수의 제1 및 제2 수신안테나 소자에 연결되어 편파 다이버시티 수신을 근거로 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생하기 위해 상기 중복 영역에서 이동국으로부터의 상기 제1 및 제2 편파를 갖는 제1 및 제2 수신 신호 각각을 처리하는 편파 다이버시티 수신기 수단을 포함하며;
    상기 제1 안테나 어레이는 상기 제2 편파를 갖는 신호를 송신하기 위해 소정의 패턴으로 설치되어 상기 다수의 제1 수신안테나 소자로부터의 편파 격리를 제공하는 다수의 제1 송신안테나 소자를 더 포함하고, 상기 제2 안테나 어레이는 상기 제1 편파를 갖는 신호를 송신하기 위해 소정의 패턴으로 설치되어 상기 다수의 제2수신안테나 소자로부터의 편파 격리를 제공하는 다수의 제2 송신안테나 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  2. 제1항에 있어서, 상기 편파 다이버시티 수신기 수단은
    상기 제1 및 제2 수신 신호의 신호 대 잡음비를 결정하는 신호 품질 결정 수단과;
    고도화 품질 출력 수신 신호를 발생하기 위해 상기 각 신호 대 잡음비를 근거로 상기 제1 및 2수신 신호를 가중시키는 가중 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  3. 제1항에 있어서, 상기 편파 다이버시티 수신기 수단은
    주파수를 근거로 상기 제1 및 제2 수신 신호를 다수의 개별적인 채널로 각각분리하고 고도화 품질 출력 수신 신호 각각을 발생하기 위해 상기 개별적인 채널을 각각 처리하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  4. 제1항에 있어서, 상기 편파 다이버시티 수신기 수단은
    시간 슬롯을 근거로 상기 제1 및 제2 수신 신호를 다수의 개별적인 채널로 각각 분리하고 고도화 품질 출력 수신 신호 각각을 발생하기 위해 상기 개별적인 채널을 각각 처리하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 안테나 어레이의 상기 수신안테나 소자 중의 하나 각각과 상기 제1 안테나 어레이의 상기 송신안테나 소자 중의 하나 각각은, 상기 제 1편파를 갖는 신호를 수신하고 상기 제 2편파를 갖는 신호를 송신하기 위한 공통 패치 안테나에 제공되는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다수의 제1 및 제2 송신기 안테나 소자에 연결되고, 교대로 동작하는 제1 및 제2 회전 편파 각각에서 교대로 신호를 송신하여, 이동국에서의 고도화 수신 신호 품질을 제공하는 교대 편파 송신기 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  7. 제6항에 있어서, 상기 교대 편파 송신기 수단에 연결되어 상기 제1 및 제2 안테나 어레이로부터 이동국으로 송신되는 코드화되고 인터리브된 시분할 다중 액세스 신호를 발생하는 송신기 코딩 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 안테나 어레이는
    상기 다수의 제1 수신안테나 소자 및 상기 다수의 제1 송신안테나 소자를 수직 방향으로 연장되게 이동시키는 연장 기판을 포함하고,
    상기 제2 안테나 어레이는
    상기 제1 연장 기판에 인접하여 있고 상기 다수의 제2 수신안테나 소자 및상기 다수의 제2 송신안테나 소자를 수직 방향으로 연장되게 이동시키는 제2 연장기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 안테나 어레이 각각은
    상기 연장 기판에 있고, 각 송신안테나 소자에 연결되어 능동 위상 어레이 안테나를 형성하는 다수의 송신 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  10. 제8항에 있어서, 각 수신 안테나 소자는 각 연장 기판에서 전기적 전도 부분을 포함하고, 각 송신안테나 소자는 각 연장 기판에서 전기적 전도 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 어레이 안테나 각각은 상기 연장 기판 위에 놓여서 각각의 수신안테나 소자에 동작 가능하게 연결되어 서로 동위상으로 신호를 결합하는 수신 동위상 결합 수단을 더 포함하며,
    상기 제1 및 제2 어레이 안테나 각각은 상기 연장 기판 위에 놓여서 각각의 송신안테나 소자에 동작 가능하게 연결되어 서로 동위상으로 전달된 신호를 분배하는 송신 동위상 결합 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 안테나 어레이 각각은 상기 연장 기판을둘러싼 무선-투명 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  13. 제1항에 있어서, 상기 다수의 제1 수신안테나 소자는 우측 원형 편파를 수신하는 수단을 포함하고, 상기 다수의 제2 수신안테나 소자는 좌측 원형 편파를 수신하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  14. 다수의 셀룰러 통신 채널 중 하나를 통해 셀룰러 통신 시스템에서의 적어도 하나의 이동국과 통신하는 셀룰러 기지국에 있어서,
    제 1편파를 갖는 신호를 셀룰러 통신 채널을 통해 상기 이동국에 송신하고, 제1 송신 커버리지 영역을 형성하기 위해 소정의 패턴으로 설치된, 다수의 제1 송신안테나 소자를 포함하는 제1 안테나 어레이와,
    상기 제1 편파와 다른 제2 편파를 갖는 신호를 셀룰러 통신 채널을 통해 상기 이동국으로 송신하고, 상기 제1 송신 커버리지 영역과 중복되는 제2 송신 커버리지 영역을 갖기 위해 소정의 패턴으로 설치된, 다수의 제2 송신안테나 소자를 포함하는 제2 안테나 어레이와,
    상기 제1 및 제2 안테나 어레이에 동작 가능하게 연결되어, 상기 이동국에서 고도화 수신 신호 품질을 제공하기 위해 상기 제1 및 제2 안테나 어레이로부터 상기 이동국으로 신호 세그먼트를 교대로 송신하는 교대 편파 송신기 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  15. 제14항에 있어서, 상기 교대 편파 송신기 수단에 연결되어, 상기 제1 및 제2 안테나 어레이로부터 이동국으로 송신되는 코드화되고 인터리브된 시분할 다중 액세스 신호를 발생하는 송신기 코딩 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제1 안테나 어레이는
    상기 다수의 제1 송신안테나 소자를 수직방향으로 연장되게 이동시키는 연장 기판을 포함하고,
    상기 제2 안테나 어레이는
    상기 제1 연장 기판에 인접하여 있고, 상기 다수의 제2 송신안테나 소자를 수직 방향으로 연장되게 이동시키는 제2 연장 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2 안테나 어레이 각각은
    상기 연장 기판에 있고, 각각의 송신안테나 소자에 연결되어 능동 위상 어레이 안테나를 형성하는 다수의 송신 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2 안테나 어레이 각각은,
    상기 연장 기판에 놓이며 각각의 송신안테나 소자에 동작 가능하게 연결되어서로 동위상으로 전달된 신호를 결합하는 송신 동위상 결합 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2 안테나 어레이 각각은 상기 연장 기판을 둘러싸는 무선-투명 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  20. 제14항에 있어서, 상기 다수의 제1 송신안테나 소자는 좌측 원형 편파를 송신하는 수단을 포함하고, 상기 다수의 제2 송신안테나 소자는 우측 원형 편파를 송신하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
  21. 적어도 하나의 이동국과 통신하는 셀룰러 기지국의 작동 방법에 있어서,
    제1 편파에서 하나의 이동국으로부터 제1 신호를 수신하는 단계와,
    상기 제1 편파와 다른 편파에서 상기 이동국으로부터 제2 신호를 수신하는 단계와,
    편파 다이버시티 수신을 근거로 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생하기 위해 상기 제1 및 제2 수신 신호를 처리하는 단계로서, 여기서 상기 제1 신호를 수신하는 상기 단계는 선정된 패턴으로 장치된 다수의 제1 수신안테나 소자를 통해서 제1 신호를 수신하며, 상기 제2 신호를 수신하는 상기 단계는 선정된 패턴으로 장치된 다수의 제2 수신안테나 소자를 통해서 제2 신호를 수신하는 단계와,
    편파 격리를 제공하기 위해 인접한 상기 다수의 제1 안테나 소자로부터 상기제2 편파를 가지는 신호를 송신하는 단계와,
    편파 격리를 제공하기 위해 인접한 상기 다수의 제2 안테나 소자로부터 상기 제1 편파를 가지는 신호를 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국의 작동 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 수신 신호를 처리하는 단계는
    상기 제1 및 제2 수신 신호의 신호 대 잡음비를 결정하는 단계와,
    상기 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생하기 위해 상기 각 신호 대 잡음비를 근거로 상기 제1 및 제2 수신 신호를 가중시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국의 작동 방법.
  23. 제21항에 있어서, 주파수를 근거로 상기 제1 및 제2 수신 신호를 다수의 개별적인 각각의 채널로 분리하는 단계와,
    각각의 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생시키기 위해 상기 개별적인 채널 각각을 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국의 작동 방법.
  24. 제23항에 있어서, 시간 슬롯을 근거로 상기 제1 및 제2 수신 신호를 다수의 개별적인 각각의 채널로 분리하는 단계와,
    각각의 고도화 품질 출력 수신 신호를 발생시키기 위해 상기 개별적인 채널각각을 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국의 작동 방법.
  25. 제21항에 있어서, 상기 제1 신호를 수신하는 상기 단계는 제1 수신 커버리지 영역을 형성하는 다수의 제1 안테나 소자를 통해 신호를 수신하는 것을 포함하고,
    상기 제2 신호를 수신하는 상기 단계는 제2 수신 커버리지 영역을 형성하는 다수의 제2 안테나 소자를 통해 신호를 수신하는 것을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 수신 커버리지 영역은 중복되는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국의 작동 방법.
  26. 제21항에 있어서, 이동국에서 고도화 수신 신호 품질을 제공하기 위해 교대로 동작하는 각각의 제1 및 제2 편파에서 신호를 교대로 송신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국의 작동 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 이동국에 송신되는 코드화되고 인터리브된 시분할 다중 액세스 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국의 작동 방법.
  28. 제21항에 있어서, 상기 제1 편파를 수신하는 상기 단계는 우측 원형 편파를 수신하는 것을 포함하고,
    상기 제2 편파를 수신하는 상기 단계는 좌측 원형 편파를 수신하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국의 작동 방법.
  29. 다수의 셀룰러 통신 채널 중의 하나를 통한 셀룰러 기지국과 적어도 하나의 이동국 사이의 통신 방법에 있어서,
    상기 셀룰러 통신 채널을 통해 교대로 동작하는 각각의 제1 및 제2 편파에서 상기 기지국으로부터의 신호를 교대로 송신하는 단계와,
    상기 이동국에서 편파 다이버시티 이득을 제공하기 위해 상기 셀룰러 통신 채널을 통해 상기 이동국에서 상기 교대로 동작하는 제1 및 제2 편파를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 교대로 동작하는 제1 및 제2 편파에서 송신을 위해 코드화되고 인터리브된 시분할 다중 액세스 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 통신 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 제1 편파는 우측 원형 편파이고, 상기 제2 편파는 좌측 원형 편파인 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  32. 제14항에 있어서, 상기 제1 안테나 어레이는 상기 다수의 제1 송신안테나 소자로부터 편파 격리를 제공하기 위해 상기 제2 편파를 갖는 신호를 수신하는 다수의 제1 수신안테나 소자를 더 포함하고,
    상기 제2 안테나 어레이는 상기 다수의 제2 수신안테나 소자로부터 편파 격리를 제공하기 위해 상기 제1 편파를 갖는 신호를 수신하는 다수의 제2 수신안테나 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 기지국.
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