KR0155326B1 - Cdma 시스템의 성능향상을 위한 적응배열 안테나를 갖는 기지국의 수신기 구조방식 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CDMA 시스템의 성능향상을 위한 적응배열 안테나를 갖는 기지국의 수신기 구조방식에 관한 것으로, 각 이동국으로부터 송신된 신호를 포착하는 소정갯수의 안테나 소자와; 상기 안테나소자들 각각에서 포착된 신호를 각각 일대일로 입력받아 캐리어 성분을 제거하는 소정갯수의 주파수 하향변환 수단과; 상기 주파수 하향변환 수단들에서 출력되는 각 신호들에 대하여 서로 독립적인 특정 복소가중치를 입력받아 해당 신호에 곱하여 다시 이들의 합을 취하므로 원하는 신호의 방향으로만 안테나의 빔이 형성될 수 있도록 하는 빔 조향 수단과; 상기 빔 조향 수단의 출력에 각 사용자들의 PN시퀀스를 병렬형태로 곱하여 그 합을 취함으로 여러 사용자신호들의 혼성형태인 빔조향장치의 출력으로부터 특정 사용자의 신호성분을 추출하는 병렬 복조수단; 및 안테나소자에 부착된 저역여파기의 출력신호와 빔조향장치의 출력신호 및 병렬 복조기의 출력신호를 입력받아 안테나에 도래하는 신호들의 정보를 예측하여 그에 따른 가중치를 상기 빔 조향 수단에 입력하는 적용신호처리수단을 포함하여 구성되어, 기지국 수신단에서 타사용자(이동체 단말기)에 의한 간섭효과를 줄일 수 있으므로, 단말기에서 요구되는 일정양의 신호비트대잡음전력비(E_b/No)를 유지시켜 주는데 더 낮은 단말기의 송신전력으로도 통신이 가능함에 따라 단말기의 송신전력을 줄이는 것이 가능하므로 단말기의 전력소모를 줄일 수 있다.

Description

CDMA 시스템의 성능향상을 위한 적응배열 안테나를 갖는 기지국의 수신기 구조방식

제1도는 CDMA 셀룰라 시스템용 적응배열 안테나의 빔조향장치를 갖는 수신기 구조.

제2도는 병렬복조기의 상세도.

제3도는 이동국의 수와 다중경로에 따른 CDMA 기지국의 배열안테나의 수신빔패턴.

본 발명은, CDMA(Code Division Multiple Access) 셀룰라 시스템의 성능향상을 위해 기존의 기지국에 배열 안테나를 도입하여 특정 사용자측과 기지국 사이에만 기지국의 안테나빔이 형성되도록 하므로, 특정사용자들 이외의 타 사용자들로 부터의 간섭효과를 줄이는 새로운 수신기 구조의 구성방식에 관한 것이다.

일반적으로, 배열 안테나를 사용하는 빔조향장치를 CDMA 시스템 기지국에 적용하려는 최근의 연구들은 각 사용자의 PN 시퀀스정합기를 배열 안테나의 각 소자에 부착된 저역여파기의 바로 뒤에 접속하고 이들 정합기의 뒤에 빔조향장치를 접속하는 방식을 채택하고 있다.

이 방식은 적응신호처리기가 느린 저 속의 데이터 비트율을 처리함으로 구현이 용이하거나 각 사용자에 대해 개별의 빔조향장치를 요구하므로, 하나의 빔조향장치로는 몇 사용자 혹은 그룹의 사용자에 대해 원하는 방향으로 다중빔형성을 하기는 곤란하다.

즉, CDMA 시스템에 배열 안테나를 도입하여 빔조향장치를 구현하는 기존의 연구결과는 저역여파기의 출력에 PN 시퀀스정합기를 접속한 후 그 출력단에 빔조향장치를 달고 있기 때문에, 느린 신호처리기의 의해서도 빔조향이 가능하나 한 개의 이동국에 대해 한 개의 빔을 형성할 수는 있으나, 수 개 혹은 그룹의 이동국을 서비스하기 위해 하나의 빔조향 장치로 이를 구현할 수는 없다는 문제점이 발생되었다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 단일 혹은 그룹에 대해 임의의 형태를 갖는 빔형성이 가능한 CDMA 시스템의 수신기 및 여러가입자(사용자)의 PN시퀀스정합기/레이크수신기 부분을 빔조향장치의 전반부에 두는 기존의 연구방식과는 달리 이 장치는 후반부에 두는 방식, 즉 '빔조향장치+별렬복조기'의 방식을 택하므로 단일 혹은 그룹에 대해 임의의 형태를 갖는 빔형성이 가능한 CDMA 시스템의 수신기구조 방식을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 각 이동국으로부터 송신된 신호를 포착하는 소정갯수의 안테나와; 상기 안테나들 각각에서 포착된 신호를 각각 일대일로 입력받아 캐리어 성분을 제거하는 소정갯수의 주파수 하향변환 수단과; 상기 주파수 하향변환 수단들에서 출력되는 각 신호들에 대하여 서로 독립적인 특정 복소가중치를 입력받아 해당 신호에 곱하여 다시 이들의 합을 취하므로 원하는 신호의 방향으로만 안테나의 빔이 형성될 수 있도록 하는 빔 조향 수단과; 상기 빔 조향 수단의 출력에 각 사용자들의 PN시퀀스를 병렬형태로 곱하여 그 합을 취함으로 여러 사용자신호들의 혼성형태인 빔조향장치의 출력으로부터 특정 사용자의 신호성분을 추출하는 병렬 복조수단; 및 안테나소자에 부착된 저역여파기의 출력신호와 빔조향장치의 출력신호 및 병렬 복조기의 출력신호를 입력받아 안테나에 도래하는 신호들의 정보를 예측하여 그에 따른 가중치를 상기 빔 조향 수단에 입력하는 적응신호처리수단을 포함하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 CDMA 기지국 수신기의 구조에 대해 이하 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.

제1도는 본 발명이 적용되는 CDMA 셀룰라 시스템의 기지국 수신기구조에 대한 전체 구성도로써, (1)센서어레이/주파수하향변환기, (2)빔조향장치, (3)병렬복조기, (4)적응신호 처리기로 이루어진다.

센서어레이/주파수하향변환기 부분은 각 이동국으로부터 송신된 신호를 포착하는 여러 개의 안테나소자(임의의 개수)와 그들 소자에 포착된 신호에서 캐리어 성분을 제거하는 주파수하향변환기(Frequency Down-Converter : FDC)로 구성된다.

즉, 각 안테나의 소자에 포착된 신호는 실제 정보를 지닌 데이터가 높은 캐리어에 실려 있는데, 이들 신호를 직접 제어하여 원하는 빔을 형성하기에는 기존의 신호처리소자들의 속도가 충분히 빠르지 못하다.

따라서, 주파수하향변환기는 국부발진기와 혼합기, 그리고 저역여파기로 캐리어 성분을 제거하므로, 정보의 손실이 없이 기존의 소자들이 충분히 처리할 수 있는 주파수대역까지 도래신호의 주파수를 내리는 역할을 한다.

빔조향장치 부분(2)은 각 배열 안테나소자에 서로 독립적인 적절한 복소가중치(각 소자신호의 진폭과 위상의 조절치)를 곱하여 다시 이들의 합을 취하므로 원하는 신호의 방향으로만 안테나의 빔이 형성될 수 있도록 하는 역할을 할 수 한다.

병렬복조기 부분(3)은 빔조향장치의 출력에 각 사용자들의 PN시퀀스를 병렬형태로 곱하여 합을 취하므로 우리가 원하는 여러 사용자신호들의 혼성형태인 빔조향장치의 출력으로부터 특정 사용자의 신호성분을 추출하는 PN시퀀스정합기/레이크수신기와, PN시퀀스정합기/레이크수신기의 출력은 빔조향장치에 의해 바이어스성분(실제 신호에 일정한 값이 곱해지거나 더해지는 성분)이 타고 있으므로 이 바이어스 성분을 제거하는 부분, 즉 곱셈기로 구성된다. 병렬복조기에 들어가는 바이어스 제거용 값은 빔조향장치의 가중치들에 의해 결정된다.

적응신호처리기(4)는 안테나소자에 부착된 저역여파기의 출력, 빔조향장치의 출력, 그리고 병렬 복조기의 출력을 받아 안테나에 도래하는 신호들의 정보를 예측하는 신호처리기 부분과 이렇게 예측된 정보를 이용하여 빔조향장치의 가중치를 구하는 제어알고리즘으로 구성되어진다.

각 센서어레이(배열 안테나 소자부분)에 도래하는 이동국(가입자)의 신호, 즉 m번째 소자에 도래하는 신호는 아래 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 n_m(t) 이동국의 신호가 공간을 전파되어 오면서 더해지는 공간잡음(랜덤성잡음)을, Ψ_i와 k는 각각 어레이 안테나 축을 기준(그림 1참조)으로 한 신호의 도래각과 신호의 전파상수를 d는 안테나 소자의 간격을, ω_c는 도래신호의 캐리어주파수를 그리고 γ_i과 ψ_i는 각각 I번째 이동국의 신호가 m번째 안테나 소자에 수신될 때의 진폭과 위상을 나타낸다.

상기 식(1)에서 ω_c는 이동국에서 기지국으로 신호를 전송시키기 위해 사용하는 캐리어 신호의 주파수로 실제 음성이나 데이터 성분은 들어 있지 않다.

어레이 안테나의 빔패턴 형성을 위해서는 수신신호 γ_m(t)를 그대로 사용해도 이론적으로는 무방하나 실제 시스템을 구성할 때는 여기에 따르는 고 속의 신호처리기가 필요로 하는데, 기존의 전자소자나 신호처리기로는 불가능하다.

따라서 우리가 필요로하는 신호정보를 유지하는 상태에서 캐리어 성분 ω_c를 제거하는 부분이 제1도에 도시되어 있는 주파수 하향변환기(Frequincy Down Converter : FDC)이다.

또한, 상기 제1도의 빔조향장치부분에서 가중치(w₁, w₂, …, w_N)들은 캐리어성분이 빠진 각 배열 안테나의 소자신호, 즉 주파수하향변환기의 출력들과 병렬복조기의 신호값들에 의해 구해진다.

이들 가중치는 복소양을 갖으며, 역시 복소양을 갖는 주파수하향변환기의 출력(여기서 복소양은 신호의 위상과 진폭을 나타냄)을 원하는 양 만큼 이동, 즉 주파수하향변환기의 출력의 위상과 진폭을 변화시킨다. 이들의 가중치가 어떤 조합으로 이루어지느냐에 따라 배열 안테나는 어느 특정 방향으로만 도래하는 신호를 수신하게 된다.

상기 병렬복조기는 빔조향장치에 의해 형성된 빔패턴안으로 들어오는 이동국에 대해 서비스를 하기 위한 복조기 부분으로 그에 대한 상세도가 첨부한 제2도에 도시되어 있다. 이는 패이딩현상을 제거하는 레이크수신기 부분과 비편향예측(unbiased estimation)을 위해 빔조향장치를 포함한 배열 안테나의 응답특성(일명 어레이응답특성)을 곱하는 곱셈기로 구성되었다.

대개 각 이동국(사용자)의 신호기가 기지국 안테나까지 무선채널을 통해 다중경로로 전파되어 오면서 페이딩현상을 일으켜 수신상태가 악화되는데, 이 다중경로에 의한 페이딩현상을 줄이기 위해 상관기와 위상지연기가 한세트로 이루어져 하나의 경로에 대한 신호를 포착한다.

따라서, 여러 개의 세트들을 사용하여 여러 경로(path)로부터 오는 특정 이동국의 신호를 포착하여 이들을 합하므로 다중경로에 의한 페이딩현상을 제거한다. 하나의 병렬복조기에 수용될 수 있는 '레이크수신기+곱셈기'의 세트수는 복조기 설계시에 채널환경을 고려한 상태에서 시스템이 요구하는 일정양의 신호대잡음비를 얻을 수 있으며 빔조향이 가능한 범위내에서 이루어진다. 빔 조향장치의 가중치를 결정하고 제어하는 적응신호처리기의 정확한 구조는 배열 안테나의 동작환경에 관한 정보의 상세한 정도에 결정적으로 의존한다.

원하는 신호의 위치와 형태, 채널의 환경, 그리고 간섭신호전력의 크기 등과 같이 배열 안테나에 도래하는 모든 신호에 관한 사전정보의 양이 감소함에 따라 적응신호처리를 위한 적응제어알고리즘의 선택은 전체 빔조향장치의 성공적 설계에 결정적 영향을 미친다. 학습시에 필요로 하는 신호와 채널의 정보를 예측하기 위해 저역여파기의 출력, 빔조향장치의 출력, 그리고 병렬복조기의 출력가지 이용함으로 원하는 이동국들의 방향으로 다중빔을 형성할 수 있다.

상기의 동작예를 첨부한 제3도를 참조하여 살펴보면, 2개의 이동국으로부터 신호가 송신되고, 상기 제1이동국신호는 직선경로와 제2경로를 갖으며, 제2이동국신호는 직선경로 한 개만을 갖는다고 가정하자. 이대 기지국 송신기는 이들 세 방향으로 도래하는 신호를 수신하기 위해 배열 안테나의 빔이 제3도의 점선처럼 형성하게 하여야 한다. 이때 병렬복조기는 2개의 레이크수신기에서 신호출력이 나타나게 될 것이며, 상기 제2도에서 레이크수신기 1은 정합기 1과 정합기 2의 출력이 나타나고 레이크수신기 2는 정합기 1의 출력만이 나타나게 될 것이다.

레이크수신기 1의 정합기 2에 들어오는 사용자 1에 대한 위상지연의 크기는 사용자 1의 신호가 제1경로로 들어오는 것에 대해 제2경로로 들어올 때의 상대적 위상차와 같은 양이 된다.

이 위상의 양을 결정하는 문제는 기존의 CDMA 시스템의 레이크수신기 부분에 잘 설계되어져 있으며 본 발명을 위한 연구부분에는 속하지 않으므로 더 이상 언급을 하지 않기로 한다.

본 발명에 의한 수신방식을 채택하므로 다음과 같은 효과를 준다.

첫째, 기지국 수신단에서 타사용자(이동체 단말기)에 의한 간섭효과를 줄일 수 있으므로, 단말기에서 요구되는 일정 양의 신호비트대잡음 전력비(E_b/No)를 유지시켜 주는데 더 낮은 단말기의 송신전력으로도 통신이 가능하다. 따라서 단말기의 송신전력을 줄이는 것이 가능하므로 단말기의 전력소모를 줄일 수 있다.

둘째, 단말기의 송신전력을 기존의 방식과 같은 크기로 유지시키면 간섭신호의 감소는 단위셀당 가입자수(용량)의 직접적인 증대를 가져오므로 CDMA 기지국의 용량증대 효과를 가져온다.

셋째, CDMA 전체 시스템에 제안된 수신방식을 적용함에 따라 기지국의 수의 감소와 용량증대에 따른 효과로 각 가입자 개인의 이동통신시스템의 사용료를 경감시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 각 이동국으로부터 송신된 신호를 포착하는 소정갯수의 안테나소자와; 상기 안테나소자들 각각에서 포착된 신호를 각각 일대일로 입력받아 캐리어 성분을 제거하는 소정갯수의 주파수 하향변환 수단과; 상기 주파수 하향변환 수단들에서 출력되는 각 신호들에 대하여 서로 독립적인 특정 복소가중치를 입력받아 해당 신호에 곱하여 다시 이들의 합을 취하므로 원하는 신호의 방향으로만 안테나의 빔이 형성될 수 있도록 하는 빔 조향 수단과; 상기 빔 조향 수단의 출력에 각 사용자들의 PN시퀀스를 병렬형태로 곱하여 그 합을 취함으로 여러 사용자신호들의 혼성형태인 빔조향장치의 출력으로부터 특정 사용자의 신호성분을 추출하는 병렬 복조수단; 및 안테나소자에 부착된 저역여파기의 출력신호와 빔조향장치의 출력신호 및 병렬 복조기의 출력신호를 입력받아 안테나에 도래하는 신호들의 정보를 예측하여 그에 따른 가중치를 상기 빔 조향 수단에 입력하는 적응신호처리수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 CDMA 시스템의 성능향상을 위한 적응배열 안테나를 갖는 기지국의 수신기.