KR100244197B1 - 고정/이동 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CDMA/TDMA/AMPS 고정 및 이동 셀룰러 통신에 있어서 주파수 자원의 효율을 증대하기 위한 공통채널을 이용한 송수신 시스템에 관한 것이다. 특히 한 주파수 대역에서 서로 다른 2 개의 메세지를 수직편파(Vertical polarization)와 수평편파(Horizontal polarization)로 각각 송수신하는 시스템에 관한 것이다.

본 발명은, 베이스밴드 신호 또는 중간 주파수를 처리하는 디지털 유닛, 상기 디지털 유닛과 연결된 트랜시버블록, 상기 트랜시버 블록으로부터 송신신호를 증폭하는 전력증폭기, 상기 전력증폭기로부터 증폭된 신호에서 송수신 신호를 분리하는 방향결합기, 상기 방향결합기로부터 수신된 적은 세기의 수신신호를 증폭시켜서 상기 트랜시버블록에 입력시키는 저역 잡음증폭기로 이루어져 수직편파를 송수신하기 위한 부분; 상기 수직편파를 송수신하기 위한 부분과 같은 구성으로 된 수평편파를 송수신하기 위한 부분; 상기 두 부분과 병렬연결된 안테나; 및 상기 안테나와 데이터를 송수신하는 터미널을 포함하여 이루어지는 것이 특징이다.

본 발명의 장치를 이용하면, 동일 주파수 대역내에서 수직편파와 수평편파를 동시에 이용하여 통신을 함으로써 주파수를 2배로 이용할 수 있다. 특히 WLL과 같이 고정된 셀룰러 시스템에서는 안테나가 고정되어 있으므로, 공통채널방식을 이용하여 주파수 용량이 2배로 증가하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

고정/이동 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템

본 발명은 CDMA/TDMA/AMPS 고정 및 이동 셀룰러 통신에 있어서 주파수 자원의 효율을 증대하기 위한 공통채널을 이용한 송수신 시스템에 관한 것이다. 특히 한 주파수 대역에서 서로 다른 2 개의 메세지를 수직편파(Vertical polarization)와 수평편파(Horizontal polarization)로 각각 송수신하는 시스템에 관한 것이다.

도 1은 종래의 수직편파를 이용한 시스템 구성도를 나타내는 도면이다. 상기 그림에서 DU는 디지털 유닛이며, 베이스밴드 또는 중간 주파수(Intermediate Frequency) 신호를 처리한다.

XCVB는 트랜시버 블록(Transceiver Block)으로서 송신 신호에 대해서는 업 콘버터(Up-converter)에서 주파수를 상승시키고, 수신 신호에 대해서는 다운 콘버터(Down-converter)에서 주파수를 하강시킨다.

PA는 전력증폭기(Power Amplifier)로서 송신 신호를 증폭 시킨다.

LNA는 저역 잡음 증폭기(Low Noise Amplifer)로서 수신된 적은 세기의 수신 신호를 증폭 시킨다.

D/C는 방향결합기(Directional Coupler)로서 송신 신호와 수신 신호를 분리 시킨다.

안테나는 수직편파를 송수신한다.

터미널은 단말기를 나타낸다.

전파의 진행 방향에 따른 전기장(Electric field.)의 운동 방향에 따라서 전파는 쉽게 수직편파와 수평편파로 구분된다. 수직편파는 전파의 진행 방향과 통상 지표면으로 이루어지는 평면(POI : Plane of Incidence)에 대해서 전계가 수평이되는 것이다. 반면 수평 편파는 전계의 운동 방향이 POI에 대해서 수직이 되는 경우이다. 이를 이용하면 각각의 편파에 서로 다른 메시지 또는 에너지를 실어 보낼 수 있다.

현재 적용되고 있는 시스템은, 수직편파를 사용하고 있다. 이것은 수직편파방법인 경우에 반사파의 세기가 수평편파 방법인 경우의 반사파의 세기보다 작으므로 패스트 페이딩(Fast Fading)의 변화폭이 작아서 안정적인 신호 세기를 얻을 수 있다는 장점에 기인한다. 그러나 반사파가 직접파에 대해서 간섭이 될 수 있고, 반대로 신호 세기를 증가 시킬 수 있다는 장점도 있으므로 없는 것이 반드시 좋은 것은 아니다. 또 일반적인 경우에 수평편파와 수직편파의 입사각에 따른 반사 계수의 비교에 따르면, 기지국과 먼 거리에서는 두 경우의 반사 계수가 거의 유사함을 알 수 있다.

도 2는 반사각에 따른 수직편파와 수평편파의 반사계수의 관계도면을 나타낸다. 상기 도면은 반사각에 따른 수직편파와 수평편파의 반사 계수로서 입사각이 0∼10 도와 80∼90도에서는 두 편파의 반사 계수가 유사해짐을 알 수 있다.

이것은 안테나 높이가 50 미터 일 때 기지국으로부터 50 미터 이내와 300 미터 밖의 지역에 해당되므로 거의 모든 경우가 이에 해당 된다. 즉 대부분의 지역내에서는 편파에 대한 반사파의 세기 차이는 없다. 이러한 기본 지식을 갖고 현재 운용 중인 통신 시스템에 대해 살펴 본다.

기존의 무선 통신 (CDMA/TDMA/AMPS)에서는 800MHz를 사용하고, 최근 PCS에서는 1.8GHz의 주파수를 사용하고 있다. 또 이들은 수직편파만 이용하여 통신을 하고 있다. 그런데 통신 사업자에게는 주파수가 가입자 수를 의미하므로 주파수 자원이 수입과 직접 관련되어 있다. 예를 들어 CDMA 셀룰러 시스템인 800MHz에 있어서는 1.25MHz 대역폭에 섹터당 최대 20 가입자 데이터를 실을 수 있다. 그러므로 그 이상의 가입자 데이터를 수용하기 위해서는 또 다른 1.25MHz를 사용하여야 한다. 이러한 이유로 주파수 자원은 통신 사업자에게 중요한 자산이며 이를 효율적으로 사용하기 위한 방법의 필요성이 대두되고 있다.

상기한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 본 발명은, 편파의 이중화(Diversity)를 고려한 셀룰러 시스템의 공통채널 송수신 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 수직편파를 이용한 송수신 시스템 구성도.

도 2는 반사각에 따른 수직편파와 수평편파의 반사계수의 관계도.

도 3은 CDMA의 10MHz 대역에서 공통채널을 적용한 예시도.

도 4는 본 발명에 의한 송수신 시스템 구성도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1, 10, 10' : DU(DIGITAL UNIT) 2, 20, 20' : XCVB(트랜시버블록)업/다운

3, 30, 30' : PA(전력증폭기) 4, 40, 40' : LNA(저역잡음증폭기)

5, 50, 50' : D/C(방향결합기) 6, 60 : 안테나

7, 70 : 터미널

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 베이스밴드 신호 또는 중간 주파수를 처리하는 디지털 유닛, 상기 디지털 유닛과 연결된 트랜시버블록, 상기 트랜시버 블록으로부터 송신신호를 증폭하는 전력증폭기, 상기 전력증폭기로부터 증폭된 신호에서 송수신 신호를 분리하는 방향결합기, 상기 방향결합기로부터 수신된 적은 세기의 수신신호를 증폭시켜서 상기 트랜시버블록에 입력시키는 저역 잡음증폭기로 이루어져 수직편파를 송수신하기 위한 부분; 상기 수직편파를 송수신하기 위한 부분과 같은 구성으로 된 수평편파를 송수신하기 위한 부분; 상기 두 부분과 병렬연결된 안테나; 및 상기 안테나와 데이터를 송수신하는 터미널을 포함하여 이루어지는 것이 특징이다.

이제 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 동작원리에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 CDMA의 10MHz 대역에서 공통채널을 적용한 예시도이며, 도 4는 수직 및 수평편파를 구성하기 위한 블록도이다.

본 발명은, 상기한 문제점들을 해결하기 위하여 한 주파수 대역내에서 수직 편파와 수평 편파를 동시에 사용하여 각각에 서로 다른 메세지를 송수신하여 주파수 자원의 이용율을 2 배로 늘리는 시스템에 관한 것이다.

도 3은 1.25MHz의 주파수 대역(FA ; Frequency Assignment)을 갖는 CDMA의 10 MHz 에 대해서 각 주파수 대역에 대해서 수직편파와 수평편파에 메세지를 실어서 통신을 하는 공통채널(Co-channel)방식을 설명하기 위한 도면이다. 즉 종래에는 수직편파를 사용해서 1.25MHz 당 1개씩의 메세지를 보냈지만 수평편파도 동시에 이용하면 1.25MHz 마다 2개의 메세지를 보낼 수 있다. 이와 같은 방법은 다른 통신 (TDMA,AMPS)방식에 적용할 수 있으며, 주파수 용량(Capacity)이 2 배로 늘어나는 효과가 있다.

도 4에서 안테나는 이중편파 즉, 수평편파와 수직편파를 동시에 송수신 한다. 안테나 내부에서 수평편파와 수직편파가 바뀌는 크로스 편파현상(Cross polarization)이 생기는 정도는 -30dB 이하로서 전체의 0.001 정도가 바뀐다.

상기 도 4에서 터미널은 단말기를 갖고 있는 가입자를 나타내며 고정 통신인 WLL이나 이동 통신인 경우 수평편파와 수직편파를 분리할 수 있는 안테나를 갖고 있어야 한다.

기존 방식의 시스템 구성도인 도 1과 비교하면 본 발명은 하드웨어가 2 배로 증설되는 단점이 있으나, 공통되는 부분을 고려시에는 전체적으로 Size 면에서 1.5 정도의 증가가 된다. 그러나 무엇보다도 주파수 효율의 2배 증가 시킨다는 장점이 이를 보상한다.

도 4를 참조하여 본 발명의 구성 및 동작에 대해 설명한다.

1. 기존 방식의 시스템에 전원 GPSR과 같은 공통 부분을 제외한 메세지 처리부를 2 배로 증설하며, 각 경로에는 서로 다른 메세지를 실어 송수신 한다.

2. 수평편파와 수직편파를 분리 송수신 할 수 있도록 기지국의 안테나를 이런 용도의 안테나와 대체한다. 단말기에도 편파를 분리 할 수 있는 안테나를 적용한다.

3. 필요시 각 메세지를 보내는 편파의 형태를 단말기에 통보한다. 이로써 가입자측에서 기존 안테나를 사용하여도 단말기 내부에서 편파를 선택할 수 있게 한다.

본 발명에 의한 방식은 L-O-S (Line-of-Sight)를 이용하는 M/W (Microwave)의 경우에 주파수 효율을 높이기 위하여 오래전부터 사용되어 왔다. 그러나 셀룰러 통신에 있어서는 아직 적합한 안테나의 미개발로 적용이 안되어 왔다. 또 셀룰러 통신이 시작된지 오래지 않아서 가입자를 충분히 수용할 수 있기 때문에 필요성이 적었다. 그러나 최근의 가입자수의 증가 경향을 고려할 때 빠른 시간내에 주파수 자원의 문제가 부각될 것이다. 이를 위하여 현재 고려되고 있는 편파의 이중화용 안테나를 사용한다. 이 안테나는 수신시 발생하는 에러를 줄이기 위하여 수직편파와 수평편파로 동일 메세지를 보내어 수신단에서 에러를 보상할 수 있다.

본 발명의 동작설명은 다음과 같다:

1) DU에서는 2 그룹의 메세지(예, 데이터 또는 음성)를 생성하여 2개의 경로로 분리하여 전달한다. 즉 수직편파에 실릴 메세지와 수평편파에 실릴 메세지이다

2) 이들은 안테나에 있는 2개의 포트에 입력된다.

안테나 내부에선 격리기(Isolator)가 있어서 이들이 섞이지 않도록 분리시킨다. 이들이 내부에서 섞이는 양은 - 30dB 이하로서 약 0.001 정도이다.

3) 수직편파와 수평편파에 실린 2개의 메세지는 대기를 통해서 단말기로 전송된다.

4) 이때 필요시 기지국에서는 메세지가 전달될 가입자에게 어느 편파를 이용하라고 지시한다. CDMA의 경우 오버헤드 채널(Overhead channel)을 통해서 이런 정보를 선택한다.

5) 단말기는 설정된 편파에 맞추어 필요한 메세지를 선택한다.

6) 리버스 링크(Reverse Link)의 경우는 단말기로부터의 메세지가 안테나에 입력되어 자신의 편파에 따라 분리된다. 이후 XCVB내의 다운 컨버터(Down Converter)에서 주파수 강하되어서 DU로 전달되어 메세지가 처리된다.

이때 대기중에서 L-O-S의 경우에 이들이 섞이는 경우 즉 크로스 편파는 역시 -30 dB이하로서 무시할 수 있다. 그러나 건물이나 지표에서 반사되면서 생기는 크로스 편파의 정도는 반사면의 전기적 특성, 주파수 및 전파의 입사 각도등에 의해서 결정되므로 그 변화폭은 크다. 대부분의 물체에서 얻는 크로스 편파의 값도 무시할 수 있을 정도로 작다.

그러나 바다 얼음이나 전리층 또는 특수 물체를 바른 경우에는 한 번 반사할때마다 크로스 편파의 정도가 최대 약 0.01이라고 할 때 수신단에서 얻는 양은 다음과 같다. 즉 수평편파와 수직편파의 각각의 반사 계수를 0.95와 0.9라고 한 경우 다음과 같은 세기의 반사파를 얻을수 있다.

HH(수평편파가 입사 되어서 수평편파가 반사된 경우) : 0.95²×(1-0.01)

HV(수평편파가 입사 되어서 수직편파가 반사된 경우) : 0.95²×0.01

같은 방법으로 계속하면 수학식 1이 성립한다.

HHH : 0.95²×(1-0.01)×0.95²×(1-0.01)=0.7983

HHV : 0.95²×(1-0.01)×0.95²×0.01=0.008063

HVH : 0.95²×0.01×0.9²×0.01=0.0000731

HVV : 0.95²×0.01×0.9²×(1-0.01)=0.007237

여기서 에너지는 반사 계수의 제곱승과 관계가 있음을 이용하였다. 위의 수식에서 알수 있듯이 크로스 편파현상이 2 번 이상 발생하면 크로스 편파의 세기는 무시할수 있다. 대체로 멀티 패스를 통한 신호는 경로에 따라 한번에서 수십번의 반사와 회절을 경험할 수 있고, 수신단에서의 신호는 이들 모두의 합이므로, 본 발명은 최소 두 번이상의 반사 및 회절을 경험한 신호에 대해서 적용한다. 그러면 수평편파로 송신시 수평편파로 받을수 있으므로 정상 통화가 가능하며 이것은 수직편파에 대해서도 마찬가지이다.

동일 주파수 대역내에서 수직편파와 수평편파를 동시에 이용하여 통신을 함으로써 주파수를 2배로 이용할 수 있다. 특히 WLL과 같이 고정된 셀룰러 시스템에서는 L-O-S가 확실하게 보장되어야 하고, 안테나가 고정되어 있으므로 공통채널방식을 이용하여 주파수 용량이 2배로 증가하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (15)

1. 베이스밴드 신호 또는 중간 주파수를 처리하는 디지털 유닛, 상기 디지털 유닛과 연결된 트랜시버블록, 상기 트랜시버 블록으로부터 송신신호를 증폭하는 전력증폭기, 상기 전력증폭기로부터 증폭된 신호에서 송수신 신호를 분리하는 방향결합기, 상기 방향결합기로부터 수신된 적은 세기의 수신신호를 증폭시켜서 상기 트랜시버블록에 입력시키는 저역 잡음증폭기로 이루어져 수직편파를 송수신하기 위한 부분;

   상기 수직편파를 송수신하기 위한 부분과 같은 구성으로 된 수평편파를 송수신하기 위한 부분;

   상기 두 부분과 병렬연결된 안테나; 및

   상기 안테나와 데이터를 송수신하는 터미널을 포함하여 이루어지는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 안테나는 수직편파 및 수평편파를 동시에 송수신하는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 안테나 내부에서 수직편파와 수평편파가 바뀌는 크로스 편파현상이 생기는 정도는 -30dB 이하인 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 터미널은 수직편파와 수평편파를 분리할 수 있는 안테나를 갖고 있어야 하는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 기지국의 안테나는 수직편파와 수평편파를 분리할 수 있는 안테나를 갖고 있어야 하는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 필요시 각 메시지를 보내는 편파의 형태를 상기 터미널에 통보하는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜시버 블록은 내부에 업 컨버터와 다운 컨버터를 구비한 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 업 컨버터는 송신시 주파수를 상승시키는 기능을 수행하는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 다운 컨버터는 수신시 주파수를 하강시키는 기능을 수행하는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
10. 제 2항, 제 4 항, 제 5 항 가운데 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나 내부에는 상기 두 편파가 섞이는 것을 방지하는 격리기가 있는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
11. 제 6 항에 있어서, CDMA 셀룰러의 경우 오버헤드 채널을 통해서 상기한 편파의 형태에 관한 정보를 통보하는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
12. 제 1 항에 있어서, 리버스 링크의 경우 터미널로부터의 메시지가 안테나에 입력되어 자신의 편파에 따라 분리되는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
13. 제 1 항에 있어서, 고정된 셀룰러 시스템에서는 L-O-S가 확실하게 보장되어야 하는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 고정된 셀룰러 시스템은 WLL인 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공통채널을 이용한 송수신 시스템.
15. 제 1 항에 있어서, 고정/이동 셀룰러 시스템에서 수신된 신호가 최소 두 번 이상의 반사 및 회절을 경험하여 크로스 편파의 양이 적어야 하는 것이 특징인, 셀룰러 시스템에서 공동 채널을 이용한 송수신 시스템.

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