KR100301705B1 - 코드분할다중접속방식이동통신시스템의섹터안테나시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소프트 핸드오프 성공률을 높이고, 안테나 이득을 증대시킬 수 있는 코드 분할 다중 접속 방식(CDMA) 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 다수의 섹터로 분할된 셀 구조를 가지는 코드 분할 다중 접속 방식(CDMA) 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템에 있어서, 상기의 섹터 안테나 시스템은 다수의 안테나 센서를 포함하는 선형 배열 안테나(Linear Array Antenna)를 포함하고; 상기 인접하는 안테나 센서간의 거리는 소프터 핸드오프(Softer Handoff)가 발생하는 빔의 중첩 각도를 고려하여 결정하는 것을 특징으로 하는 섹터 안테나 시스템이 제공된다.

Description

코드 분할 다중 접속 방식 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템 (Sectored antenna system of CDMA system)
본 발명은 섹터 안테나 시스템에 관한 것이며, 특히, 소프터 핸드오프(Softer Handoff) 성공률을 높이고, 안테나 이득을 증대시킬 수 있는 코드 분할 다중 접속 방식(CDMA) 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템에 관한 것이다.
디지털 셀룰러 이동 통신 시스템은 넓은 영역을 다수의 셀로 나누어, 각 셀 내의 기지국과 그 주위의 다수의 이동국(MS : Mobile Station)간의 통신을 가능하게 하는 방법이다. 기지국과 이동국간의 통신은 아날로그 또는 디지털 형태의 정보 신호를 무선 통신 채널을 통하여 송수신한다.
일반적으로 기지국에서 이동국으로 전송하기 위한 무선 채널을 순방향 링크라고 하고, 이동국에서 기지국으로 전송하기 위한 무선 채널을 역방향 링크라 한다. 기지국은 다수의 이동국에 변조된 신호들을 동시에 송신하여야 하며, 또한 다수의 이동국으로부터 송신되어오는 신호를 동시에 수신하여야 한다. 이를 위하여 멀티플렉싱(Multiplexing) 또는 멀티플-억세스(Multiple Access) 방법이 필요하다.
멀티플-억세스 방법으로는 FDMA(Frequency Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), CDMA(Code Division Multiple Access) 방법 등이 있으며, 특히 CDMA는 시스템 용량면에서 타 시스템보다 월등하다는 것으로 알려져 있다. 이에 대하여는 K.S.Gilhousen, I.M.Jacobs, R.Padovani, A.Viterbi, L.A.Weaver, C.Wheatly가 IEEE Trans.Veh.Technol., vol.40, No.2에 게재한 논문 'On the capacity of a cellular CDMA system'에 상세히 기술되어 있다.
CDMA 시스템은 각 사용자에게 고유의 의사 잡음 코드(PN 코드)를 할당하여 대역 확산된 신호를 전송하는 방법이다. 수신기는 대역 확산된 신호를 역확산하기 위하여 대역 확산할 때 사용된 PN 코드와 동일한 코드를 사용한다.
한편, CDMA 시스템은 수신되는 간섭량에 따라 시스템의 용량이 결정되는 시스템이다. 따라서, 수신되는 간섭량을 줄여, 시스템 용량을 늘리는 방법으로 Sectorization 방법을 사용한다. Sectorization은 기지국에 섹터 안테나를 사용함으로써, 제한된 범위의 방향으로부터 오는 신호만을 수신하는 방법이다. 그러나, 증가하는 사용자 수와 좀 더 질 높은 서비스의 요구 등은 더 높은 시스템 용량을 필요로 하게 되었다. 이를 위하여 종래에 제안된 섹터 안테나로는 배열 안테나(Array Antenna) 혹은 스마트 안테나(Smart Antenna)를 사용하여 시스템 용량을 늘이는 방법이 제안되었다.
배열 안테나는 여러 개의 안테나 센서를 사용하여 원하는 신호원의 방향으로 좁은 빔을 형성하여 다른 사용자의 신호를 억제하는 방법으로서, 그 종류로는 선형(Linear) 배열 안테나, 원형(Circular) 배열 안테나, 평면형(Planar) 배열 안테나 등이 있다.
도 1은 CDMA 시스템의 한 개의 셀이 3개의 섹터로 나누어져 있는 경우, 섹터 안테나 시스템의 작동을 설명한 개념도로서, 각 섹터에 배열 안테나(10)를 사용하여 이동국과의 통신에 빔(11)을 형성하는 것을 나타낸 예이다.
M 개의 센서로 구성되는 배열 안테나에 입사되는 신호를 평면파(Plane Wave)라고 가정하면, 스티어링 벡터(Steering Vector) a 는 아래의 [수학식 1]과 같이 된다.
이 때, d 는 안테나 센서간의 거리를 나타낸다.
여기서 위상 값의 범위가 [-π, π] 로 제한되어야만, θ 와 값이 1대1 의 비로 대응된다.
따라서, 를 만족하도록 d를 결정하여야 한다.
도 2는 도 1에 도시된 한 개의 섹터의 배열 안테나의 작동 범위를 도시한 도면으로서, M 개의 안테나 센서(20)에 들어오는 신호의 입사각의 범위가 [-θm,θm] 일 때, d의 최대값은 로 취할 수 있음을 보여준다. 여기서, 이다.
위에서 서술한 내용은 A.F.Naguib, A.Paulraj, T.Kailath가 IEEE Trans.Vehic.Tech., VT-43, No.3에 게재한 논문 'Capacity improvement with base-station antenna array'에서 상세히 기술되어 있다.
한편, 이동 통신 시스템에서 이동국이 관장 기지국의 서비스 영역을 벗어나서 새로운 셀로 진입할 때 핸드오프 기능에 의하여 통신이 지속될 수 있도록 한다. 이러한 핸드오프 방법으로는 하드 핸드오프(Hard Handoff) 방법과 소프트 핸드오프(Soft Handoff) 방법이 있다.
아날로그 셀룰러 시스템(Analog Cellular System)에서는 하드 핸드오프 방법을 사용하는데, 이는 새로운 기지국과 이동국이 통신을 시작하기 전에 기존 기지국과의 링크를 절단한 후, 새로운 기지국과 접속하는 방법이다. 따라서 핸드오프가 일어날 때 짧은 시간동안 접속이 끊어지게 되어 음성 품질이 저하된다.
한편, 디지털 셀룰러 시스템(Digital Cellular System)에서는 이동국이 기존 셀 영역을 벗어나서 새로운 셀로 진입하는 경우, 중간에 기존 기지국과의 링크를 절단하지 않은 상태에서 새로운 기지국과의 링크를 새로 형성한다. 다시 말해서, 부호분할 다중접속 이동 통신 시스템에서의 핸드오프 절차를 살펴보면, 기존 기지국과의 접속, 양쪽 기지국과의 동시 접속, 다음에 기존 기지국과의 링크 절단이라는 순서를 밟는다. 이러한 종류의 핸드오프를 소프트 핸드오프 방법이라고 한다. 이러한 소프트 핸드오프는 통신 단절의 가능성이 적으며, 통신 도중에 통신 링크가 절단되지 않기 때문에 사용자는 핸드오프가 발생하였는지를 감지하지 못하게 된다.
또한, 이동국이 셀 내의 한 섹터에서 다른 섹터로 이동하는 경우, 위에서 서술한 소프트 핸드오프 과정과 유사한 과정이 일어나는데, 이러한 과정을 소프터 핸드오프(Softer Handoff)라 한다. 소프터 핸드오프의 경우, 기지국의 수신기는 양 섹터의 안테나를 통하여 수신한 신호를 다이버시티(Diversity) 결합시키고 복조한다.
도 3은 CDMA 시스템의 한 개의 셀이 3개의 섹터로 나누어져 있는 경우, 소프터 핸드오프가 발생하는 영역을 도시한 도면으로서, 각 섹터 안테나가 송수신하는 빔의 범위는 인접 섹터 사이에 소프터 핸드오프를 수행할 수 있도록 빔이 중첩된다. (30)은 소프터 핸드오프가 일어나는 영역이고, (31)은 섹터 1 과 섹터 2 사이의 빔이 중첩되는 영역이며, (32)는 섹터 1 과 섹터 2 가 10도의 각도로 중첩됨을 나타낸 것이다.
한편, 위에서 서술한 내용을 근거로 시스템 용량을 충분히 확보하여야 한다는 전제 조건하에, 소프터 핸드오프가 원활히 일어나기 위하여 안테나 센서를 배열 안테나에 어떻게 설치하여야 하는지에 대하여 현재 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 안테나 센서간의 거리가 최적화 되어 있는 코드 분할 다중 접속 방식(CDMA) 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 CDMA 시스템의 한 개의 셀이 3개의 섹터로 나누어져 있는 경우, 섹터 안테나 시스템의 작동을 설명한 개념도이고,
도 2는 도 1에 도시된 한 개의 섹터의 배열 안테나의 작동 범위를 도시한 도면이고,
도 3은 CDMA 시스템의 한 개의 셀이 3개의 섹터로 나누어져 있는 경우, 소프터 핸드오프가 발생하는 영역을 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나를 사용하여, i 번째 사용자 신호를 복조하는 회로 블록도이고,
도 5a 내지 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 결과를 나타낸 그래프로서, 도 5a는 신호원의 입사각이 [-70도, +70도]이고, d = 0.5 λ 인 경우의 배열 안테나의 지향성(Directivity) 패턴을 나타낸 그래프이고,
도 5b는 도 5a에 도시된 결과에 따른 이동국의 위치에 대한 전력 소모량을 나타낸 그래프이고,
도 6a는 신호원의 입사각이 [-70도, +70도]이고, d = 0.532 λ 인 경우의 배열 안테나의 지향성(Directivity) 패턴을 나타낸 그래프이고,
도 6b는 도 6a에 도시된 결과에 따른 이동국의 위치에 대한 전력 소모량을 나타낸 그래프이다.
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 다수의 섹터로 분할된 셀 구조를 가지는 코드 분할 다중 접속 방식(CDMA) 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템에 있어서, 상기의 섹터 안테나 시스템은 다수의 안테나 센서를 포함하는 선형 배열 안테나(Linear Array Antenna)를 포함하고; 상기 인접하는 안테나 센서간의 거리는 소프터 핸드오프(Softer Handoff)가 발생하는 빔의 중첩 각도를 고려하여 결정하는 것을 특징으로 하는 섹터 안테나 시스템이 제공된다.
또한, 보다 바람직하게는, 상기 안테나 센서간의 거리는 아래의 [식 1]에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 코드 분할 다중 접속 방식 이동 통신 시스템의 섹터 안테나이 제공된다.
[식 1]
여기서, d 는 선형 배열 안테나에 장착되는 인접하는 안테나 센서간의 거리이고,
λ 는 무선 통신에 이용되는 전파의 파장이고,
S 는 한 개의 셀이 다수의 섹터로 분할될 때, 섹터의 개수이고,
θs 는 인접하는 섹터간의 소프터 핸드오프가 발생하는 빔의 중첩 각도를 의미한다.
아래에서, 본 발명에 따른 양호한 일 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
선형 배열 안테나에 설치된 인접 센서간의 거리(d)는 공간 알리아싱(Spatial Aliasing)을 피하도록 하여야 하며, 그 값은 위에서 서술하였다시피, 아래의 [수학식 2]를 만족시켜야 한다.
따라서, 사용자 신호의 입사각( θ )의 범위가 인 경우, 를 만족하여야 한다. 그러나, 셀을 S 개의 섹터로 나누어 사용하는 경우, 입사각의 범위는 로 좁아진다.
이때는 공간 알리아싱을 피하도록 하는 인접 안테나 센서간의 거리의 최대값은 가 된다. 그러나, CDMA 시스템에서 S 개의 섹터로 나누는 경우, 섹터간의 핸드오프, 즉 소프터 핸드오프(Softer Handoff)를 위하여 인접 섹터간의 빔의 중첩(Beam - Overlapping)이 필요하다. 따라서, 인접 안테나 센서 간의 거리의 최대값을 결정할 때, 빔이 중첩되는 각도( θs )에 대한 고려가 필요한데, 이를 고려하여 나타낸 것이 아래의 [수학식 3]이다.
이 때, 입사각의 범위는 가 된다.
도 4는 기지국에서 다중 사용자 신호를 수신하여 M 개의 안테나 센서로 구성된 배열 안테나를 사용하여, i 번째 사용자 신호를 복조하는 회로 블록도로서, M 개의 캐리어 복조기(40), M 개의 정합 필터(Matched Filter, 41), 가중 벡터 판단기(Weight Vector Estimator, 42), L 개의 가중 벡터 곱셈기(43), L 개의 가중 벡터 합산기(45), L-Parallel 복조기(45) 및 신호 합산기(46)로 구성된다. 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
M 개의 안테나 센서에 의하여 입력된 신호는 캐리어 복조기(40)에 의하여 캐리어 복조된 후, 정합 필터(41)에 의하여 정합 필터링 된다. 상기 정합 필터(41)에 의하여 출력된 신호는 가중 벡터 판단기(42)에 입력되어, 빔 형성을 위한 스냅샷 벡터(Snapshot Vector)로 사용된다.
또한, 상기 정합 필터(41)에 의하여 출력된 신호는 L 개의 가중 벡터 곱셈기(43)에 의하여 각 경로(본 실시예에서는 L 개의 경로로 설계되어 있다.)에 대한 가중 벡터(Weight Vector)와 곱해진 후, L-Parallel 복조기(45)에 입력되기 위하여 L 개의 가중 벡터 합산기(44)에 의하여 합하여 진다.
상기 L 개의 가중 벡터 합산기(44)에 의하여 합산된 신호는 L-Parallel 복조기(45)에 의하여 복조되며, 상기 L-Parallel 복조기(45)를 통과한 데이터는 가중 벡터 판단기(42)에서 사용될 수 있으며, 각 멀티 패쓰 신호는 신호 합산기(46)에서 합산된다.
빔 형성에 사용되는 가중 벡터는 각 경로별로 소정의 시간마다 갱신되며 제어기(48)는 전체 회로의 작동을 제어한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 결과를 나타낸 그래프로서, 신호원의 입사각이 [-70도, +70도]이고, d = 0.5 λ 인 경우의 배열 안테나의 지향성(Directivity) 패턴을 나타낸 그래프이다. 이 때의 평균 지향성(E(D))은 7.902이다.
안테나 이득은 지향성에 전력 효율을 곱한 것이기 때문에, 안테나 이득에 대한 패턴은 지향성의 패턴과 같이 생각할 수 있다. 도 5a를 통하여 알 수 있듯이, 입사각이 0일 때, 안테나 이득이 가장 크고, 입사각이 약 53도 일 때, 안테나 이득이 가장 나쁘다.
도 5b는 도 5a에 도시된 결과에 따른 이동국의 위치에 대한 전력 소모량을 나타낸 그래프로서, 입사각이 0도 일 때, 전력 소모량이 가장 작다는 것을 알 수 있다.
한편, 인접 섹터간의 소프터 핸드오프는 두 섹터가 한 이동국으로부터 오는 신호를 각각 수신하여, 이를 합산하기 때문에, 소프터 핸드오프를 하지 않는 이동국보다 약 3dB 정도의 이득이 있다. 따라서, 섹터의 경계 지역인 [-70도, -50도] 및 [+70도, +50도]의 지역에 있는 이동국은 소프터 핸드오프를 수행한다고 가정할 때, 전력 소모량이 약 3dB 정도 줄어든다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 결과를 나타낸 그래프로서, 신호원의 입사각이 [-70도, +70도]이고, d = 0.532 λ 인 경우의 배열 안테나의 지향성(Directivity) 패턴을 나타낸 그래프이다. 이 경우에는 입사각이 증가함에 따라, 안테나 이득이 줄어듬을 알 수 있다. 이 때의 평균 지향성(E(D))은 7.913이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 결과에 따른 이동국의 위치에 대한 전력 소모량을 나타낸 그래프로서, 입사각이 0도 일 때, 전력 소모량이 가장 작으며, d = 0.5 λ 인 경우와 마찬가지로, 섹터의 경계 지역인 [-70도, -50도] 및 [+70도, +50도]에서 소프터 핸드오프가 일어난다고 가정하였을 때, 전력 소모량은 약 3 dB 정도 줄어든다.
한편, d = 0.532 λ (도 7b)인 경우가 d = 0.5 λ (도 6b)인 경우보다 더 좋은 경우이다. 왜냐하면, 소프터 핸드오프에 의한 송출 전력의 감소를 얻는 이동국들은, d = 0.532 λ 인 경우, 상대적으로 가장 큰 전력을 송출하는 이동국들이기 때문에 이동국의 위치에 따른 전력 소모량의 분산을 적게 하기 때문이다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 S 개의 섹터로 구성된 배열 안테나의 인접 센서간의 거리를 최적화함으로써, 소프터 핸드오프 성공률을 높일 수 있고, 안테나 이득을 증대시킬 수 있으며, 여러 사용자의 단말기의 전력 소모 양을 고르게 분산시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (6)

  1. 다수의 섹터로 분할된 셀 구조를 가지는 코드 분할 다중 접속 방식(CDMA) 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템에 있어서,
    상기의 섹터 안테나 시스템은 다수의 안테나 센서를 포함하는 선형 배열 안테나(Linear Array Antenna)를 포함하고;
    상기 인접하는 안테나 센서간의 거리는 상기 안테나가 담당하는 센터에 해당하는 각도와 빔 중첩 각도를 합한 각도 범위 내에서 공간 알리아싱(Spatial Aliasing)이 생기지 않도록 하기 위하여 아래의 [식 1]에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 코드 분할 다중 접속 방식 이동 통신 시스템의 섹터 안테나.
    [식 1]
    여기서, d 는 선형 배열 안테나에 장착되는 인접하는 안테나 센서간의 거리이고,
    λ 는 무선 통신에 이용되는 전파의 파장이고,
    S 는 한 개의 셀이 다수의 섹터로 분할될 때, 섹터의 개수이고,
    θs 는 인접하는 섹터간의 소프터 핸드오프가 발생하는 빔의 중첩 각도를 의미한다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인접하는 안테나 센서간의 거리는 아래의 [식 2]에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 코드 분할 다중 접속 방식 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템.
    [식 2]
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 안테나 센서로부터 신호를 수신하여 캐리어 복조를 하는 다수의 캐리어 복조기와;
    상기 다수의 캐리어 복조기를 통과한 신호를 정합 필터링(Matched Filtering)하는 다수의 정합 필터와;
    상기 다수의 정합 필터를 통과한 신호를 각각의 경로에 대한 가중 벡터(Weight Vector)와 곱하는 기능을 수행하는 다수의 가중 벡터 곱셈기와;
    상기 다수의 가중 벡터 곱셈기에서 출력한 신호들을 병렬 복조기에 입력시키기 위한 전처리 기능을 수행하는 다수의 가중 벡터 합산기와;
    상기 다수의 가중 벡터 합산기에 의하여 출력된 신호를 복조하는 기능을 수행하는 다수의 복조기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코드 분할 다중 접속 방식 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 정합 필터를 통과한 신호를 수신하여, 가중 벡터를 생성하는 기능을 수행하는 가중 벡터 판단기(Weight Vector Estimator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코드 분할 다중 접속 방식 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 복조기는 병렬 복조기인 것을 특징으로 하는 코드 분할 다중 접속 방식 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템.
  6. 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 복조기를 통과한 각각의 경로에 대한 신호를 합산하는 기능을 수행하는 합산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코드 분할 다중 접속 방식 이동 통신 시스템의 섹터 안테나 시스템.
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