KR100350386B1 - Apparatus and Method for forming beam using direction of arrival estimation in a mobile communication system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스마트 안테나(smart antenna)를 적용한 이동통신 시스템(특히 IMT-2000 시스템, IS-2000 시스템)에서 수신 신호의 입사각을 추정하여 송신 가중치를 결정함으로써, 최적의 빔을 형성토록 한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은 수신 신호의 입사각 추정을 위한 입사각 추정기를 구비하고, 각 배열 안테나 엘리먼트에서 역방향 신호를 수신하여 수신 신호 벡터를 구성하고, 수신 신호 벡터로 스펙트랄(Spectral) 행렬을 구성한 후 수신 신호의 입사각을 추정하며, 그 추정한 입사각을 미리 정해진 가중치 산출식에 대입하여 송신 위상 가중치 벡터를 산출하며, 산출한 송신 위상 가중치 벡터를 송신 신호와 곱하여 원하는 이동국의 방향으로 빔을 형성시킨다.The present invention is to determine the transmission weight by estimating the angle of incidence of a received signal in a mobile communication system (especially IMT-2000 system, IS-2000 system) applying a smart antenna, thereby forming an optimal beam The present invention relates to a beam forming apparatus using an angle of incidence estimation and a method thereof. The present invention comprises an angle of incidence estimator for the angle of incidence of a received signal, constructs a received signal vector by receiving a reverse signal at each array antenna element, After constructing a spectral matrix from the signal vectors, the incidence angle of the received signal is estimated, and the transmission angle weight vector is calculated by substituting the estimated angle of incidence into a predetermined weight calculation equation. Multiply by to form a beam in the direction of the desired mobile station.
Description
본 발명은 이동통신 시스템에서 입사각(Direction of Arrival) 추정을 이용한 빔 형성(beam forming)에 관한 것으로, 특히 스마트 안테나(smart antenna)를 적용한 이동통신 시스템(특히 IMT-2000 시스템, IS-2000 시스템)에서 수신 신호의 입사각을 추정하여 송신 가중치를 결정함으로써, 최적의 빔을 형성토록 한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치 및 그 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to beam forming using a direction of arrival estimation in a mobile communication system, and in particular, a mobile communication system using a smart antenna (particularly an IMT-2000 system and an IS-2000 system). The present invention relates to a beam forming apparatus and method using the incidence angle estimation in a mobile communication system for estimating the transmission weight by estimating the incidence angle of a received signal.
일반적으로 CDMA 방식 통신 시스템에서는 기지국 용량 증가를 위해서 섹터(알파 섹터, 베타 섹터, 감마 섹터) 안테나를 사용하고 있다. 그러나 이러한 섹터 안테나의 사용으로도 급격히 증가하는 이동국을 충분히 커버할 수 없었다.In general, a CDMA communication system uses a sector (alpha sector, beta sector, gamma sector) antenna to increase base station capacity. However, even the use of such a sector antenna could not sufficiently cover the rapidly increasing mobile station.
따라서 현재 연구, 개발중인 차세대 이동통신 시스템에서는 보다 많은 용량의 이동국 접속 요구를 만족시켜주기 위해서 스마트 안테나를 적용하였다.Therefore, in the next generation mobile communication system under research and development, the smart antenna is applied to satisfy the demand of mobile station with more capacity.
여기서 스마트 안테나는 배열 안테나로 구성되며, 적응 디지털 필터의 일종인 빔 형성 알고리즘으로 운용된다. 즉, 스마트 안테나 시스템은 원하는 이동국의 방향으로 가장 큰 이득을 갖는 빔(main Lobe : 주빔)을 형성하고, 다른 이동국의 방향으로는 상대적으로 적은 이득의 빔을 형성하여 간섭의 영향을 줄이는 방법이다.The smart antenna is composed of an array antenna and is operated by a beamforming algorithm, which is a kind of adaptive digital filter. That is, the smart antenna system forms a beam having the largest gain in the direction of the desired mobile station (main lobe), and forms a beam having a relatively low gain in the direction of the other mobile station to reduce the influence of interference.
CDMA 방식에서는 간섭의 영향이 시스템의 용량을 결정하는 주요 파라메터로 작용하므로, 스마트 안테나를 이용하여 간섭을 줄임으로서 시스템의 용량을 증가시킬 수 있다.In the CDMA method, since the influence of interference acts as a main parameter for determining the capacity of the system, the capacity of the system can be increased by reducing the interference by using a smart antenna.
기지국 방향) 신호를 이용한 방식으로 역방향에 대한 용량 증가만을 고려하고 있다.Only the capacity increase for the reverse direction is considered by using the base station direction) signal.
이동국 방향)에 대한 용량 증가가 요구된다.An increase in capacity) is required.
이동국 방향)에 대한 시스템 용량 증가가 가능하도록 새로운 빔 형성장치 및 방법을 제안한다.A new beam forming apparatus and method are proposed to increase the system capacity with respect to the mobile station direction.
본 발명의 목적은 스마트 안테나(smart antenna)를 적용한 이동통신 시스템(특히 IMT-2000 시스템)에서 수신 신호의 입사각을 추정하여 송신 가중치를 결정함으로써, 최적의 빔을 형성토록 한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to estimate the incidence angle of a received signal in a mobile communication system (especially an IMT-2000 system) employing a smart antenna to determine the transmission weight, thereby to estimate the incidence angle in a mobile communication system to form an optimal beam. The present invention provides a beam forming apparatus and a method thereof.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치는,Beam forming apparatus using the incident angle estimation in the mobile communication system according to the present invention for achieving the above object,
각 배열 안테나 엘리먼트를 통해 역방향 수신 신호 벡터를 획득하고, 상기 획득한 역방향 수신 신호 벡터로 입사각을 추정한 후 그 추정된 입사각으로 송신 위상 가중치를 산출하는 입사각 추정기와;An incidence angle estimator for obtaining a backward reception signal vector through each array antenna element, estimating an incidence angle with the obtained reverse reception signal vector, and calculating a transmission phase weight with the estimated incidence angle;
상기 입사각 추정기에서 출력된 각각의 송신 위상 가중치와 분배기를 통해분배된 송신 신호를 각 배열 안테나 별로 승산하여 빔을 형성한 후 상기 각 배열 안테나로 전달해주는 복수개의 승산기로 구성된 것을 특징으로 한다.Each of the transmission phase weights output from the incident angle estimator and the transmission signal distributed through the divider are multiplied for each array antenna to form a beam, and the plurality of multipliers are configured to transfer the array antennas.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성방법은,In addition, the beam forming method using the incident angle estimation in the mobile communication system according to the present invention for achieving the above object,
배열 안테나인 스마트 안테나를 적용한 이동통신 시스템의 빔 형성방법에 있어서,In the beam forming method of a mobile communication system using a smart antenna that is an array antenna,
상기 배열 안테나 엘리먼트에서 역방향 신호를 수신하여 수신 신호 벡터를 구성하는 단계와;Receiving a reverse signal at the array antenna element to construct a received signal vector;
상기 수신 신호 벡터로 스펙트랄(Spectral) 행렬을 구성한 후 수신 신호의 입사각을 추정하는 단계와;Estimating an incident angle of a received signal after constructing a spectral matrix with the received signal vector;
상기 추정한 입사각을 미리 정해진 가중치 산출식에 대입하여 송신 위상 가중치 벡터를 산출하는 단계와;Calculating a transmission phase weight vector by substituting the estimated incident angle into a predetermined weight calculation formula;
상기 산출한 송신 위상 가중치 벡터를 송신 신호와 곱하여 원하는 이동국의 방향으로 빔을 형성시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.And multiplying the calculated transmission phase weight vector by a transmission signal to form a beam in a direction of a desired mobile station.
도 1은 본 발명에서 IMT-2000용 순방향 스마트 안테나 시스템의 개념을 설명하기 위한 개념도이고,1 is a conceptual diagram illustrating a concept of a forward smart antenna system for IMT-2000 in the present invention,
도 2는 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성장치를 보인 구성도이고,2 is a block diagram showing a beam forming apparatus using an incident angle estimation in a mobile communication system according to the present invention,
도 3은 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성방법을 보인 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a beam forming method using an angle of incidence estimation in a mobile communication system according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
101 ~ 100+N ..... 배열 안테나101 ~ 100 + N ..... Array Antenna
200 ..... 입사각 추정기200 ..... Incident angle estimator
300 ..... 분배기300 ..... Splitter
401 ~ 400+N ..... 승산기401 ~ 400 + N ..... Multipliers
이하 상기와 같은 기술적 사상에 따른 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention according to the technical spirit as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에서 IMT-2000용 순방향 스마트 안테나 시스템의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating the concept of a forward smart antenna system for IMT-2000 in the present invention.
기지국에서 이동국으로 전송하는 순방향의 성능을 향상시키고자 어레이 안테나를 사용하여 원하는 이동국의 방향으로 큰 전력의 빔을 형성하고 다른 방향으로는 약한 전력으로 전송하는 신호처리 기법이다.In order to improve the performance of the forward transmission from the base station to the mobile station, an array antenna is used to form a large power beam in the direction of the desired mobile station and transmit the signal with weak power in the other direction.
순방향으로 빔을 형성하기 위해서는 순방향 배열 신호에 대한 위상 가중치의 계산이 필요하다. 위상 가중치를 계산하기 위해서 본 발명은 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)과 같은 부공간(sub-space) 기법을 이용한 입사각(DOA : Direction Of Arrival) 추정 방법을 제안한다.In order to form the beam in the forward direction, it is necessary to calculate the phase weight for the forward array signal. In order to calculate the phase weight, the present invention proposes a method of estimating an angle of incidence (DOA) using a sub-space technique such as MULTIple SIgnal Classification (MUSIC).
여기서 수신 신호를 MUSIC과 같은 방법을 이용하여 처리하면 이동국의 방향을 계산할 수 있다.Here, the received signal is processed using a method such as MUSIC to calculate the direction of the mobile station.
<실시예1>Example 1
첨부한 도면 도 2는 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성장치를 보인 구성도이다.2 is a block diagram illustrating a beam forming apparatus using an angle of incidence estimation in a mobile communication system according to the present invention.
여기서, 참조부호 101 ~ 100+N은 배열 안테나, 200은 입사각 추정기, 300은 분배기, 401 ~ 400+N(2이상의 정수)은 승산기를 각각 나타낸다.Reference numerals 101 to 100 + N denote array antennas, 200 denotes an angle of incidence estimator, 300 denotes a divider, and 401˜400 + N (an integer of 2 or more) respectively.
이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치는, 먼저 입사각 추정기(200)에서 상기 각 배열 안테나(101 ~ 100+N)의 엘리먼트를 통해 역방향 수신 신호 벡터를 획득하고, 상기 획득한 역방향 수신 신호 벡터로 입사각을 추정한 후 그 추정된 입사각으로 송신 위상 가중치(w(0), w(1), ...., w(N-1))를 산출한다.The beamforming apparatus using the incident angle estimation in the mobile communication system according to the present invention configured as described above, first obtains the reverse received signal vector through the elements of the array antennas 101 to 100 + N in the incident angle estimator 200 After estimating the incidence angle using the obtained reverse received signal vector, the transmission phase weights w (0), w (1), ..., and w (N-1) are calculated based on the estimated incidence angle.
다음으로 상기 각 배열 안테나와 일 대 일로 대응하는 복수개의 승산기(401~ 400+N)는 상기 입사각 추정기(200)에서 출력된 각각의 송신 위상 가중치(w(0), w(1), ...., w(N-1))와 분배기(400)를 통해 분배된 송신 신호를 각 배열 안테나 별로 승산하여 빔을 형성한 후 상기 각 배열 안테나(101 ~ 100+N)로 전달해주어, 순방향 빔을 형성하게 된다.Next, the plurality of multipliers 401 to 400 + N corresponding to the array antennas in one-to-one correspond to respective transmission phase weights w (0), w (1),... .., w (N-1)) and multiplied transmission signals distributed through the splitter 400 for each array antenna to form a beam, and then transfer the beams to the array antennas 101 to 100 + N, and forward beams Will form.
<실시예2>Example 2
첨부한 도면 도 3은 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성방법을 보인 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a beam forming method using an angle of incidence estimation in a mobile communication system according to the present invention.
이에 도시된 바와 같이, 배열 안테나 엘리먼트에서 역방향 신호를 수신하여 수신 신호 벡터를 구성하는 단계(S100)와; 상기 수신 신호 벡터로 스펙트랄(Spectral) 행렬을 구성한 후 수신 신호의 입사각을 추정하는 단계(S200 ~ S300)와; 상기 추정한 입사각을 미리 정해진 가중치 산출식에 대입하여 송신 위상 가중치 벡터를 산출하는 단계(S400)와; 상기 산출한 송신 위상 가중치 벡터를 송신 신호와 곱하여 원하는 이동국의 방향으로 빔을 형성시키는 단계(S500)로 이루어진다.As shown therein, step S100 of receiving a reverse signal from an array antenna element to construct a received signal vector; Estimating an incident angle of a received signal after constructing a spectral matrix from the received signal vector (S200 to S300); Calculating a transmission phase weight vector by substituting the estimated incidence angle into a predetermined weight calculation formula (S400); Multiplying the calculated transmission phase weight vector by a transmission signal to form a beam in a direction of a desired mobile station (S500).
이와 같이 이루어지는 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성방법은, 먼저 단계 S100에서 입사각 추정기(200)는 각 안테나 엘리먼트를 통해 역방향 수신 신호 벡터()를 구성한다.In the beamforming method using the incident angle estimation in the mobile communication system according to the present invention, first, in step S100, the incident angle estimator 200 performs a reverse received signal vector through each antenna element. ).
그런 후 단계 S200에서 스펙트랄(Spectral) 행렬을 구성하고, 단계 S300에서 수신 신호 입사각(DOA)을 추정한다.Thereafter, a spectral matrix is constructed in step S200, and a received signal incident angle DOA is estimated in step S300.
다음으로 단계 S400에서 상기 추정한 입사각을 위상 가중치를 산출하는 하기와 같은 [수학식1]에 대입하여 송신 위상 가중치를 산출한다.Next, the transmission phase weight is calculated by substituting the estimated incident angle in Equation 1 below to calculate the phase weight.
여기서 송신 위상 가중치, 즉 순방향 가중치를 구하기 위해서 주지한 MUSIC과 같은 부공간 신호처리 기법을 이용한다.In order to obtain the transmission phase weight, that is, the forward weight, a known subspace signal processing technique such as MUSIC is used.
상기 MUSIC 신호 처리 기법은 수신 신호의 입사각(DOA)을 계산하는 방법이다. 그 후 수신 신호의 입사각을 산출하면 순방향 위상 가중치 벡터를 아래와 같은 [수학식1]로 산출한다.The MUSIC signal processing technique is a method of calculating an incident angle (DOA) of a received signal. Then, when the incident angle of the received signal is calculated, the forward phase weight vector is calculated by Equation 1 below.
상기에서 θ는 수신 신호의 입사각이며, N은 배열 안테나의 엘리먼트 수이다.Is the angle of incidence of the received signal, and N is the number of elements of the array antenna.
한편 상기와 같은 [수학식1]에 의거 송신 위상 가중치를 산출하면, 단계 S500에서 분배기(300)에 의해 분배된 송신 신호와 상기 산출한 송신 위상 가중치를 각각의 승산기(401 ~400+N)에서 각각 승산하여 해당 배열 안테나로 출력하게 된다.On the other hand, when the transmission phase weight is calculated based on Equation 1, the multiplier 401 to 400 + N calculates the transmission signal distributed by the distributor 300 and the calculated transmission phase weight in step S500. Each of them is multiplied and output to the corresponding array antenna.
즉, 역방향 스마트 안테나의 배열 안테나 엘리먼트를 그대로 사용하여 순방향 스마트 안테나 시스템을 구현하게 된다.That is, the forward smart antenna system is implemented by using the array antenna elements of the reverse smart antenna as it is.
이상에서 상술한 본 발명 "이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치 및 그 방법"에 따르면, 역방향 수신 신호를 이용하여 입사각(DOA)을 추정하고, 그 추정된 입사각으로 송신 위상 가중치를 생성한 후 원하는 이동국의 방향으로 송신 신호를 전송함으로써, 기존 역방향 스마트 안테나 시스템을 그대로 사용하면서 최적의 빔을 형성할 수 있는 이점이 있다.According to the above-described "beam forming apparatus and method using the angle of incidence estimation in a mobile communication system", the angle of incidence (DOA) is estimated by using a backward reception signal and a transmission phase weight is generated using the estimated angle of incidence. After transmitting the transmission signal in the direction of the desired mobile station, there is an advantage that can form the optimal beam while using the existing reverse smart antenna system as it is.
또한, 상기와 같은 이점으로 향후 데이터 통신에서 요구되는 채널 용량 증가에 대처할 수 있는 이점도 있다.In addition, there is an advantage that can cope with the increase in channel capacity required for data communication in the future as described above.
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