KR100399810B1 - Ｃｄｍａ시스템용시분할듀플렉스중계기 - Google Patents

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프랭클린 피. 안토니오
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Abstract

본 발명은 의사잡음(PN) 시퀀스를 가지고 변조된 일련의 코드 심볼을 포함하는 스펙트럼 확산 신호를 중계하는 시분할 듀플렉스(TDD)를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. TDD 중계기는 스펙트럼 확산 신호의 공급원으로부터 원격지에 있는 스펙트럼 확산 신호를 간헐적으로 수신한다. TDD 중계기는 수신된 스펙트럼 확산 신호를 증폭 및 설정된 양만큼 지연시킨다. TDD 중계기는 수신, 증폭, 및 지연된 스펙트럼 확산 신호를 간헐적으로 전송함으로써 TDD는 신호 에너지를 전송할 때에는 스펙트럼 확산 신호를 수신하지 않도록 한다.

Description

CDMA 시스템용 시분할 듀플렉스 중계기
무선전화 통신 시스템에서, 많은 사용자들은 무선 채널을 통하여 유선전화 시스템에 연결한다. 무선 채널 상에서의 통신은 제한된 주파수 스펙트럼 내에서 많은 사용자들의 통신을 용이하게 하는 다양한 다중 액세스 기법들 중의 어느 하나를 사용할 수 있다. 이 다중 액세스 기법에는 시분할 다중 액세스(TDMA), 주파수 분할 다중 액세스(FDMA), 그리고 코드 분할 다중 액세스(CDMA) 등이 있다. CDMA 기법은 많은 이점이 있으며, 그에 대한 예시적인 시스템으로써 본 발명의 양수인에게 양도되었고 여기에서 인용문헌으로 사용되는, K. Gilhousen 등에게 특허된 미국특허 제4,901,307로 "Spread Spectrum Multiple Access Communication System Using Satellite or Terrestrial Repeaters"에 기술되어 있다.
위의 특허에서, 다중 액세스 기법이 개시되어 있는데, 여기에서 각각 송수신기를 구비하는 많은 수의 이동통신 시스템의 사용자들은 CDMA 스펙트럼 확산 통신신호를 사용하는 위성 중계기 또는 지상 기지국을 통하여 통신한다. CDMA 통신을 이용하는 경우, 주파수 스펙트럼은 중복해서 재사용할 수 있으므로 시스템에서 사용자 수용능력을 증가시킨다.
'307 특허에서 개시된 CDMA 변조 기법은 위성 또는 지상 채널을 사용하는 통신 시스템에서 사용되는 협대역 변조 기법 상에서 많은 이점을 가진다. 지상 채널은 어떤 통신 시스템에 대하여 특히, 다중경로(multipath) 신호와 관련하여 특별한 문제점을 야기한다. CDMA 기법을 사용하면 지상 채널에서의 특별한 문제점들이 다중경로의 부작용(예, 페이딩(fading))을 완화시킴으로써 극복될 수 있으며, 새로운 이점을 부여한다.
CDMA 셀룰러 전화 시스템에서, 동일한 주파수 대역이 모든 기지국에서의 통신을 위하여 사용될 수 있다. 수신기에서, 분리 가능한 다중경로(예컨대, 직진에 의한 경로와 빌딩에서 반사되어 오는 경로)는 모뎀의 성능을 증가시키기 위하여 결합된 다양한 것들일 수 있다. CDMA 파형의 특성은 동일한 주파수 대역을 점유하는 신호들을 분간하기 위하여 사용되는 처리이득(processing gain)을 제공한다. 만약 경로 지연의 차이가 PN 칩 주기를 초과한다면, 고속의 의사잡음(PN) 변조에 의하여 동일한 신호에 대한 많은 다양한 전파 경로들은 분리될 수 있다. 만약, 1MHz 정도의 PN칩율이 CDMA 시스템에 사용된다면, 완전 스펙트럼 확산 처리이득(시스템 데이터 속도에 대한 확산 대역폭의 비율과 동일)은 1 마이크로초 이상 차이가 나는 지연들을 가지는 경로에 대하여 사용될 수 있다. 1 마이크로초의 경로지연 차는 300미터 정도의 경로거리 차에 해당한다. 통상 도시 환경에서는 1 마이크로초 이상의 경로지연 차를 보인다.
채널의 다중경로 특성은 신호의 페이딩을 야기할 수 있다. 페이딩은 다중 채널의 페이싱(phasing) 특성의 결과이다. 페이드(fade)는 다중경로 벡터들이 파괴적으로 가산되고 각각의 벡터보다 더 작은 수신호를 야기할 때 발생한다. 예를 들어, 정현파가 다중경로 채널을 통하여 전송되고, 채널은 두 개의 경로를 가지고 있어 제1 경로가dB의 감쇠인자 및라디안의 위상 편이를 가지는 δ의 시간 지연을 가지며, 제2 경로가dB의 감쇠인자 및라디안의 위상 편이를 가지는 δ의 시간 지연을 가진다면, 그 채널의 출력에서는 아무런 신호도 수신할 수 없다.
페이딩의 악영향은 송신 전력을 제어함으로써 CDMA 시스템에서 어느 정도 제어될 수 있다. 가입국 및 이동국의 전력 제어를 위한 시스템은 본 발명의 양수인에게 양도되었고, 1991.10.8에 특허된 미국특허 제5,056,109 "Method and Apparatus For Controlling Transmission Power in a CDMA Cellular Mobile Telephone System"에 개시되어 있다.
위의 '307특허에 기술되어 있듯이 CDMA 셀룰러 시스템에서, 각 기지국은 제한된 지역을 커버하며 그 유효영역(coverage area) 내의 이동국들을 셀룰러 시스템 스위치를 통하여 공중회선교환전화망(PSTN)으로 연결시킨다. 이동국이 다른 기지국의 유효영역으로 이동하면, 그 사용자 호출의 라우팅(routing)은 새로운 기지국으로 전환된다. 기지국에서 이동국으로의 신호 전송 경로는 포워드 링크(forward link)라고 하고 이동국에서 기지국으로의 전송 경로는 리버스 링크(reverse link)라고 한다.
상기와 같이, PN 칩 간격은 두 경로를 분리하는 최소치를 정의한다. 명확한 경로가 복조되기 전에, 수신 신호에서 그 경로들의 상대적인 도착 시간(또는 오프셋)이 먼저 결정되어야만 한다. 채널 장치인 모뎀은 잠재적인 경로 오프셋의 시퀀스를 "탐색"하고 각 잠재적 경로 오프셋에서 수신된 에너지를 측정함으로써 이 기능을 수행한다. 만약 잠재적 오프셋과 관련한 에너지가 어떤 임계치를 초과하면, 복조 성분은 그 오프셋으로 할당될 수 있다. 복조 후에 그 경로의 오프셋에 존재하는 신호는 그들 각각의 오프셋에서 다른 복조 성분의 도움으로 합산될 수 있다. 탐색기의 에너지 레벨에 기초한 복조 성분 할당의 장치 및 방법은, 1993. 10. 28일 출원되고 본 발명의 양수인에게 양도되어 출원 계속 중인 이국특허출원 제08/144,902호 "Demodulation Element Assignment In A System Capable Of Receiving Multiple Signals"에 개시되어 있다. 결합된 신호가 심하게 감쇠되기 전에 모든 경로들이 함께 페이드되어야 하기 때문에, 그런 다양한 또는 레이크(rake) 수신기는 확실한 디지털 링크를 제공한다.
셀룰러 또는 개인 통신 전화 시스템에서, 처리할 수 있는 동시 전화 호출의 수에 관한 시스템의 성능을 최대화하는 것은 매우 중요하다. 스펙트럼 확산 시스템에서의 시스템 성능은 각 이동국의 전송 전력이 제어되어 각 전송된 신호가 동일한 레벨로 기지국 수신기에 도달할 때 최대가 될 수 있다. 실제의 시스템에서는, 각 이동국은 데이터 복구가 가능한 정도의 신호대 잡음비를 만들어내는 최소의 신호 레벨을 전송할 수 있다. 이동국에 의하여 전송된 신호가 너무 낮은 전력 수준으로 기지국의 수신기에 도달하면, 다른 이동국에 의한 간섭에 의하여 고품질의 통신을 제공하기에 너무 높은 비트 에러율을 가지게 될 것이다. 한편, 이동국에서 보낸 신호가 기지국에서 수신되었을 때 너무 높은 신호 레벨을 가지고 있으며, 이 특정 이동국을 사용한 통신은 수용 가능하지만 이 고전력 신호는 다른 이동국들에 간섭을 일으킬 수 있다. 이 간섭은 다른 이동국과의 사이에서 통신에 악영향을 줄 수 있다.
따라서 예시된 CDMA 스펙트럼 확산 시스템에서 그 성능을 최대화하기 위하여, 기지국과의 통신에서 각 이동국의 송신 전력은 기지국에 의하여 제어됨으로써 그 기지국에서는 동일한 공칭 수신 신호 전력을 생성하게 된다. 이상적인 경우에는, 기지국에서 수신된 총 신호 전력은 각 이동국으로부터 수신된 공칭 전력을 그 기지국의 유효범위 내의 전송 이동국들의 수와 곱한 값과 인접 기지국들의 유효범위에 있는 이동국들로부터 그 기지국에서 수신된 전력의 합과 같다.
무선 채널에서 경로 손실(path loss)은 두 개의 다른 현상 즉, 평균 경로 손실과 페이딩에 의하여 결정된다. 기지국으로부터 이동국으로의 포워드 링크는 이동국으로부터 기지국으로의 리버스 링크와는 다른 주파수 상에서 동작한다. 그러나, 포워드 링크 및 리버스 링크의 주파수들은 동일한 주파수 대역 내에 있으므로, 중요한 상과관계가 두 링크의 평균 경로 손실 사이에 존재한다. 한편, 페이딩은 포워드 링크와 리버스 링크에 대하여 독립된 현상이며 시간의 함수로 변한다. 그러나, 채널 상에서의 페이딩의 특성은 포워드 및 리버스 링크 모두에 대하여 동일하며, 이는 그 주파수들이 동일한 주파수 대역 내에 있기 때문이다. 그러므로, 양 링크 모두에 대한 시간상의 평균 페이딩은 통상적으로 동일하다.
예시적인 CDMA 시스템에서, 각 이동국은 그 이동국에 대한 입력에서의 총 전력에 기초한 포워드 링크의 경로 손실을 평가한다. 총 전력은 이동국에 의하여 감지되는 것과 동일한 주파수 할당에서 동작하는 모든 기지국들로부터의 전력의 합계이다. 평균 포워드 링크 경로 손실의 측정치로부터, 이동국은 리버스 링크 신호의 전송 레벨을 세트한다.
또한 이동국이 전송하는 전력은 하나 또는 그 이상의 기지국에 의하여 제어된다. 이동국이 통신하고 있는 각 기지국은 그 이동국으로부터의 수신된 신호 강도를 측정한다. 측정된 신호 강도는 그 기지국에서 특정 이동국에 대한 희망 신호강도 레벨과 비교된다. 전력 조정 명령이 각 기지국에 의하여 발생되고 포워드 링크시 이동국으로 전송된다. 기지국의 전력 조정명령에 응답으로써, 이동국은 설정된 양만큼 이동국이 전송하는 전력을 증가 또는 감소시킨다.
하나의 기지국으로부터 다른 기지국으로 이동국을 스위칭하는 다양한 방법("핸드오프(handoff)"라 함)이 존재한다. 그런 한가지 방법은 "소프트" 핸드오프라는 것이 있으며, 이는 이동국과 최종 사용자 사이의 통신이 초기의 기지국에서 다음의 기지국으로의 핸드오프에 의하여 중단되지 아니한다. 이 방법은 소프트 핸드오프라고 불리며, 다음 기지국과의 통신이 초기의 기지국과의 통신을 종료하기 전에 먼저 연결된다. 이동국이 두 개의 기지국들과 통신하고 있을 때, 최종 사용자에 대한 단일 신호가 셀룰러 또는 개인 통신 시스템 제어기에 의하여 각 기지국으로부터의 신호에서 발생된다. 여기에서 인용문헌으로 사용되고 있고 본 발명의 양수인 에게 양도된 미국 특허 제5,267,261에서는 핸드오프 절차 즉, 소프트 핸드오프 동안에 하나 또는 그 이상의 기지국을 통하여 이동국과의 통신을 제공하는 방법 및 시스템이 개시되어 있다.
소프트핸드오프 절차에서 이동국에서의 기지국의 가변성은 중요한 요소이다. 상기에서 기술한 전력 제어 방법은 이동국이 통신이 가능한 각 기지국과 통신할 때 최적으로 동작한다. 그렇게 하는 경우, 이동국은 과도한 레벨로 이동국의 신호를 수신하는 기지국을 통한 통신과의 원치않는 간섭을 피할 수 있으나 거기에 통신 연결이 되지 않았기 때문에 전력 조정 명령어를 이동국과 통신할 수는 없다.
또한 각 원격 장치에 의하여 전송된 제어 정보에 응답하여 기지국에 의해 전송된 각 데이터 신호에서 사용되는 상대적 전력을 제어하는 것이 바람직하다. 그러한 제어 정보를 제공하는 주이유는 어떤 위치에서 포워드 채널이 특별히 불리할 수 있다는 사실을 고려한 것이다. 불리한 조건을 가진 원격 장치로 전송되는 전력이 증가되지 않는다면, 신호의 질은 수용할 수 없는 정도의 것이 될 것이다. 그런 위치의 예로써, 하나 또는 그 이상의 인접 기지국들에 대한 경로 손실이 원격 장치와 통신하는 기지국에 대한 경로 손실과 거의 동일한 위치를 들 수 있다. 그런 위치에서, 총 간섭은 그 기지국에 상당히 인접한 위치에 있는 원격 장치에 대한 간섭의 세 배로 증가한다. 또한, 인접 기지국들로부터 오는 간섭은 액티브(active) 기지국으로부터 오는 간섭에서의 경우와 같이 액티브 기지국으로부터의 신호에 일치하여 페이드하지 아니한다. 그런 경우에서의 원격 장치는 적절한 성능을 얻기 위하여 액티브 기지국으로부터의 신호 전력에 더하여 3 내지 4dB을 요할 수 있다.
다른 경우에, 원격 장치는 신호대 간섭비가 비정상적으로 큰 곳에 위치할 수 있다. 그런 경우에, 기지국은 보통의 경우보다 낮은 전송 전력을 사용하여 소정의 신호를 전송할 수 있으며, 이로써 시스템에 의하여 전송되고 있는 다른 신호들에대한 간섭을 줄일 수 있다.
상기의 목적들을 달성하기 위하여, 신호대 간섭의 측정은 이동국 수신기 내에 행해질 수 있다. 이 측정은 총 간섭에 대한 소요 신호의 전력을 잡음 전력을 비교함으로써 행해진다. 만약 측정된 비율이 설정치 보다 작으면, 이동국은 기지국에게 포워드 링크 시에 부가적인 전력에 대한 요구를 보낼 수 있다. 원격 장치의 수신기가 신호대 간섭 비를 모니터할 수 있는 한 가지 방법은 결과적인 신호의 프레임 에러율(FER)을 모니터링함으로써 행하는 것이다.
기지국은 각 이동국으로부터 전력 조정 요구를 받고 상응하는 포워드 링크 신호에 할당된 전력을 설정치 만큼 조정함으로써 응답한다. 그 조정량은 일반적으로 작은 양이며, 통상 0.5 내지 1.0 dB 정도, 또는 12% 정도이다. 전력의 변화율은 리버스 링크를 위하여 사용되는 것보다 약간 더 느리며, 약 초당 1회가 될 것이다. 바람직한 실시예에서, 조정의 동적 범위는 통상 보통의 경우보다 낮은 4dB에서 보통의 전송 전력보다 높은 약 6dB까지로 한정될 것이다.
모든 셀룰러 무선 전화 시스템은 일정 지역 전체에 기지국들을 위치시킴으로써 동작되어, 각 기지국은 그 기지국의 제한된 지역적 유효범위 내에 위치한 이동국과의 통신을 제공하도록 동작한다. CDMA 시스템의 초기 배치에서는, CDMA 시스템은 AMPS 또는 TDMA 시스템에 의하여 현재 커버되는 영역에서 동작하여야 하며, 여기에서 두 시스템이 중첩된다. AMPS 또는 TDMA 기지국의 위치 및 그에 상응하는 유효 영역은 CDMA 기지국 및 유효영역과 분리되며 다른 것일 수 있다. 이와 같이, 특정 기술의 시스템(AMPS, CDMA, 또는 TDMA) 내에서, 일반적으로 주어진 영역 내에통상 A 캐리어, B 캐리어라고 불리는 경쟁적인 서비스 공급자가 있다. 종종 이 서비스 공급자들은 다른 경쟁자들과 다른 위치에 기지국을 가진다. 이 위치들 각각에서, 제1 캐리어 또는 기술을 사용하여 통신하는 이동국은 통신 중인 기지국으로부터 멀리 떨어져 있고 통신하고 있지 아니한 기지국으로부터 가까이 위치하고 있을 수 있다. 그런 경우, 신호는 이동국에 대한 문제점들을 야기할 수 있는 다중톤(multi-tone) 간섭이 있는 곳에서 소요의 수신 신호가 약해질 수 있다.
협대역 AMPS 또는 TDMA 신호로부터 이동국과 만나는 다중톤 간섭은 이동국 내에서 왜곡을 야기할 수 있다. 만약 왜곡 곱(distortion product)이 이동국에 의하여 사용되는 CDMA 대역에 해당하는 스퍼(spurs)를 발생시키면, 수신기 및 복조기의 성능은 약화될 수 있다.
두개의 톤(tone)이 수신기에 들어가면 3차원 왜곡 곱(third-order distortion products)이 발생한다. 예를 들어, 전력수준 P1에서 주파수 f1의 톤 및 전력수준 P2에서 주파수 f2의 톤이 수신기로 들어가면, 각각 전력수준 P12및 P21에서 주파수 2 x f1- f2및 2 x f2- f1의 3차원 왜곡 곱이 발생된다. 예를 들어, 셀룰러 대역 내에서, CDMA가 880 MHz 내지 881.25 MHz에서 동작하도록 되어있고 AMP 시스템은 881.5MHz의 제1 FM 신호 및 882MHz의 제2 FM 신호를 제공하도록 동작한다면, 바로 CDMA 대역 내에 있는 2 x 881.5 -882MHz = 881MHz에서 스퓨리어스 3차원 곱(spurious third order product)이 발생한다.
생성된 스퓨리어스 3차원 곱의 전력 레벨은 그것을 생성하는 두 개 신호의전력 레벨 및 이동국의 상호변조 성능에 의존한다. 스퓨리어스 3차원 곱에 의하여 생성된 왜곡의 양은 총 스퓨리어스 3차원 곱의 전력에 대한 총 CDMA 전력의 비율에 의존한다. 3차원 곱에 의하여 야기된 왜곡을 제한하기 위한 두 가지 다른 방법은 명백하다. 즉, 이동국에 의하여 생성된 스퓨리어스 3차원 곱을 제한하거나 또는 생성된 3차원 곱에 대한 CDMA 신호의 레벨을 증가시키는 것이다. 이동국의 상호변조 성능을 증가시키는 것은 이동국의 가격 및 전력 소비를 증가시키는 것이며, 이는 매우 바람직하지 못한 것이다. 더욱 좋은 해결책은 CDMA 신호의 레벨을 오펜딩(offending) 기지국 정도로 증가시키는 것이다.
부가적인 신호 생성 수단에 의존하지 아니하면서 소정의 지역에서 신호의 레벨을 증가시키는 한가지 방법은 중계기(repeater)를 구비하는 것이다. 중계기는 일방향 또는 쌍방향 통신 신호를 수신하고 이에 상응하는 증폭되거나 파형 변경된(reshaped) 또는 이들 두 가지 모두의 신호를 전달하는 장치이다. 중계기는 거리, 토폴로지, 또는 단일 세그먼트에 의해 부과된 것을 초과하는 물리 매체의 상호 연결성을 증진시키기 위하여 사용된다. 통상, 중계기는 제1의 소정거리 내의 통신장치로부터 생성된 신호를 받고 그 신호를 그것이 처리되는 제2의 소정거리 내의 통신장치로 재전송한다.
중계기와 관련된 한가지 주요 문제점은 그들이 안정적이지 못하다는 것이다. 중계기가 중계된 신호에 대하여 큰 이득을 제공한다면 비안정적이 될 수 있다. 만약 전송된 신호가 중계기의 수신부로 피드백한다면 중계기는 발진할 수 있다. 만약 중계기가 발진한다면 중계된 신호를 제공하는 것이 중단되고 스퓨리어스 신호들을제공함으로써 시스템을 해칠 수 있다.
발명의 요약
본 발명은 CDMA 시스템용의 신뢰성있는 중계기를 제공하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명은 발진의 위험 없이 중계된 신호에 대한 높은 이득을 제공할 수 있다.
본 발명은 CDMA용의 시분할 듀플렉스(TDD) 중계기이다. CDMA에서는 제1 심볼 율(symbol rate)을 가지는 정보 심볼들을 변조하기 위하여 고속의 의사잡음(PN) 코드가 사용된다. CDMA 수신기에서, 수신 신호는 기지국에서 정보 심볼을 변조하기 위하여 사용된 동일한 고속의 PN 코드를 사용하여 복조된다. 복조 절차에는 고속 PN 코드의 일련의 PN 칩을 가지는 수신 신호의 일련의 칩들에 기초한 곱셈 동작을 포함한다. 각 심볼 동안, 에너지는 심볼에 대한 기간에 걸쳐 축적된다.
본 발명의 중계기는 발진을 방지하면서 RF 신호에 대한 높은 이득을 제공한다. 중계기는 스위치, 지연 소자(정재 음향파(standing acoustic wave(SAW) 필터등), 그리고 일련의 증폭기들을 연결함으로써 동작한다. 스위치는 심볼 율보다 높은 속도로 온 오프 스위치한다. 지연 소자는 스위치 주기의 절반 정도의 지연을 제공한다. 지연 소자는 나중의 전송에 대한 신호를 저장하기 위한 아날로그 저장 장치로서의 역할을 한다. 증폭기는 지연 소자로부터 지연된 신호 출력을 증폭한다. 증폭기가 지연된 신호를 전송하고 따라서 전송 및 수신 안테나 사이를 크게 이격시킬 필요가 없는 동안, 스위치는 오픈되며 어떤 신호도 수신하지 않는다. 따라서 중계기는 전송 및 수신을 교대로 수행함으로써 시분할 듀플렉스 방식으로 동작한다.
수신기에서, 중계기의 스위치된 신호는 일반적인 방식으로 복조된다. 신호대 잡음비는 동일한 전력 레벨의 연속 신호로서 수신된 동일한 신호 전력에서 수신된 신호의 신호대 잡음비와 비교하여 약 3dB 만큼 감소한다. 그러나, 그 신호는 중계시가 사용되지 아니한 경우보다는 훨씬 높은 레벨에서 수신된다.
이 경우, 중계기에서는 스위칭을 PN 코드 또는 심볼 경계들과 동기화할 필요가 없다. 그런 일련의 중계기들을 접속하는 것이 필요하다면, 중계기들은 스위칭을 동기화하지 아니하고 접속될 수 있다. 두 개의 중계기를 접속하기 위하여, 제2의 중계기는 단순히 제1 스위치보다 높거나 낮은 속도로 스위치한다. 따라서 만약 제1 TDD 중계기가 심볼 율의 20배로 동작한다면, 제2 TDD 중계기는 심볼 율의 10배로 동작할 수 있다.
본 발명은 스펙트럼 확산 통신 시스템에 관한 것이며, 더 구체적으로는 RF 신호의 중계기에 관한 것이다.
도 1은 셀룰러 유효영역의 구조에 대한 예시도;
도 2는 다른 기술에서 동작하는 기지국을 포함하는 셀룰러 유효영역의 구조에 대한 예시도;
도 3은 본 발명에 따른 TDD 중계기의 블록도;
도 4는 이득 평형회로를 포함하는 양방향 TDD 중계기에 관한 블록도;
도 5는 TDD 동작을 나타내는 타이밍도; 그리고
도 6은 직렬 접속된 중계기에 관한 구성도이다.
도 1은 기지국의 유효범위(coverage area) 구조에 관한 예시도이다. 이 예시적인 구조에서, 육각형 기지국의 유효범위들은 균형있게 서로 맞대어져 타일형태로 배열되어 있다. 각 이동국은 어느 하나의 기지국의 유효범위 내에 위치한다. 예를 들어, 이동국(10)은 기지국(20)의 유효범위 내에 있다. CDMA 셀룰러 또는 개인통신전화시스템에서, 동일 주파수대역은 한 시스템 내의 모든 기지국과 통신을 하기 위하여 사용되며 하나의 이동국과 하나 이상의 기지국 사이의 동시 통신을 가능하게 한다. 이동국(10)은 기지국(20)에 매우 가까이 위치하고 있어서 기지국(20)으로부터는 강한 신호를 그리고 주위의 기지국들로부터는 상대적으로 약한 신호를 수신한다. 그러나 이동국(30)은 기지국(40)의 유효범위 내에 있으나 기지국(100,110)의 유효범위에 인접해 있다. 이동국(30)은 기지국(40)으로부터 상대적으로 미약한 신호를 수신하며 이는 기지국(100,110)으로부터의 신호와 그 크기가 유사하다. 만약 기지국(40,100,110) 각각이 CDMA 동작이 가능하다면, 이동국(30)은 기지국(40,100,110)을 가지고 소프트 핸드오프를 할 수 있을 것이다.
여기에서 "이동국(mobile unit)이라는 용어는 일반적으로 원격 가입자국(remote subscriber station)을 표현하는 것으로 사용된다. 그러나, 이동국은 특정 위치에 고정되어 있을 수 있다. 이동국은 다수의 사용자가 집중되어 있는 가입자 시스템의 일부일 수 있다. 이동국은 음성, 데이터 또는 신호 유형들의 조합을 전송하기 위하여 사용될 수 있다. "이동국"이라는 용어는 당 업계에서 사용되는 용어이며, 이동국이라는 장치의 범위 또는 기능을 제한하는 의미로 사용되지는 아니한다.
도 1 및 도 2에 도시된 예시적인 기지국 유효범위의 구조는 매우 이상적인것이다. 실제의 셀룰러 또는 개인통신환경에서는, 기지국 유효범위들은 그 크기와 형상에 있어서 다를 수 있다. 기지국 유효범위들은 이상적인 육각형이 아닌 유효범위 형상을 정의하는 유효범위 경계들과 중첩되는 경향이 있다. 또한, 기지국들은, 선행기술에 의하여 공지되었듯이, 예를 들어 3개의 섹터들로 영역이 분할될 수 있다.
도 1의 기지국(60)은 세 개로 분할된 이상적인 기지국을 나타낸다. 기지국(60)은 세 개의 섹터를 가지며, 그들 각각은 기지국 유효범위의 120도 이상을 커버한다. 섹터(50)는 실선(55)으로 표시된 유효범위를 가지며, 점선(75)으로 표시된 유효범위를 가지는 섹터(70)의 유효범위와 중첩된다. 또한 섹터(50)는 점선(85)으로 표시된 유효범위를 가지는 섹터(80)와 중첩된다. 예를 들어, X 표시된 위치(90)는 섹터(50 및 70)의 유효범위 모두에 위치한다.
일반적으로, 하나의 기지국은 그 기지국을 통하여 통신할 수 있는 이동국의 수를 증가시키면서 그 기지국의 유효범위 내에 위치한 이동국으로부터 그리고 그곳으로의 총 간섭 전력을 감소시키기 위하여 분할된다. 예를 들어, 섹터(80)는 위치(90)에 있는 이동국에 대한 신호를 전송하지 않으며, 따라서 섹터(80)에 위치한 어떠한 이동국도 기지국(60)을 가지는 위치(90)에 있는 이동국의 통신에 의하여 심하게 간섭되지 아니한다. 위치(90)에 있는 이동국에 대하여, 총 간섭은 섹터(50 및 70)로부터 그리고 기지국(20 및 120)으로부터 야기된다. 위치(90)에 있는 이동국은 기지국(20 및 120) 그리고 섹터(50 및 70)를 가지고 동시에 소프트 핸드오프될 수 있다.
본 발명으로부터 많은 이점을 생각해낼 수 있지만, 도2는 본 발명이 제공하는 중요한 이점에 관한 한가지 이점을 도시하고 있다. 도2에서, 기지국(40,100 및 110)이 CDMA 신호를 사용한 통신 신호들을 제공하며, 제2 캐리어가 동일한 지역에서 AMPS 기지국들, 예를 들어 도 2에 도시된 사실상 일정하지 아니한 유효영역을 가지는 기지국(115)을 동작시킨다고 하면, 이동국(30)이 동작하는 신호 상태를 살펴보는 것이 중요하다. 전술과 같이, 이동국(30)은 기지국(40)으로부터 상대적으로 약한 신호를 받으며 기지국(100,110)으로부터 그와 유사한 크기의 신호를 받는다. 이동국(30)은 기지국(115)에 매우 인접하여 위치하므로 상당한 양의 간섭 에너지를 받는다. 기지국(40,100,110)은 제1 주파수 대역에서 CDMA 신호들을 사용하여 통신신호를 제공하며 AMPS 기지국(115)은 인접 대역에서 신호를 보낸다.
이런 유형의 실제 상황에서, 이동국(30)은 -80dBm 정도의 총 CDMA 에너지 레벨을 받을 수 있고 또한 동시에 기지국(115)으로부터 20의 다른 AMP 신호를 받으며 이들 각각은 -20dBm의 전력을 가지고 있어 총 -7dBm의 간섭 전력을 가진다. -80dBm의 CDMA 신호 전력과 -7dBm의 총 AMP 신호 에너지 사이의 차이는 73dBm 또는 약 2천만 대 일의 비율이다. 비록 AMP 신호가 CDMA 신호들로부터 주파수에서 오프셋이더라도, AMP 신호가 CDMA 동작과 간섭을 야기하지 않도록 하기 위하여 많이 이격되어야 한다.
이 상황에서의 최대 손실은 이동국의 상호변조 성능에 대한 영향이다. 통상, AMPS 신호들은 CDMA 동작 대역에 인접한 주파수 대역에서 210kHz 떨어진 협대역 FM 신호들이다. 예시적인 구현예에서, CDMA 신호는 1.25MHz의 PN 칩 비율로 확산되며,이에 따라서 신호는 1.25MHz의 대역폭을 가진다. 따라서, 이 상황에서, 이동국 내에서 생성된 어떤 상호간섭 곱은 CDMA 신호의 에너지 수준과 비교하여 중요한 신호레벨을 가지는 CDMA 대역에 해당될 가능성이 높다.
이 높은 신호 레벨에서 상호변조 곱을 생성하지 아니하는 이동국을 구축하는 것은 비실용적이다. 통상 그렇게 높은 이뮤니티(immunity) 상호변조 성능은 요구되지 않는다. 예를 들어, 만약 기지국(40,100,110)이 AMPS 통신 능력을 제공한다면, 이동국이 기지국 쪽으로 또는 거기로부터 이동함에 따라 CDMA 신호 레벨은 AMPS 신호 레벨과 같은 방식으로 증가 및 감소할 것이며, 따라서 CDMA 신호 레벨에 대한 어떤 상호변조 곱의 비율은 중요하지 않게 될 것이다. 그러므로 높은 이뮤니티 상호변조 성능은 도 2에서 이동국(30) 및 기지국(115)을 가지고 도시된 것과 같은 경우에만 필요할 것이다. 이동국의 상호변조 성능을 증가시키기 위하여, 원치않는 신호들이 필터되지 아니한 경우 수신 체인의 제 1 증폭단에서의 큰 RF 신호 레벨이 존재하면 이동국은 높은 정도의 선형성을 제공하여야 한다. 그러나 이 단계에서 선형성은 도2에 도시된 상대적으로 드문 경우를 보상하기 위하여 언제나 전화의 배터리 수명에 악영향을 미치는 높은 전력 소비하여야만 제공될 수 있다.
따라서 이동국의 성능을 심하게 수정하지 아니하고 도 2에서 생성된 감쇠 상황을 완화하는 방법을 강구하는 것이 바람직하다. 도 2에서의 상황을 완화하는 한가지 방법은 기지국(115)에 인접하여 위치한 영역에서 CDMA 신호의 신호레벨을 증가시키는 것이다. 대부분의 상황에서 CDMA 시스템을 동작시키는 캐리어는 AMPS 캐리어의 기지국(115)에 대한 액세스를 할 수 없으므로 CDMA로 동작하는 부가적인 기지국을 기지국(115)과 같은 곳에 위치시키기는 어렵다.
전혀 새로운 기지국을 추가하지 아니하고 한 영역에서 신호의 강도를 증가시키는 한가지 방법은 신호 중계기를 사용하는 것이다. 신호 중계기는 유효영역을 확장하거나 또는 단일 안테나를 초월하여 토폴로지를 수정하기 위하여 사용된다. 중계기는 신호의 진폭, 파형, 또는 타이밍의 복구와 같은 기본적인 신호 처리를 수행한다. 이 경우, 가장 기본적인 중계기는 단순히 신호를 수신하고, 증폭하고 그리고 재전송하는 것이다. 통상적으로 중계기는 증가된 유효영역이 요구되는 영역에 근접하게 설치된다. 예를 들어, 중계기는 기지국(115)의 인근 빌딩에 설치될 수 있다. 중계기는 큰 빌딩의 "섀도우(shadow)" 내에 또는 고속도로의 터널 내부와 같은 홀(hole)에 주로 사용된다. 중계기의 아주 바람직한 특성은 설치하기가 용이하고 동작하기 위하여 전력의 접속만이 요구된다는 것이다. 좋은 이득을 제공하는 중계기와 관련한 어려운 설계 사양 중의 하나는 중계기의 수신 입력으로 전송된 신호의 정궤환(positive feedback)을 방지하는 것이다. 만약 전송 신호가 중계기의 수신입력으로 궤환하면, 중계기는 발진할 것이다 그러므로 통상의 중계기는 전송 및 수신 포트 사이를 상당한 크기로 이격시키도록 설계되어야만 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서처럼 만약 신호들이 안테나를 통하여 RF 신호로써 전송 및 수신되면, 그 이격 거리는 전송 및 수신 안테나들의 배치에 관한 큰 함수이다. 본 발명은 중계기 발진의 문제를 방지하고 송신 및 수신 안테나들의 설치에 유의하여야 하는 부담을 완화시켜 준다.
본 발명의 시분할 듀플렉스(TDD) 중계기는 신호를 수신하고, 신호를 지연 및저장하고, 그리고 신호를 재전송함으로써 CDMA 시스템에서 사용된 의사잡음(PN) 코드를 이용한다. 전송 및 수신 단계들은 상호 배타적으로 수행되어, 중계기는 전송하는 동안 수신하지 아니한다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, CDMA 신호는 초당 9.6 킬로 비트(kbps)의 데이터 스트림으로부터 전송국 즉, 기지국 또는 이동국에서 생성된다. 우선, 데이터 비트들은 초당 19.2 킬로 비트(kbps)의 데이터 스트링을 생성하기 위하여 1/2 비율로 콘볼루션적으로 인코드된다. 19.2kbps의 데이터 스트림은 역시 19.2kbps로 동작하는 긴 PN 코드 마스크에 의하여 스크림블되며 블록 인터리브된다. 결과로써 생기는 19.2kbps의 스크램블된 데이터 스트림은 초당 1.2288 메가칩(Mcps)의 속도를 가지는 월시(Walsh) 함수를 가지고 더 변조된다. 1.2288Mcps 월시 변조 시퀀스는 전송을 위하여 한 쌍의 I 및 Q 1.2288Mcps PN 파일럿 시퀀스에 의하여 쿼드러처(quadrature) 변조된다.
CDMA 수신기에서, 수신 신호는 송신기에서 정보 신호를 변조하기 위하여 사용된 것과 동일한 한 쌍의 I 및 Q 1.2288Mcps PN 파일럿 시퀀스 및 동일한 월시 시퀀스를 사용하여 복조된다. 복조 프로세스는 칩마다 수신 신호와 동일한 한 쌍의 I 및 Q 1.2288Mcps PN 파일럿 시퀀스 및 동일한 월시 시퀀스를 곱하는 동작을 포함한다. 그리고 역확산(despread) 데이터 스트림은 동일한 긴 PN 코드 마스크를 사용하여 언스크램블(unscrambled)된다. 칩 에너지들은 총합의 심볼 에너지를 생성하기 위하여 한 심볼 주기에 걸쳐 축적된다.
본 발명은 심볼 주기에 걸친 에너지 축적을 이용한다. 에너지는 심볼의 전체주기에 걸쳐 축적된다. 따라서 만약 신호가 심볼 주기의 일부 동안에만 페이드(fade)하면, 그 페이드 동안 매우 적은 에너지만이 축적되지만 신뢰할만한 디코딩을 제공하기 위하여 심볼 주기의 잔여 기간동안 충분한 에너지가 축적될 수 있다. 축적 절차는 사용 불가능한 축적 결과를 만들어 내기 위하여 신호가 연속적으로 존재하여야 하는 것을 요구하지 아니한다는 것을 본 발명에서 이용하고 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 심볼 율은 19.2ksps이며, 이는 약 52 마이크로초(μsec)의 심볼 주기와 일치한다. 따라서 바람직한 실시예에서, 스위칭 속도는 심볼 율의 10배 정도이다. 이하에서 보듯이, 이상적으로 상응하는 지연은 스위칭 속도의 절반이다. 예를 들어, 바람직한 실시예에서는 3μsec의 스위칭 속도를 가지고 1.5μsec의 지연을 가진다. 스위칭 속도를 선택하는 주요 인자는 심볼 율 스위칭 속도는 심볼 율보다 약간 더 빠를 필요가 있으며, 이로써 전체의 심볼들은 스위칭 절차 때문에 상실되지 않는다. 그러나, 몇몇의 다른 인자들이 스위칭 속도의 선택에 영향을 미친다.
스위칭 속도를 선택하는데 있어서의 다른 인자는 스위칭 속도가 빠르면 빠를수록 더 높은 변조 곱이 스위치된 CDMA 파형 내에서 생성된다. CDMA 파형 스펙트럼은 대역 제한 백색잡음(band-limited white noise)과 유사하다. CDMA 파형 스펙트럼이 온 및 오프로 변조되면, 인접 대역에서 측대파가 생성된다. 즉, 스위칭 속도가 빠르면 빠를수록 생성된 측대파의 에너지 레벨은 더 높아진다.
다른 고려 인자는 실현가능하고 이용 가능한 지연값이다. SAW 필터는 수백 나노초에서 수십 마이크로초의 셀룰러 주파수 정도로 RF 신호를 제공할 수 있다.SAW 필터들은 그들이 평탄 그룹 지연(flat group delay)(SAW를 통과하는 모든 주파수들이 거의 동일한 양으로 지연된다는 의미)을 제공한다는 사실 때문에 이런 유형의 애플리케이션에서 훌륭하게 사용될 수 있다. 또한 SAW 디바이스의 필터링 효과는 바람직한 실시예에서 AMPS 전송에 상응하는 주파수와 같이 중계기에 의해 증폭될 필요가 없는 주파수들을 필터아웃시키기 위하여 사용될 수 있다.
신호를 지연시키기 위하여 많은 다른 방법들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 신호는 아날로그에서 디지털로 변환될 수 있고, 디지털 지연 소자에 의하여 지연될 수 있고, 그리고 디지털에서 아날로그로 변환될 수 있다. 그 경우, 디지털 지연 소자에서의 지연의 양은 시간에 따라 다를 수 있고, 따라서 TDD 동작을 최대의 효율을 위한 주기적인 스위칭 메커니즘으로부터 벗어나게 한다. 지연은 현재의 스위칭 주기 동안에 일치하도록 동조될 수 있다.
도3은 본 발명의 간단한 블록도를 보여주고 있다. 안테나(150)는 RF 신호를 수신한다. 스위치(152)는 닫혀있을 때 신호를 통과시키고 개방되었을 때 신호를 저지한다. 증폭기(154)는 스위치된 신호를 증폭한다. 통상 SAW 필터는 통과하는 신호들을 많이 감쇠시킨다. 스위칭 동작 그 자체는 본질적으로 출력 신호의 신호대 잡음비를 감소시킨다. 그러나 중계기에 의하여 발생된 감쇠 양을 제한하는 것이 중요하다. SAW필터 앞에 증폭의 양을 삽입하고 신호 레벨을 신호 노이즈 플로어(noise floor)보다 훨씬 위로 증가시킴으로써, 신호대 잡음비 상의 감쇠 손실 효과는 최소화될 수 있다. 어떤 경우에는 스위치(152) 앞에 지연장치를 추가하는 것도 유리할 수 있다. 지연장치(156)는 스위치(152)의 스위칭 주기의 절반 정도의 지연을 제공한다. 전술과 같이, 지연장치는 다음의 전송을 위하여 수신된 신호를 저장하도록 동작한다. 증폭기(158)는 안테나(166)에 의한 전송을 위하여 지연된 그리고 스위치된 지연장치의 출력(156)을 증폭한다.
도5는 TDD 중계기의 동작에 관한 타이밍 도를 도시하고 있다. 시간선(200)은 송신 또는 수신 어느 것에 관한 TDD 중계기의 상태를 나타낸다. 이론적으로, TDD 중계기의 동작은 시간선(200)에 도시된 바와 같이 정확하게 50%의 듀티싸이클을 가질 수 있다. 지연장치의 정확한 지연시간에서의 변화를 포함한 실질적인 이유 때문에, 총 시간에 대한 전송 시간의 듀티싸이클 비율은 50%보다 약간 작다 시간선(202)은 예시적으로 시간편으로 분할된 수신 신호를 도시하고 있으며, 시간편 각각은 지연장치에 의하여 유도된 지연과 동일한 길이를 가진다. 시간편들은 숫자적으로 번호가 붙여져 있고 시간선(204)은 지연장치의 관련된 출력을 나타낸다. 지연장치를 안테나에 결합시키는 스위치는 수신 동안에만 닫힌다는 것을 주목해야 한다. 그러므로 오직 홀수의 번호가 붙은 시간편들만이 실질적으로 데이터 신호들을 포함한다. 마찬가지로, 지연장치의 출력에서 홀수에 관한 시간편들만이 시간선(200)에서 전송표시가 된다. 따라서 홀수에 해당하는 시간편들만이 TDD 중계기에 의하여 전송된다. 짝수의 시간편들에 해당하는 신호 에너지는 중계기의 TDD 성질 때문에 손실된다.
여기에서 설명되는 예시적인 실시예에서, TDD 중계기는 이동통신 환경에서 사용하기 위한 신호들을 중계하기 위하여 사용된다. 이동통신 환경에서, 기지국과 이동국 사이에서 양방향이다. 전술의 예시적인 CDMA 시스템에서, 각 이동국은 그이동국에 대한 입력에서의 총 전력에 기초하여 포워드 링크의 경로 손실을 추정한다. 평균 포워드 링크 경로 손실의 추정치로부터, 이동국은 리버스 링크 신호의 전송레벨을 세트한다. 따라서 이동국에 의하여 전송된 전력은 이동국에 의하여 수신된 전력에 비례한다. 그러므로 만약 중계기가 이런 유형의 셀룰러 시스템에 사용되면, 평형 이득을 가지고 양방향으로 동작하여야 한다. 즉, 중계기는 포워드 링크 신호 및 리버스 링크 신호를 중계해야 하며 중계기가 스위칭의 효과를 포함하는 포워드 링크에 삽입하는 이득은 전력 제어 메커니즘이 불균형이 되지 않도록 리버스 링크에도 삽입되어야 한다.
도 4는 양방향 동작을 하는 중계기를 도시하고 있다. 도 4에서, 포워드 링크 주파수들은 안테나(150)를 통하여 수신되며 안테나(160)에 의하여 전송된다. 이동국으로부터 기지국으로의 리버스 링크 신호는 안테나(170)에서 수신되며, 스위치(172)에 의하여 스위치되며, 지연장치(176)에 의하여 지연되며, 증폭기(162,178)에 의하여 증폭되며, 그리고 안테나(180)에 의하여 전송된다. 지연장치(176)는 SAW 필터를 사용하여 구현되면 리버스 링크 주파수 대역으로 동조되어야 하며 지연장치(156)는 포워드 링크 주파수 대역으로 동조되어야 한다. 일방향 전송이 반대방향으로의 수신동안 발진을 야기하지 않도록 중계기 내에서 충분한 주파수의 이격이 있는 한 중계기의 포워드 및 리버스 링크 섹션들의 스위칭을 동기화할 필요성이 없다. 양방향이 동일한 스위치 주파수를 사용할 필요성도 필수적인 것이 아니다.
전술과 같이, 최적 동작을 위한 전력 제어를 위하여, 중계기는 포워드 및 리버스 링크 양자에서의 동일한 이득을 생성하기 위하여 평형이 맞추어져야 한다. 통상적으로 중계기는 옥외 환경에 배치되며, 거기에서 처음에 평형이었던 중계기가 그 평형이 깨지도록 할 수 있는 온도와 같은 아주 다양한 환경 변화에 놓이게 된다. 그러므로 중계기 내에 포워드 링크 상의 이득과 관련한 리버스 링크의 상대적 이득을 자동적으로 조정하는 메커니즘을 포함하는 것이 유리하다.
예시적인 CDMA 시스템에서 정상적이 동작동안, 그 전송 전력을 감지된 수신 전력에 의거하도록 하기 때문에 이동국에 의하여 수행되는 소위 "개방 루프(open loop)" 전력 제어에 더하여, 각 이동국의 전송 전력도 폐루프 동작에서 하나 또는 그 이상의 기지국에 의하여 제어된다. 이동국이 통신하고 있는 각 기지국은 이동국으로부터의 수신 신호 강도를 측정한다. 측정된 신호강도는 그 기지국의 특정 이동국에 대한 소요의 신호 강도 레벨과 비교된다. 각 기지국에서는 전력 조정 명령어가 만들어지며 포워드 링크 상에서 이동국으로 보내진다. 기지국의 전력 조정 명령어에 응답하여, 이동국은 통상적으로 전송 이득 조정 신호(transmit gain adjustment signal)라고 불리는 이득 제어 신호를 생성하기 위하여 전력 조정 명령어를 적분한다. 이동국은 전송 이득 조정 신호의 값에 기초한 설정치에 의하여 그 전송 전력을 증가 또는 감소시킨다. 전송 이득 조정 신호는 이동국이 있는 위치에서 포워드 및 리버스 링크 신호들 사이의 균형을 나타낸다.
전송 이득 조정 신호는 본 발명의 TDD 중계기 내에서 균형을 유지시키기 위하여 사용될 수 있다. 도 4는 그러한 하나의 실시예를 보여주는데, 여기에서 이동국(166)은 TDD 중계기의 일부로써 포함된다. 연속적 또는 간헐적으로, 이동국(166)은 해당 신호가 중계되고 있는 기지국과의 액티브 호출에 참여한다. 이동국(166)은 안테나(168)에서 중계된 포워드 링크 신호(164)를 안테나(160)로부터 수신하며, 안테나(168)에서 리버스 링크 신호(182)를 안테나(170)로 전송한다. 이동국(166)은 리버스 링크 신호(182)의 전력 레벨을 스위칭 효과를 포함하는 중계된 포워드 링크 신호(164)의 레벨에 의거하도록 한다.
시스템 내의 모든 다른 이동국과 같이, 이동국(166)은 개방루프 및 폐루프 전력제어 모두를 사용하며, 이는 전술과 같이 미국특허 제5,056,109호 및 제5,265,199호, 그리고 EIA/TIA/IS-95의 "Mobile Station - Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System"에 설명되어 있다. 이동국(166)은 전송 이득 조정 신호를 생성함으로써 전송 신호의 전력 레벨을 그 기지국으로부터 받은 전력 제어 조정 명령어들에 의거하도록 한다. 만약 두 링크가 평형이면, 전송 이득 조정의 값은 개방 루프 추정을 위하여 조정이 거의 필요하지 않다는 것을 나타내며 전송 이득 조정값은 아주 작다.
만약 두 링크가 비평형이 되면, 전송 이득 조정 신호는 비평형의 정도 및 극성을 나타내기 시작한다. 만약 포워드 링크가 리버스 링크보다 더 큰 이득을 가진다면, 전송 이득 조정 신호는 이동국이 그의 리버스 링크 신호를 증가시킬 필요가 있다는 것을 나타낸다. 만약 포워드 링크가 버스 링크보다 더 작은 이득을 가진다면, 전송 이득 조정 신호는 이동국이 그의 리버스 링크 신호를 감소시킬 필요가 있다는 것을 나타낸다. 전송 이득 조정 신호의 값은 포워드 및 리버스 링크 중계기 성능 사이의 비평형 정도에 직접 비례한다. 따라서 TDD 중계기의 성능은 전송 이득조정 신호에 사용함으로써 평형을 이를 수 있다. 도4는 그런 하나의 실시예를 보여주고 있다. 양방향 TDD 중계기는 전송 이득 조정 신호의 값이 가변 증폭기(162)에 인가되었을 때 두 링크가 평형이 되도록 안테나(160,168,170)의 상대적인 위치설정을 포함하여 이동국(166)을 가지고 구성될 수 있다.
도4의 구성에 대한 많은 변형예가 있으며, 예를 들어, 안테나(150) 및 안테나(180)는 동일한 안테나이며 스위치(152)로의 수신 주파수들 및 증폭기(178)로부터의 전송 주파수들에서의 에너지를 결합하기 위하여 사용되는 선택사양인 듀플렉서(184)를 가질 수 있다. 마찬가지로 안테나(160) 및 안테나(170)도 동일한 안테나일 수 있다. 안테나(150) 및 안테나(180)는 각각 포워드 링크 신호원 및 리버스 링크 신호의 목적지를 향하는 큰 방향성의 안테나일 수 있다. 안테나의 방향성은 TDD 중계기가 다른 기지국들로부터의 원치않는 신호들을 증폭하는 것을 방지한다. 어떤 경우에는 하나의 안테나를 사용하여 도 4의 장치를 구현하는 것도 가능하다.
기지국에 결합된 안테나와 이동국에 결합된 안테나 사이에 약간의 거리를 가지는 것도 유리할 수 있다. 예를 들어, 만약 중계기가 큰 장애물에 의하여 신호원으로부터 차단된 영역 내의 신호 레벨을 증가시키기 위하여 사용된다면, 기지국에 결합된 안테나는 기지국과 동일한 장애물 쪽에 위치하고 이동국에 결합된 안테나는 유효영역 홀(hole)이 위치하는 장애물의 건너편에 위치할 수 있다.
본 발명의 TDD 중계기는 용이하게 접속될 수 있다. 예를 들어, 만약 하나의 TDD 중계기가 터널 환경에서 신호를 증폭하기 위하여 사용되고 제 2의 중계기가 그 범위를 확장하기 위하여 요구된다면, 제 2의 TDD 중계기는 제 1의 중계기로부터의신호를 수신 및 증폭할 수 있으며 제 1 증폭기에 의하여 수신 및 증폭될 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도6은 직렬 접속된 중계기의 구조를 나타낸다. TDD 중계기(252)는 기지국(250)으로부터 신호를 수신할 것이며 그들을 TDD 중계기에게로 재전송한다. 만약 동일한 스위칭 주파수가 사용되면, 두 개의 접속된 중계기들은 그 두 장치 사이의 어떤 지연 효과를 고려하면서 동기화되어야 한다. 동기화 절차는 어려울 수 있고 타이밍 드리프트(timing drift)를 고려하기 위하여 시간 제어 방식(time locked fashion)으로 동작되어야만 할 수도 있다.
그러나, 동기화는 두 개의 TDD 중계기를 접속하는 것을 요구하지 아니한다. 두 개의 중계기들을 접속하기 위하여, 제 2 중계기는 단순히 제 1 스위치보다 높거나 낮은 속도로 스위치한다. 예를 들어, 만약 제1 TDD 중계기가 심볼 율의 20배로 동작한다면, 제 2 TDD 중계기는 심볼 율의 10배로 동작할 수 있다. 접속된 제 2 중계기의 출력은 접속된 제 1 중계기의 출력에 대한 서브셋이다. 도 5의 예에서 설명되었듯이, 홀수 시간편만이 제 1 중계기로부터 전송된다. 접속된 제 2 중계기는 홀수 시간편의 에너지의 절반만을 전송할 것이다. 두 접속 중계기들의 스위칭단들을 동기화할 필요는 없다. 포워드 및 리버스 링크들은 동기화될 필요가 없으며 동일한 스위칭 주파수에서도 동작한다. 두 접속 중계기들은 신호를 만들어내는데, 이것은 동일한 전력 레벨의 연속 신호로서 수신된 동일한 신호 전력에서 수신된 신호의 신호대 잡음비와 비교하여 적어도 6dB 만큼 감쇠한다.
또한 도 5는 제 1 TDD 증폭기의 스위칭 속도의 절반으로 동작하는 제 2 접속 TDD 중계기의 동작에 대한 타이밍 도에 대하여도 도시하고 있다. 시간선(206)은 수신 또는 송신하는 제 2 TDD 중계기의 상태를 나타내고 있다. 전술과 같이, 제 1 및 제 2 중계기의 타이밍은 서로 정렬될 필요가 없다. 이해를 용이하게 하기 위하여, 두 TDD 중계기의 타이밍은 동기화되며 제 1 및 제 2 중계기 사이의 전송 경로 지연은 무시할 수 있는 것으로 한다. 시간선(208)은 제 2 수신기의 수신 신호를 도시하고 있으며 이는 예시적으로 시간편들로 분할되어 그 각각은 제 1 중계기의 지연장치에 의하여 유도된 그리고 제 1 TDD 지연장치의 출력과 관련하여 정렬된 지연과 동일한 길이를 가진다. 시간선(210)은 지연장치의 상응하는 출력을 도시하고 있다. 제 2 TDD 중계기의 지연장치는 제 1 TDD 중계기의 지연 출력의 두 배이다. 제 1 중계기의 TDD 성질 때문에 홀수 표시된 시간편들만이 데이터 신호들을 포함한다. 마찬가지로, 지연장치의 출력에서 기수 번째의 홀수(즉, 1,5,9,13,17)에 관한 시간편들만이 시간선(206)에서의 전송표시를 가지도록 배열된다. 제 2 중계기의 TDD 성질때문에 나머지 우수 번째의 것들(즉, 3,7,11,15)에 상응하는 신호 에너지는 상실된다.
바람직한 실시예는 PN 스펙트럼 확산 시스템과 관련하여 개시된다. 본 발명은 주파수 호핑(frequency hopping) 시스템과 같은 다른 시스템에서 사용될 수 있다. 주파수 호핑 시스템에서 TDD 중계기의 구성은 TDD 중계기의 지연이 각 주파수에서 주파수 드웰링(frequency dwelling) 기간과 동일하게 되도록 한다.
바람직한 실시예에 관한 상기의 설명에 의하여 당해기술 분야에서의 기술자라면 누구나 본 발명의 실시 및 이용할 수 있도록 되어 있다. 이들 실시예에 관한 다양한 수정은 당업자에게는 자명한 것이며, 여기에서 정의된 종개념들은 발명적인능력을 발휘하지 아니하고도 다른 실시예에도 응용할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 여기에서 제시된 실시예에 한정되는 것이 아니며 여기에서 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 넓은 범위를 포함한다.

Claims (39)

  1. 일련의 코드 심볼을 포함하는 스펙트럼 확산 신호를 증폭하는 방법에 있어서,
    제 1 기간동안 상기 스펙트럼 확산 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신된 스펙트럼 확산 신호를 증폭하는 단계;
    상기 수신 및 증폭된 스펙트럼 확산 신호를 설정된 양만큼 지연시키는 단계; 그리고
    제 2 기간동안 상기 수신, 증폭, 및 지연된 스펙트럼 확산 신호를 전송하는 단계를 포함하며,
    상기 수신 단계 및 상기 전송 단계는 상호 배타적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 일련의 코드 심볼들 각각은 하나의 심볼 주기를 가지며 상기 설정된 지연은 상기 심볼 주기보다 작은 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수신 단계 및 전송 단계들은 상기 설정된 지연 양의 약 두 배의 주기를가지고 주기적으로 행해지는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 지연 단계는 정재 음향파(SAW) 필터를 사용하여 행해지는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수신, 증폭, 지연, 및 전송 단계는 상기 스펙트럼 확산 신호의 공급원으로부터 제 1 원격지에서 수행되며,
    제 2 원격지에서 제 3 기간동안 상기 전송된 스펙트럼 확산 신호를 수신하는 단계;
    상기 제 2 원격지에서 상기 수신된 스펙트럼 확산 신호를 증폭하는 단계;
    상기 제 2 원격지에서 상기 수신 및 증폭된 스펙트럼 확산 신호를 제2의 설정된 양만큼 지연시키는 단계; 그리고
    상기 제 2 원격지에서 상기 제 4 기간동안 상기 수신, 증폭, 및 지연된 스펙트럼 확산 신호를 전송하는 단계를 더 포함하며,
    상기 수신 단계 및 상기 전송 단계는 상기 제2 원격지에서 상호 배타적인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 수신 및 전송 단계들은 상기 제 2 원격지에서 상기 설정된 제 2 지연 양의 약 두 배의 주기를 가지고 주기적으로 행해지며 상기 설정된 제 2 지연 양은 상기 설정된 지연 양의 적어도 두 배인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 수신 및 전송 단계들은 상기 제 2 원격지에서 상기 설정된 제 2 지연 양의 약 두 배의 주기를 가지고 주기적으로 행해지며 상기 설정된 제 2 지연 양은 상기 설정된 지연 양의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 지연 단계는 상기 제 2 원격지에서 상기 수신된 스펙트럼 확산 신호를 상기 스펙트럼 확산 신호의 중심 주파수로 동조된 정재 음향파(standing acoustic wave(SAW)) 필터를 통과시킴으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    제 3 기간동안 제 2 스펙트럼 확산 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신된 제 2 스펙트럼 확산 신호를 증폭하는 단계;
    상기 수신 및 증폭된 제 2 스펙트럼 확산 신호를 제 2의 설정된 양만큼 지연시키는 단계; 그리고
    제 4 기간동안 상기 수신, 증폭, 및 지연된 제 2 스펙트럼 확산 신호를 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 기간 및 상기 제 3 기간은 시간상 중첩되는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 기간 및 상기 제 3 기간은 동일한 기간인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 기간 및 상기 제 4 기간은 시간상 중첩되는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 중폭 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 기간 및 상기 제 4 기간은 동일한 기간인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 제 2 설정된 양은 상기 설정된 양과 동일한 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 제 2 설정된 양은 상기 설정된 양과 다른 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  16. 제 9항에 있어서,
    상기 전송된 스펙트럼 확산 신호의 이득을 감지하는 단계; 및
    상기 감지된 이득을 기초로 하여 상기 수신된 제 2 스펙트럼 확산 신호를 증폭하는 단계에서 이득을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  17. 제 9항에 있어서,
    상기 제 2 스펙트럼 확산 신호 내의 리버스 링크 통신 신호를 전송하는 단계;
    포함된 이득 조정 신호를 결정하기 위하여 상기 스펙트럼 확산 신호 내의 포워드 링크 통신 신호를 수신 및 변조하는 단계; 그리고
    상기 이득 조정 신호에 따라 상기 수신된 제 2 스펙트럼 확산 신호를 증폭하는 단계에서 이득을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 일련의 코드 심볼들은 의사잡음(PN) 시퀀스를 가지고 변조되는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 일련의 코드 심볼들은 시간에 따라 주파수 호핑되는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 지연단계는
    상기 수신 및 증폭된 스펙트럼 확산 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계;
    디지털 저장장치를 사용하여 상기 변환된 신호를 지연시키는 단계; 및
    상기 변환 및 지연된 신호를 아날로그 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 설정된 양은 시간에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 방법.
  22. 스펙트럼 확산 신호를 증폭하는 장치에 있어서,
    간헐적으로 상기 스펙트럼 확산 신호를 수신하는 수단;
    상기 수신된 스펙트럼 확산 신호를 증폭하는 수단;
    상기 수신 및 증폭된 스펙트럼 확산 신호를 설정된 양만큼 지연시키는 수단; 그리고
    간헐적으로 상기 수신, 증폭, 및 지연된 스펙트럼 확산 신호를 전송하는 수단을 포함하며,
    상기 간헐적으로 수신하는 수단 및 상기 간헐적으로 전송하는 수단은, 상기 수신, 증폭, 및 지연된 스펙트럼 확산 신호가 전송되기만 하거나 또는 상기 스펙트럼 확산 신호가 수신되도록, 상호 배타적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 장치.
  23. 제 22항에 있어서,
    간헐적으로 제 2 스펙트럼 확산 신호를 수신하는 수단;
    상기 수신된 제 2 스펙트럼 확산 신호를 증폭하는 수단;
    상기 수신 및 증폭된 제 2 스펙트럼 확산 신호를 제 2의 설정된 양만큼 지연시키는 수단; 그리고
    간헐적으로 상기 수신, 증폭, 및 지연된 제 2 스펙트럼 확산 신호를 전송하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 장치.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 간헐적으로 전송된 스펙트럼 확산 신호의 이득을 감지하는 수단;
    상기 감지된 신호에 기초하여 상기 수신된 제 2 스펙트럼 확산 신호를 증폭하는 단계에서 이득을 조정하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 장치.
  25. 제 23항에 있어서,
    상기 제 2 스펙트럼 확산 신호 내의 리버스 링크 통신 신호를 전송하는 수단;
    포함된 이득 조정 신호를 결정하기 위하여 상기 스펙트럼 확산 신호 내의 포워드 링크 통신 신호를 수신 및 변조하는 수단; 그리고
    상기 이득 조정 신호에 따라 상기 수신된 제 2 스펙트럼 확산 신호를 증폭하는 단계에서 이득을 조정하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호의 증폭 장치.
  26. 스펙트럼 확산 신호를 증폭하기 위한 시분할 듀플렉스 중계기에 있어서,
    포워드 링크 신호를 수신하기 위한 제 1 안테나;
    상기 제 1 안테나와 결합된 증폭기;
    상기 제 1 안테나 및 상기 증폭기와 직렬로 결합된 지연 장치;
    중계된 포워드 링크 신호를 제공하기 위하여 상기 제 1 안테나, 상기 증폭기 및 상기 지연 장치와 직렬로 결합된 제 2 안테나;
    상기 중계된 포워드 링크 신호는 상기 제 2 안테나에 의하여 제공하면서 상기 지연 장치로의 상기 포워드 링크 신호의 연결은 간헐적으로 중단시키기 위하여, 상기 증폭기, 상기 제 1 및 제 2 안테나, 그리고 상기 지연 장치와 직렬로 결합되는 격리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 안테나들은 동일한 물리적 구조인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  28. 제 26항에 있어서,
    상기 제 1 안테나는 상기 포워드 링크 신호의 소스를 향한 방향성 안테나인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  29. 제 26항에 있어서,
    상기 제 1 안테나 및 상기 제 2 안테나는 소정의 거리로 이격되는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  30. 제 26항에 있어서,
    상기 지연 장치는 정재 음향파(SAW) 필터인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  31. 제 26항에 있어서, 상기 지연 장치는
    아날로그-디지털 컨버터;
    상기 아날로그-디지털 컨버터의 출력에 결합된 디지털 저장 장치; 및
    상기 디지털 저장 장치의 출력에 결합된 디지털-아날로그 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  32. 제 26항에 있어서,
    리버스 링크 신호를 수신하기 위한 제3 안테나;
    상기 제 3 안테나와 결합된 리버스 링크 증폭기;
    상기 제 3 안테나 및 상기 리버스 링크 증폭기와 직렬로 결합된 리버스 링크 지연 장치;
    중계된 리버스 링크 신호를 제공하기 위하여 상기 제 3 안테나, 상기 리버스 링크 증폭기, 및 상기 리버스 링크 지연 장치와 직렬로 결합된 제 4 안테나;
    상기 중계된 리버스 링크 신호는 상기 제 4 안테나에 의하여 제공하면서 상기 리버스 링크 지연 장치로의 상기 리버스 링크 신호의 연결은 간헐적으로 중단시키기 위하여 상기 리버스 링크 증폭기, 상기 제 3 안테나 및 상기 제 4 안테나, 그리고 상기 리버스 링크 지연 장치와 직렬로 결합되는 리버스 링크 격리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  33. 제 32항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 안테나들은 동일한 물리적 구조인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  34. 제 32항에 있어서,
    상기 제 3 및 제 4 안테나들은 동일한 물리적 구조인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  35. 제 32항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 3 안테나들은 동일한 물리적 구조인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  36. 제 32항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 3 안테나들은 단방향 안테나인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  37. 제 26항에 있어서,
    상기 스펙트럼 확산 신호는 의사잡음(PN) 확산 시퀀스를 가지고 변조되는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  38. 제 26항에 있어서,
    상기 스펙트럼 확산 신호는 주파수 호핑되는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
  39. 제 32항에 있어서,
    상기 리버스 링크 격리 장치, 상기 리버스 링크 증폭기, 상기 제 3 및 제 4 안테나들, 그리고 상기 리버스 링크 지연 장치와 직렬로 연결되며 이득 제어 신호를 수신하는 가변 이득 증폭기; 및
    상기 리버스 링크 신호 내에 제 1 통신 신호를 제공하며 상기 중계된 포워드 링크 신호로부터 제 2 통신 신호를 수신하고, 그리고 상기 이득 제어 신호를 제공하는 이동국을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 확산 신호 증폭용 시분할 듀플렉스 중계기.
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