KR100576868B1 - 스마트 안테나 시스템 - Google Patents

스마트 안테나 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 안테나로부터의 수신 신호에 대해 에너지가 높은 방향에 대한 최적 가중치를 적용하는 스마트 안테나 시스템를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 스마트 안테나 시스템은, 복수의 안테나(ANT-n)를 통해 입력받은 각 신호에 대한 증폭, 다운 컨버젼 및 I/Q 복조를 수행하는 RF 프론트-엔드부(51); 상기 RF 프론트-엔드부(51)로부터의 각 신호를 고속 퓨리에 변환을 수행하고, 이 변환된 각 신호에 가중치 벡터를 곱하여 원하는 수신신호를 증폭하는 OFDM 복조부(52); 상기 OFDM 복조부(52)로부터의 각 신호에 대한 채널간 간격복원(de-interleaving), 비테비/컨볼루션 디코팅 및 디스크램블링을 수행하는 채널코딩부(53); 상기 채널코딩부(53)로부터의 각 신호를 전송 스트림으로 변환하여 출력하는 주제어부(54); 및
상기 RF 프론트-엔드부(51)로부터 출력되는 각 수신신호(S1,S2,,,,Sn)에 대한 에너지 벡터를 구하고, 이 에너지 벡터를 이용하여 에너지가 높은 방향에 대한 최적 가중치 벡터(W)를 구하여 상기 OFDM 복조부(52)에 제공하는 빔형성 제어부(55)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
AV 시스템, 스마트 안테나 시스템, 최적 가중치, 동일채널(co-channel) 간섭, 페이딩(fading) 성분, 수신감도

Description

스마트 안테나 시스템{SMART ANTENNA SYSTEM}
도 1은 종래 스위치드 다이버시티 안테나 시스템의 구성도이다.
도 2a,2b는 도 1의 안테나 시스템의 수신 신호 파형도이다.
도 3은 종래 매트릭스 다이버시티 안테나 시스템의 구성도이다.
도 4a,4b는 도 3의 안테나 시시템의 수신 신호 파형도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스마트 안테나 시스템의 구성도이다.
도 6은 도 5의 OFDM 복조부와 빔형성 제어부의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 빔형성 제어부의 동작과정을 보이는 플로우챠트이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
ANT-n : 안테나
51 : RF 프론트-엔드부
52 : OFDM 복조부
53 : 채널코딩부
54 : 주제어부
55 : 빔형성 제어부
본 발명은 AV 시스템에 적용되는 스마트 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 복수의 안테나로부터의 수신 신호에 대해 에너지가 높은 방향에 대한 최적 가중치를 적용함으로써, 동일채널(co-channel) 간섭 및 페이딩(fading) 성분을 줄일 수 있어, 보다 양호한 수신감도를 확보할 수 있는 스마트 안테나 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 무선접속 전송 규격을 통한 멀티미디어 서비스(Multimedia Service) 구현을 위해서는 주파수 대역폭에 따른 데이터 전송율(Data Rate)에 크게 좌우되는데, 이러한 전송율을 개선하기 위한 안테나 시스템이 제안되고 있다.
도 1 내지 도 4a,4b를 참조하여 종래의 대표적인 안테나 시스템에 대해서 설명한다.
도 1은 종래 스위치드 다이버시티 안테나 시스템의 구성도이이다.
도 1에 도시된 종래의 스위치드 다이버시티 안테나 시스템은 2개의 다이버시티 안테나(ANT1,ANT2)와, 상기 2개의 안테나(ANT1,ANT2)중에서 하나를 선택하는 스위치(11)와, 상기 스위치(11)를 통해 입력받은 신호에 대한 증폭, 다운 컨버젼 및 I/Q 복조를 수행하는 RF 프론트-엔드부(12)와, 상기 RF 프론트-엔드부(12)로부터의 신호를 OFDM 복조하는 OFDM 복조부(13)와, 상기 OFDM 복조부(13)로부터의 신호에 대한 채널간 간격복원(de-interleaving), 비테비/컨볼루션 디코팅 및 디스크램블링을 수행하는 채널코딩부(14)와, 상기 채널코딩부(14)로부터의 신호를 전송 스트림으로 변환하여 전송 스트림(TSout)를 출력하는 제어부(15)를 포함한다.
도 2a,2b는 도 1의 안테나 시스템의 수신 신호 파형도이다.
도 2a,2b에 보인 바와 같이, 도 1에 도시된 스위치드 다이버시티 안테나 시스템은 도 2A에 보인 바와 같은 2개의 안테나로부터의 수신신호중에서 도 2B에 보인 바와 같이 수신감도가 우수한 인테나를 선택하여 수신할 수 있다.
도 3은 종래 매트릭스 다이버시티 안테나 시스템의 구성도이다.
도 3에 도시된 종래 매트릭스 다이버시티 안테나 시스템은 2개의 다이버시티 안테나(ANT1,ANT2)와, 상기 2개의 안테나(ANT1,ANT2)로부터의 신호 각각에 대한 증폭, 다운 컨버젼 및 I/Q 복조를 수행하는 RF 프론트-엔드부(21A,21B)와, 상기 RF 프론트-엔드부(21A,21B)로부터의 각 신호를 합산하는 합산부(22)와, 상기 합산부(22)로부터의 신호를 OFDM 복조하는 OFDM 복조부(23)와, 상기 OFDM 복조부(23)로부터의 신호에 대한 채널간 간격복원(deinterleaving), 비테비/컨볼루션 디코팅 및 디스크램블링을 수행하는 채널코딩부(24)와, 상기 채널코딩부(24)로부터의 신호를 전송 스트림으로 변환하여 출력하는 제어부(25)를 포함한다.
도 4a,4b는 도 3의 안테나 시시템의 수신 신호 파형도이다.
도 4a,4b에 보인 바와 같이, 도 1에 도시된 매트릭스 다이버시티 안테나 시스템은 도 4a에 보인 바와 같이 2개의 안테나로부터의 신호를 도 4b에 보인 바와 같이 합산하여 수신신호의 감도를 보다 높일 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 안테나 시스템에서는, 전송율을 개선하는데 한계가 있고, 또한 동일 채널 간섭 및 페이딩 성분 감소에도 한계가 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은 복수의 안테나로부터의 수신 신호에 대해 에너지가 높은 방향에 대한 최적 가중치를 적용함으로써, 동일채널(co-channel) 간섭 및 페이딩(fading) 성분을 줄일 수 있어, 보다 양호한 수신감도를 확보할 수 있는 스마트 안테나 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 스마트 안테나 시스템은,
복수의 안테나를 통해 입력받은 각 신호에 대한 증폭, 다운 컨버젼 및 I/Q 복조를 수행하는 RF 프론트-엔드부;
상기 RF 프론트-엔드부로부터의 각 신호를 고속 퓨리에 변환을 수행하고, 이 변환된 각 신호에 가중치 벡터를 곱하여 원하는 수신신호를 증폭하는 OFDM 복조부;
상기 OFDM 복조부로부터의 각 신호에 대한 채널간 간격복원(de-interleaving), 비테비/컨볼루션 디코팅 및 디스크램블링을 수행하는 채널코딩부;
상기 채널코딩부로부터의 각 신호를 전송 스트림으로 변환하여 출력하는 주제어부; 및
상기 RF 프론트-엔드부로부터 출력되는 각 수신신호에 대한 에너지 벡터를 구하고, 이 에너지 벡터를 이용하여 에너지가 높은 방향에 대한 최적 가중치 벡터를 구하여 상기 OFDM 복조부에 제공하는 빔형성 제어부
를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 스마트 안테나 시스템의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 스마트 안테나 시스템은 복수의 안테나(ANT-n)를 통해 입력받은 각 신호에 대한 증폭, 다운 컨버젼 및 I/Q 복조를 수행하는 RF 프론트-엔드부(51)와, 상기 RF 프론트-엔드부(51)로부터의 각 신호를 고속 퓨리에 변환을 수행하고, 이 변환된 각 신호에 가중치 벡터를 곱하여 원하는 수신신호를 증폭하는 OFDM 복조부(52)와, 상기 OFDM 복조부(52)로부터의 각 신호에 대 한 채널간 간격복원(de-interleaving), 비테비/컨볼루션 디코팅 및 디스크램블링을 수행하는 채널코딩부(53)와, 상기 채널코딩부(53)로부터의 각 신호를 전송 스트림으로 변환하여 출력하는 주제어부(54)와, 상기 RF 프론트-엔드부(51)로부터 출력되는 각 수신신호(S1,S2,,,,Sn)에 대한 에너지 벡터를 구하고, 이 에너지 벡터를 이용하여 에너지가 높은 방향에 대한 최적 가중치 벡터(W)를 구하여 상기 OFDM 복조부(52)에 제공하는 빔형성 제어부(55)를 포함한다.
도 6은 도 5의 OFDM 복조부와 빔형성 제어부의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 상기 OFDM 복조부(52)는 상기 RF 프론트-엔드부(51)로부터의 각 신호를 고속 퓨리에 변환(FFT)을 수행하고, 이 변환된 각 신호에 가중치 벡터(W)를 곱하여 원하는 수신신호를 증폭하는 복수의 OFDM 복조기를 포함하는데, 상기 복수의 OFDM 복조기 각각은 상기 RF 프론트-엔드부(51)로부터의 각 신호를 고속 퓨리에 변환(FFT)을 수행하고, 이 변환된 각 신호(Xi,i=1,2,3,...n)에 가중치 벡터(Wi,i=1,2,3,...n)를 곱하여 원하는 수신신호를 증폭하고, 이와 같이 증폭된 출력신호(Yi=Wi·Xi)를 제공한다.
도 7은 본 발명의 빔형성 제어부의 동작과정을 보이는 플로우챠트이다.
도 7을 참조하면, 상기 빔형성 제어부(55)는 상기 RF 프론트-엔드부(51-n)로부터 출력되는 각 수신신호(S)를 검출하고, 상기 각 수신신호(S1,S2,,,,Sn)의 합(X)과 이 합의 헤르미션값(RM X SUP H)을 주파수영역에서 코럴레이션(Correlation) 을 취하여 각 수신신호의 에너지 벡터(R)를 구하고, 상기 각 에너지벡터의 역행열(R-1)에 사전에 설정된 복수의 수신각에 해당되는 스티어링 벡터(steering vector)(V)를 곱하여 최적 가중치 벡터(W)를 구하도록 이루어진다.
이하, 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 RF 프론트-엔드부(51)는 복수의 안테나(ANT-n)를 통해 입력받은 대략 2.4GHz 또는 5.6GHz 대역의 각 수신신호에 대해서 증폭하고, 이 증폭된 각 수신신호를 다운 컨버젼하며, 이 다운 컨버젼 각 수신신호에 대해서 복조를 수행하여 OFDM 복조부(52)로 복조된 신호를 제공한다.
그 다음, 상기 OFDM 복조부(52)는 상기 RF 프론트-엔드부(51)로부터의 각 신호를 고속 퓨리에 변환(FFT)을 수행하고, 이 FFT 변환된 각 수신신호(Xi)에 가중치 벡터(Wi)를 곱하여 원하는 수신신호를 증폭하고, 이 증폭된 출력신호(Y)를 채널코딩부(53)로 제공한다.
여기서, OFDM방식에서는 상호 직교성을 갖는 복수의 반송파를 사용하므로 주파수 이용효율이 높아지고, 송/수신단에서 이러한 복수의 반송파를 변/복조하는 과정은 각각 IDFT와 DFT를 수행한 것과 같은 결과가 되어 IFFT와 FFT를 사용하여 고속으로 구현할 수 있다. 이러한 OFDM 방식의 고속의 데이터 전송에 적합하기 때문 에 IEEE 802.11a와 HIPELAN/2의 고속 무선 LAN, IEEE 802.16의 광대역 무선 엑세스(BWA: Broadband Wireless Access), 디지털 오디오 방송(DAB: Digital Audio Broadcasting)과 디지털 지상 텔레비전 방송(DTTB: Digital Terrestrial Television Broadcasting), ADSL과 VDSL의 표준방식으로 채택되었다.
또한, 상기 고속 퓨리에 변환(FFT)은 이산 데이터 값들의 푸리에 변환 계산을 위한 알고리즘으로서 널리 알려져 있으며, 이러한 FFT는 주어진 수신신호들의 세트, 즉 예를 들어 수신신호로부터 주기적으로 얻어지는 견본들을, 그 요소 주파수들의 형태로 표현할 수 있다.
그 다음, 상기 채널코딩부(53)는 상기 OFDM 복조부(52)로부터의 각 신호에 대한 채널간 간격복원(de-interleaving), 비테비/컨볼루션 디코팅 및 디스크램블링 과정을 통해서 채널 코딩을 수행한 후 채널 코딩된 신호를 주제어부(54)로 제공한다.
그 다음, 상기 주제어부(54)는 상기 채널코딩부(53)로부터의 각 신호를 전송 스트림으로 변환하여 출력한다.
그리고, 본 발명의 빔형성 제어부(55)는 상기 RF 프론트-엔드부(51)로부터 출력되는 각 수신신호(S1,S2,,,,Sn)를 검출하고(S71), 이 검출된 각 수신신호에 대한 에너지 벡터를 구하고(S72), 이 에너지 벡터를 이용하여 에너지가 높은 방향에 대한 최적 가중치 벡터(W)를 구하여(S73) 상기 OFDM 복조부(52)에 제공한다. 이에 따라, 상기 최적 가중치 벡터는 FFT의 다중 반송파에 각각 곱해진다(S74). 이러한 과정은 종료되기 전까지 반복적으로 수행된다(S75).
여기서 빔포밍(beamforming)이란 수신된 각각의 신호에 적당한 가중치를 주어 진폭을 향상시켜 원하는 신호와 잡음신호의 방향이 다른 경우에 관련잡음을 공간적으로 줄일 수 있는 공간적 여과기 같은 역할을 하는데, 이러한 일종의 공간적 필터를 빔포밍이라 한다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 상기 빔형성 제어부(55)는 상기 RF 프론트-엔드부(51-n)로부터 출력되는 각 수신신호를 검출하고, 하기 수학식 1에 보인 바와 같은 상기 각 수신신호(S1,S2,,,,Sn)의 합(X)과 이 합의 헤르미션값(RM X SUP H)을 주파수영역에서 하기 수학식 2에 보인 바와 같이 코럴레이션(Correlation)을 취하여 각 수신신호의 에너지 벡터(R)를 구한다.
Figure 112004035581415-pat00001
여기서, RM n(t)는 입력신호에 존재하는 노이즈이고, RM χ(t)는 콤플렉스 준 고정 가우시안 과정(complex quasi stationary Gaussian process)이다.
Figure 112004035581415-pat00002
여기서,
Figure 112004035581415-pat00003
는 수신신호(S1,S2,,,,Sn)의 합(X)의 헤르미션(hermition)값이다.
그 다음, 상기 각 에너지벡터의 역행열(R-1)에 사전에 설정된 복수의 수신각에 해당되는 스티어링 벡터(steering vector)(Vi)를 곱하여 하기 수학식 3과 같은 최적 가중치 벡터(Wi)를 구한다.
여기서, 상기 최적 가중치 벡터(optimal weight vector)는 에너지가 높은 수신신호의 방향에서 기본 게인(unity gain)을 유지하면서 간섭을 최소화시키는 벡터를 의미한다. 결과적으로 각 안테나 성분에 대해 가중치 벡터를 줌으로써 안테나 빔포밍(Beamforming)을 수행할 수 있다.
Figure 112004035581415-pat00004
한편, 본 발명에 적용되는 빔형성은 빔형성 알고리즘(Beamforming Algorithm)에 의해서 수행되는데, 이러한 빔형성 알고리즘의 에로는, LMS(Least Mean Squares), MMSE(Minimum Mean Square Error) 및 RLS(Recursive Least Squares) 등이 있으며, 이러한 알고리즘중에서 하나가 적용될 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에서는, 멀티-안테나를 사용하는 OFDM 스마트 안테나 시스템을 제안하여, 종래의 안테나 시스템에 비해 빔성형 알고리즘을 통해 데이터 전송율을 개선할 수 있다. 또한, 동시채널 간섭(Co-Channel Interference) 및 페이딩 성분을 줄일 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 스마트 안테나 시스템을 무선 멀티미디어(Wireless Multimedia) 전송 시스템에 적용하여 전력효율을 증대시킬 수 있고, 시스템 성능을 개선할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, AV 시스템에 적용되는 스마트 안테나 시스템에서, 복수의 안테나로부터의 수신 신호에 대해 에너지가 높은 방향에 대한 최적 가중치를 적용함으로써, 동일채널(co-channel) 간섭 및 페이딩(fading) 성분을 줄일 수 있어, 보다 양호한 수신감도를 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 복수의 안테나(ANT-n)를 통해 입력받은 각 신호에 대한 증폭, 다운 컨버젼 및 I/Q 복조를 수행하는 RF 프론트-엔드부(51);
    상기 RF 프론트-엔드부(51)로부터의 각 신호를 고속 퓨리에 변환을 수행하고, 이 변환된 각 신호에 가중치 벡터를 곱하여 원하는 수신신호를 증폭하는 OFDM 복조부(52);
    상기 OFDM 복조부(52)로부터의 각 신호에 대한 채널간 간격복원(de-interleaving), 비테비/컨볼루션 디코팅 및 디스크램블링을 수행하는 채널코딩부(53);
    상기 채널코딩부(53)로부터의 각 신호를 전송 스트림으로 변환하여 출력하는 주제어부(54); 및
    상기 RF 프론트-엔드부(51)로부터 출력되는 각 수신신호(S1,S2,,,,Sn)에 대한 에너지 벡터를 구하고, 이 에너지 벡터를 이용하여 에너지가 높은 방향에 대한 최적 가중치 벡터(W)를 구하여 상기 OFDM 복조부(52)에 제공하는 빔형성 제어부(55)
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 빔형성 제어부(55)는
    상기 RF 프론트-엔드부(51-n)로부터 출력되는 각 수신신호를 검출하고, 상기 각 수신신호(S1,S2,,,,Sn)의 합(X)과 이 합의 헤르미션값(RM X SUP H)을 주파수영역에서 코럴레이션(Correlation)을 취하여 각 수신신호의 에너지 벡터(R)를 구하고, 상기 각 에너지벡터의 역행열(R-1)에 사전에 설정된 복수의 수신각에 해당되는 스티어링 벡터(steering vector)(V)를 곱하여 최적 가중치 벡터(W)를 구하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템.
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