KR100585714B1

KR100585714B1 - 기지국 원형배열안테나의 신호원 서칭장치 및 방법

Info

Publication number: KR100585714B1
Application number: KR1020030033479A
Authority: KR
Inventors: 이주식
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2006-06-07
Also published as: CN1326334C; US20040253987A1; JP2004354377A; KR20040101763A; CN1574683A; EP1482468A2

Abstract

본 발명은 기지국 원형배열안테나의 신호원 방향을 1차원 함수를 이용하여 적은 부하로 추정하는 것이며, 원형배열안테나를 일정한 간격으로 2열 배치한 쌍안테나; 쌍안테나와 접속되어 퍼진신호원에 의한 각 경로신호원의 초벌 중심수직각을 추정하는 전치부; 전치부로부터 인가되는 초벌 중심수직각을 이용하여 1 차원 함수로 중심수평각을 추정 서칭하는 수평 1차원부; 수평 1차원부로부터 서칭되어 인가되는 중심수평각을 이용하여 1 차원 함수로 중심수직각을 추정 서칭하는 수직 1차원부; 수직 1차원부를 통하여 인가되는 중심수평각과 중심수직각을 이용하여 최적 신호원 서칭의 안테나 빔 패턴 형성하는 제어부로 이루어지는 특징과, 적응형 안테나 시스템의 쌍안테나로부터 인가되는 퍼진신호원의 각 경로신호원으로부터 초벌 중심수직각을 추정하는 제1 과정; 상기 과정의 초벌 중심수직각을 1 차원 함수 처리하여 중심수평각을 추정 서칭하는 제2 과정; 상기 과정의 중심수평각을 1 차원 함수 처리하여 중심수직각을 추정 서칭하는 제3 과정; 상기 퍼진신호원의 각 경로신호원을 모두 순차적으로 대입하여 추정 서칭 완료하였는지 판단하고 완료하지 않은 경우는 상기 제2 과정으로 궤환하는 제4 과정을 특징으로 하여, 적응형 안테나 시스템의 무선통신 접속율을 높이는 신뢰도 제고와 신호처리속도를 제고하는 효과가 있다.

Description

기지국 원형배열안테나의 신호원 서칭장치 및 방법{A METHOD AND A DEVICE OF SEARCHING SIGNAL SOURCE FOR CIRCULAR ARRAY ANTENNA SYSTEM AT BASE STATION}

도1 은 일반적인 기지국 원형배열안테나의 구성상태도,

도2 는 종래 기지국 원형안테나의 신호원 서칭장치 기능 구성도,

도3 은 종래 기지국 원형안테나의 신호원 서칭방법 순서도,

도4 는 퍼진신호원의 2 차원적 서칭 상태도,

도5 는 본 발명에 의한 쌍안테나의 구성설명도,

도6 은 본 발명에 의한 원형배열안테나의 신호원 서칭장치 기능 구성도,

도7 은 본 발명에 의한 원형배열안테나의 신호원 서칭방법 순서도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **

25 : 감지기 100 : 쌍안테나

110 : 전치부 120 : 수평 1차원부

130 : 수직 1 차원부 140 : 제어부

본 발명은 이동통신 기지국의 신호원 서칭에 관한 것으로, 특히, 원형배열안테나를 사용하는 경우에 신호원의 도착 방향을 1차원 함수의 적은 부하로 추정하는 기지국 원형배열안테나의 신호원 서칭장치 및 방법에 관한 것이다.

이동통신 시스템은 가입되어 등록된 휴대단말기를 이용하여 서비스 영역 안에서 자유롭게 이동하면서 언제 어디서나 상대방과 즉시 접속하여 통신하는 것으로, 음성급 위주 통신방식에서 문자와 기호를 이용한 데이터급 통신방식이 부가되고, 동영상을 포함하는 멀티미디어(MULTIMEDIA)급 통신방식이 가능한 3세대(3GPP) 이동통신 시스템이 있다.

상기 이동통신 시스템은 제한된 주파수 자원을 이용하여 다수의 휴대단말기가 동시에 통신채널을 점유하여 통신하도록 하는 것으로, 상기 제한 할당된 주파수 자원을 이용하여 많은 휴대단말기가 동시 무선통신하는 여러 방식 중에서 코드분할다중접속(CDMA)방식이 있다.

상기 3 세대(3GPP)의 멀티미디어 통신방식은 데이터 전송 대역폭이 매우 넓어 데이터 전송속도가 높으므로, 오류 발생 없이 신호를 무선전송하기 위하여서는, 인접 채널과의 간섭(INTERFERENCE)을 최소로 하여 신호대잡음비를 높이어야 하며, 상기 이동통신 시스템의 기지국(BS: BASE STATION)은 신호대잡음비를 높이기 위하여 안테나 빔 패턴 방향을 휴대단말기와 통신하는 최적 방향으로 임의 설정할 수 있는 스마트 안테나 시스템(SMART ANTENNA SYSTEM)을 사용한다.

상기 스마트 안테나 시스템에는, 안테나 빔(BEAM) 패턴(PATTERN)의 방향을 임의 방향으로 조정 설정하는 적응형 안테나(ADAPTIVE ANTENNA) 시스템이 있고, 고정된 안테나 빔 패턴 중에서 원하는 방향의 최적 안테나 빔 패턴을 선택하여 설정 하는 스위치드 빔(SWITCHED BEAM) 안테나 시스템이 있다.

상기 적응형 안테나 시스템에는, 원형배열안테나(CIRCULAR ARRAY ANTENNA)가 있으며, 통신하고자 하는 특정 휴대단말기의 방향 즉, 신호원 방향을 추정 서칭(SEARCHING)하여 일치하는 안테나 빔 패턴을 형성하기 위한 것으로, 상기 추정 서칭 시작하는 초기값이 적정하게 잘 선택되어야 하고, 상기 추정 서칭을 정확하게 하기 위하여 복잡한 방식의 서칭 신호처리가 필요하므로 안테나 시스템의 신호처리 부하(LOAD)가 증가하며, 상기 부하(LOAD)를 줄이기 위하여 서칭 신호처리를 단순하게 하여야 한다.

무선신호는 송신점으로부터 송신되어 수신점에서 수신되는 것으로, 송신점과 수신점이 그 사이에 방해물이 없는 가시선상(LINE OF SIGHT)에 있는 경우는 단일경로(ONE PATH)를 통하여 전송되므로 단일신호원이 되어 수신신호 처리에 문제가 없으나, 송신점과 수신점 사이에 방해물이 있는 가시선상이 아닌 경우는, 반사의 반복에 의하여 다중경로(MULTI PATH)로 전송된다.

상기 각 경로의 신호는, 수신점에서 판단할 때, 경로 길이 차이에 의하여 각각 상이한 값으로 지연(DELAY)되어 도착하며, 상기 지연도착은 위상차이로 표시되고, 상기 위상차이에 의하여 퍼져(SPATIAL) 수신되는 퍼진신호원이 되며, 상기 퍼진신호원에 의한 다중 또는 다수 신호원처럼 보이는 것을 해당 처리하여 최적 방향의 경로로 도착되는 신호원을 추정 서칭하여 선택한다.

상기 수신점에서 송신점을 볼 때, 즉, 이동통신 시스템의 기지국에서 휴대단말기를 볼 때, 3 차원에 의한 구좌표(SPHERICAL AXIS) 중심에 기지국이 있고, 휴대 단말기의 방향은 중심수평각 값과 중심수직각 값으로 표시할 수 있으며, 본 발명은 다중경로에 의한 퍼진신호원으로부터 최적방향의 신호원을 추정 서칭하는 것이다.

상기와 같은 원형배열안테나에서 신호원의 퍼진신호를 3 차원에 의한 중심수평각과 중심수직각으로 구분하고, 복잡한 2 차원 함수에 의하여 추정 서칭하므로 안테나 시스템의 부하를 크게하고 있으나, 상기 2 차원 함수를 순차 1차원 함수로 추정 서칭하는 경우 복잡도를 줄이며 적응안테나 시스템의 신호처리 부하를 줄일 수 있으므로, 상기와 같은 방식의 개발이 필요하다.

이하, 종래 기술에 의한 것으로 기지국 원형안테나의 신호원 서칭 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

종래 기술을 설명하기 위한 것으로, 도1 은 일반적인 기지국 원형배열안테나의 구성상태도 이고, 도2 는 종래 기술에 의한 기지국 원형안테나의 신호원 서칭장치 기능 구성도 이며, 도3 은 종래 기술에 의한 기지국 원형안테나의 신호원 서칭방법 순서도 이고, 도4 는 퍼진신호원의 2 차원적 서칭 상태도 이다.

상기 도1을 참조하면, 일반적인 기지국 원형배열 안테나(10)는, 축(30)을 중심으로 반지름 R의 원주 선상에 다수의 감지기(20)가 일정한 간격으로 배치된다.

즉, 상기 다수의 감지기(20)는 각각 축(30)을 중심으로 2π/L의 라디안(RADIAN) 값을 갖거나 또는 360도/L의 각(DEGREE) 값에 의한 간격으로 배치된다.

상기 원형배열안테나(10)의 각 감지기(20)는, 개별적으로 독립된 안테나 기능을 하는 것으로, 동일한 방향에 있는 하나의 신호원으로부터 송신되는 신호를 수 신하는 경우, 상기 각각의 감지기(20)는 위상차(PHASE DIFFERENCE)를 가지고 수신하게 된다.

따라서, 상기 원형배열안테나(10)가 신호원의 신호를 수신하는 경우, 각 감지기(20)는 동일한 신호원의 신호를 위상차를 가지고 수신하며, 상기 다수 감지기(20)가 수신한 신호의 위상차를 보상 또는 보정 처리하는 경우, 신호원과 최적 상태로 무선접속하는 동시에 다른 신호원의 신호를 배제하는 빔형성(BEAMFORMING)을 하고 상기 형성된 빔을 통하여 송신도 한다.

그러므로, 이동통신 시스템의 기지국에서 상기 원형배열안테나(10)를 구비하고, 신호원인 휴대단말기(MT)와 무선접속하는 경우, 다른 휴대단말기의 신호를 배제하고 상기 신호원인 휴대단말기와 최적 상태로 무선접속하므로, 신호대잡음비를 높일 수 있다.

이하, 상기 도2를 참조하여, 종래 기술에 의한 기지국 원형배열안테나의 신호원 서칭장치를 설명하면, 다수 감지기(20)를 반지름 R의 원형 선상에 일정한 간격으로 배치한 원형배열안테나(10)와; 상기 원형배열안테나(10)에서 다수 위상차를 가지고 수신한 신호원의 신호를 2 차원 비용함수 처리하여 중심수평각과 중심수직각을 추정 서칭(SEARCHING)하여 출력하는 2차원 추정부(40)와; 상기 2차원 추정부(40)로부터 인가되는 중심수평각과 중심수직각을 이용하여 신호원을 서칭하는 안테나 빔 패턴을 형성하는 제어부(50)로 구성된다.

상기 종래 기술에 의한 기지국 원형배열안테나의 신호원 서칭장치를 상세히 설명한다.

상기 원형배열안테나(10)는 신호원의 신호가 다중 경로를 통하여 전송되므로 퍼진신호원으로 전송되는 신호를 다수의 감지기(20)에 의하여 위상차이를 갖고 수신하며, 상기 수신된 신호는 2 차원 추정부(40)에 의하여 다음 식과 같은 2 차원 비용함수로 처리된다.

상기 수식에서 ^λ_max는 행렬식 ^Τ(θ,φ)=^Ε^H _sΨ(θ,φ)^Ε^* _s^Ε^T _sΨ ^*(θ,φ)^Ε_s 의 가장 큰 고유값을 나타낸다.

또한, 상기 ^Ε_s 는 크기가 L*L 의 신호고유벡터 행렬인, 대각행렬(DIAGONAL MATRIX)로써 Ψ(θ,φ)=DIAG(e^{j2ηSINθCOS(φ-γ1)},Λ,e^{j2ηSINθCOS(φ-γL)})을 타나낸다.

상기 η는 원형배열안테나 반경(R)과 감지기(20) 사이 거리관계 상수이고, γ_k는 (2π(k-1))/L이며, L은 원형배열안테나(10)를 구성하는 감지기(20)의 숫자이다.

상기 식1의 2 차원 비용함수는 공지된 논문 Q. WAN AND Y.-PENG,"LOW-COMPLEXITY ESTIMATOR FOR FOUR-DIMENSIONAL PARAMETERS UNDER A REPARAMETERIZED DISTRIBUTED SOURCE MODEL," IEEE PROC.-RADAR, SONAR, NAVIG., VOL. 148, PP.313-317,DECEMBER 2001에 상세히 설명되어 있다.

상기와 같이 2 차원 추정부(40)에 의하여 퍼진신호원의 각 경로신호원을 모두 2 차원 비용함수(COST FUNCTION)로 처리하여 중심수직각(θi)과 중심수평각(φi)을 각각 추정 서칭하여 출력한다.

상기 2 차원 비용함수를 처리하는데 있어서 처리과정이 복잡하며, 퍼진신호원의 각 경로신호원에 대하여 모두 2 차원 비용함수를 처리하므로 더욱 처리과정이 복잡해진다.

상기와 같이 2 차원 추정부(40)에 의하여 퍼진신호원으로부터 각 경로신호원에 대한 중심수평각과 중심수직각을 식1의 2 차원 비용함수로 추정한 값은 제어부(50)에 인가되고 다음의 식2와 같이 처리하여 상기 2 차원 비용함수 값을 가장 크게하는 중심수평각과 중심수직각의 독립변수를 추정 서칭하여 정한다.

상기 제어부(50)는 상기 식2에 의하여 정한 가장 큰 중심수직각과 중심수평각을 이용하여 신호원의 방향을 지향하는 안테나 빔 패턴을 형성하도록 해당 제어를 한다.

상기와 같이 다중경로(MULTIPATH)에 의하여 하나의 신호원으로부터 전송되는 퍼진신호원 중에서 최적 경로신호원을 추정 서칭하기 위하여는, 각 경로신호원에 대하여 2 차원 비용함수를 처리하여 중심수평각과 중심수직각을 구해야 하고, 상기와 같이 구한 값들을 처리하여 가장 큰 값을 추정 서칭한다.

상기 2 차원 비용함수는 처리의 복잡성에 의하여 계산량이 증가하고 원형배열안테나(10)를 사용하는 적응안테나 방식 빔포밍(BEAMFORMING) 시스템의 신호처리에 의한 부하(LOAD)를 증가시키므로 처리속도가 지연되어 적응형 안테나 시스템의 성능을 저하시키는 문제가 있다.

이하, 상기 첨부된 도3을 참조하여, 종래 기술에 의한 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭방법을 설명한다.

상기 원형배열안테나 시스템의 2 차원 추정부(40)에 의하여 뉴톤 방법(NEWTON METHOD)으로 초기값을 설정하는 제1 단계(S10)와; 상기 단계에서 설정된 초기값을 이용하여 2 차원 비용함수로 최적화 방향을 추정 서칭하는 제2 단계(S20)와; 상기 단계에서 추정 설정된 방향이 국소최대값(LOCAL MAXIMUM)인지 판단하는 제3 단계(S30)와; 상기 단계에서 판단하여 국소최대값이 아닌 경우는 추정 설정된 방향으로 안테나 빔을 형성하여 송수신하는 제4 단계(S40)로 이루어진다.

이하, 상기와 같은 종래 기술의 기지국 원형배열 안테나 신호원 서칭방법을 상세히 설명하면, 상기 2 차원 추정부(40)는 뉴톤 방법으로 신호원을 추정 서칭하는 방향의 초기값을 설정하고(S10), 상기 설정된 초기값을 이용하여 상기 수학식 1의 2 차원 비용함수를 신호처리하므로, 신호원을 최적방향으로 추정 서칭한다(S20).

상기 2 차원의 비용함수는 추정하고자 하는 값이 중심수평각 φ와 중심수직각 θ로 2 개 이고, 상기 2개 값을 추정하기 위하여서는 매우 복잡한 처리를 거쳐야 하므로 신호처리 시간이 많이 소요된다.

또한, 다중경로에 의한 퍼진신호원의 각 경로에 대하여 신호처리 계산하여야 하므로 해당 경로가 많을 경우는 안테나 시스템의 부하를 가중시키는 문제가 된다.

상기 단계(S20)에서 추정된 신호원 방향이 국소최대값(LOCAL MAXIMUM) 인지를 판단하며(S30), 상기 판단에서 해당 신호가 송수신되지 않는 국소최대값인 경우는 종료로 진행하며, 해당 신호가 송수신되는 전체최대값(GLOBAL MAXIMUM)인 경우는 원형배열안테나의 빔패턴(BEAM PATTERN)을 형성하여 신호원인 해당 휴대단말기와 통신한다(S40).

상기 첨부된 도4를 설명하면, X 축은 퍼진신호원의 숫자(x)를 나타내고, Y 축은 송수신되는 신호의 세기를 나타내는 것으로, 일 예로, 뉴톤 방법이 xi 신호원 근처의 값을 초기값으로 설정하는 경우, 다른 신호원에 의한 국소최대값(LOCAL MAXIMUM)을 추정 서칭하여 빔패턴을 형성하므로 해당 휴대단말기와 무선접속하지 못하여 통신이 불가능함을 보여주고, 상기 뉴톤 방법이 xo 신호원 근처의 값을 초기값으로 설정하면, 해당 신호원에 의한 전체최대값(GLOBAL MAXIMUM)을 추정 서칭하여 빔패턴을 형성하므로 해당 휴대단말기와 무선접속하고 통신함을 보여준다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술은 전체최대값을 추정 서칭하여 원형배열안테나의 최적 빔패턴을 형성하기 위하여 처리과정에 복잡한 2 차원 비용함수를 사용하 므로, 안테나 시스템의 신호처리 부하를 증가시기는 문제가 있다.

또한, 뉴톤(NEWTON) 함수 방법의 초기값 설정이 잘못되는 경우는 신호원과 무선접속하지 못하는 문제가 있는 동시에 이동통신 시스템의 신뢰도가 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 초벌 중심수직각을 추정하여 2 차원 비용함수에 적용하므로 1 차원 비용함수로 중심수평각을 추정 서칭하고, 상기 추정 서칭된 중심수평각을 다시 2 차원 비용함수에 적용하므로 1 차원 비용함수로 중심수직각을 추정 서칭하는 기지국 원형배열안테나의 신호원 서칭 장치 및 방법을 제공하는 것이 그 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은, 원형배열안테나를 일정한 간격으로 2열 배치한 쌍안테나와; 상기 쌍안테나와 접속되어 퍼진신호원에 의한 각 경로신호원의 초벌 중심수직각을 추정하는 전치부와; 상기 전치부로부터 인가되는 초벌 중심수직각을 이용하여 1 차원 함수로 중심수평각을 추정 서칭하는 수평 1차원부와; 상기 수평 1차원부로부터 서칭되어 인가되는 중심수평각을 이용하여 1 차원 함수로 중심수직각을 추정 서칭하는 수직 1차원부와; 상기 수직 1차원부를 통하여 인가되는 중심수평각과 중심수직각을 이용하여 최적 신호원 서칭의 안테나 빔패턴 형성하는 제어부로 이루어지는 구성을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은, 적응형 안테나 시스템의 쌍안테나로부터 인가되는 퍼진신호원의 각 경로신호원으로부터 초벌 중심수직각을 추정하는 제1 과정과; 상기 과정의 초벌 중심수직각을 1 차원 함수 처리하여 중심수평각을 추정 서칭하는 제2 과정과; 상기 과정의 중심수평각을 1 차원 함수 처리하여 중심수직각을 추정 서칭하는 제3 과정과; 상기 퍼진신호원의 각 경로신호원을 모두 순차적으로 대입하여 추정 서칭 완료하였는지 판단하고 완료하지 않은 경우는 상기 제2 과정으로 궤환하는 제4 과정으로 이루어진 특징이 있다.

이하, 본 발명의 기지국 원형배열안테나의 신호원 서칭장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 설명을 위한 것으로, 도5 는 본 발명에 의한 쌍안테나의 구성설명도 이고, 도6 은 본 발명에 의한 원형배열안테나의 신호원 서칭장치 기능 구성도 이며, 도7 은 본 발명에 의한 원형배열안테나의 신호원 서칭방법 순서도 이다.

상기 도5를 참조하면, 본 발명에 의한 쌍안테나(100)는, 반지름 r을 갖는 원주 위에 다수의 감지기(25)가 동일한 간격으로 배치되는 원형배열안테나를 구성하고, 상기 원형배열안테나(CIRCULAR ARRAY ANTENNA)는 축이 일치되는 상태로 거리 d를 유지하는 2개의 원형배열안테나가 상하로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 쌍안테나(100)는 상하 원형배열안테나를 구성하는 각각의 감지기(25)가 동일한 위치에서 상기의 거리 d를 동일하게 유지하며, 상기 거리 d는 파장(λ)의 배수이며, 일 예로 λ/2 또는 λ의 거리를 유지한다.

상기와 같은 구성의 쌍안테나(100)는 동일 수평선상에 위치하는 다수의 안테나인 각 감지기(25)가 동일한 하나의 신호원으로부터 수신되는 신호를 각각 상이한 위상차이로 수신하고 상기 수신된 신호를 처리하여 신호원의 방향을 추적하는 최적 방향(φ)의 수평 안테나 빔패턴을 형성하는 동시에 수직 방향(θ)으로도 상기와 동일하게 최적 방향의 수직 안테나 빔패턴을 형성한다.

상기 신호원이 다중경로로 전송되는 퍼진신호원(DISTRIBUTED SOURCE)인 경우, 상기 수직방향 퍼진 빔패턴(2Δθ)과 수평방향 퍼진 빔패턴(2Δφ)을 각각 형성하고, 상기 수직 및 수평 빔패턴이 형성하는 방향이 퍼진신호원 방향이 되며, 상기 도5에 상세히 도시되어 있다.

이하, 상기 도6을 참조하면, 본 발명에 의한 기지국 원형배열안테나의 신호원 서칭장치는, 이동통신 시스템의 기지국(BS: BASE STATION)에 설치되는 것으로, 원형배열안테나(CIRCULAR ARRAY ANTENNA)를 일정한 간격으로 2열 배치한 것으로, 중심축(z)에 의하여 형성되는 원주를 동일한 라디안(RADIAN) 간격 또는 각도(DEGREE) 간격으로 다수가 배열되는 감지기(25)가 파장길이의 배수 간격으로 중심축(z)을 기준하는 상하거리(d)를 동일한 위치에서 유지하는 쌍안테나(100)와,

상기 쌍안테나(100)와 접속되어 퍼진신호원에 의한 각 경로신호원의 초벌 중심수직각(^~θi)을 추정하는 것으로, 신호의 도착방향을 TLS-ESPRIT 연산방법 또는 뮤직(MUSIC) 연산방법 또는 엠엘(ML: MAXIMUM LIKELIHOOD) 연산방법을 사용하여 각 경로에 의한 신호로부터 초벌 중심수직각을 추정 서칭하는 전치부(110)와,

상기 전치부(110)로부터 인가되는 초벌 중심수직각(^~θi)을 이용하여 1 차원 함수로 중심수평각을 추정 서칭하는 것으로, 상기 전치부(110)에서 초벌 추정된 중심수직각을 상기 수식 1의 2 차원 비용함수에 대입하여 1 차원 함수가 되도록 하고 다음 수식과 같이 연산처리하여 중심수평각(^φi)을 추정 서칭하여 출력하는 수평 1차원부(120)와,

상기 수평 1차원부(120)로부터 서칭되어 인가되는 중심수평각(^φi)을 이용하여 1 차원 함수로 중심수직각(^θi)을 추정 서칭하는 것으로, 상기 수평 1차원부(120)로부터 입력되는 중심수평각(^φi)을 상기 수식1의 2 차원 비용함수에 대입하여 1 차원 함수가 되도록 하고 다음 수식과 같이 연산처리하여 중심수직각(^θi)을 추정 서칭하여 출력하는 수직 1차원부(130)와,

상기 수직 1차원부(130)를 통하여 인가되는 중심수평각(^φi)과 중심수직각(^θi)을 상기 수식2에 적용하여 최적 신호원 방향 서칭의 안테나 빔패턴 형성하는 제어부(140)로 구성된다.

이하, 상기와 같은 구성의 본 발명에 의한 것으로, 이동통신 기지국에 시설되는 원형배열안테나의 신호원 서칭장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

상기 쌍안테나(100)는 다수 감지기(25)의 구성 특성상 하나의 신호원으로부터 수신되는 신호를 수직 위상편차와 수평위상편차를 가지고 수신하므로, 상기 각 감지기(25)가 수신한 위상편차를 이용하면, 신호원의 중심수직각과 중심 수평각을 용이하게 추정 서칭할 수 있다.

즉, 종래에는 뉴톤(NEWTON) 방법(METHOD)으로 초기값을 설정하므로, 상기 초기값이 잘못 설정되는 경우, 국소최대점(LOCAL MAXIMUM)을 추정 서칭하게 되고, 상기와 같이 국소최대점을 추정 서칭하게 되면, 무선접속하지 못하여 통신하지 못하는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 초벌 중심수직각을 추정하므로 전체최대점(GLOBAL MAXIMUM)을 즉시 추정 서칭하게 된다.

상기 본 발명의 초벌 중심수직각 추정방법에는, 뮤직 연산방법과 엠엘 연산방법과 TLS-ESPRIT 연산방법 등등이 있다.

상기 뮤직(MUSIC) 연산방법은, 공분산 행렬(COVARIANCE MATRIX)을 고유분해해서 얻은 잡음관련 고유벡터 들과 실제로 신호가 도착하는 방향에 대한 조정벡터 들 사이의 직교성을 이용하여 스펙트럴 기준(SPECTRAL BASED) 관점에서 직교성을 만족하는 신호도착 방향을 추정 서칭하는 방법이다.

상기 엠엘(ML: MAXIMUM LIKELIHOOD) 연산방법은, 매개변수인 파라메트릭(PARAMETRIC)을 모델로 추정한 공분산 행렬과 모르는 변수로 이루어진 이론적인 공분산 행렬 사이의 차이를 가장 적게하는 변수들을 찾아내는 방식이며, 비선형 다차원으로 추정 서칭하여야 한다.

상기와 같은 방법들은 추정 서칭하는 방향이 정확하지만 처리과정이 매우 복잡하여 해당 신호처리에 시간이 많이 소요되고 적응형 안테나 시스템의 신호처리 부하(LOAD)가 증가된다.

상기 TLS-ESPRIT(TOTAL LEAST SQUARE-ESTIMATION OF SIGNAL PARAMETER VIA ROTATIONAL INVARIANCE TECHNIQUES) 방식은, 점신호원을 안테나의 구조적인 특성을 이용하여 신호도착 방향을 간단하게 추정 서칭하는 방법으로 R. ROY와 T. KAILATH가 제안한 것이며, 논문 "ESPRIT-ESTIMATION OF SIGNAL PARAMETERS VIA ROTATIONAL INVARIANCE TECHNIQUES," IEEE TRANS., ACOUST., SPEECH, SIGNAL PROCESS., VOL 37, PP. 984-995, JULY 1989.에 상세히 소개되어 있으며 비슷한 방법인 ESPRIT 방법과 LS-ESPRIT 방법도 소개되어 있다.

즉, 상기 쌍안테나(100)의 구조적 특징과 다중경로로 전송되어 퍼진신호원이 되는 각각의 신호원을 각각 일정한 위상편차로 수신하여 상기 전치부(110)에 인가하고, 상기 전치부(110)는 상기 입력되는 각각의 신호원을 TLS-ESPRIT 방법 연산처리에 의하여 구좌표(SPHERICAL AXIS)에 의한 각각의 초벌 중심수직각(^~θi=1,2..) 서칭 방향을 정확하게 추정한다.

상기와 같이 추정된 각각의 초벌 중심수직각(^~θi=1,2,3,..)은 수평 1차원부(120)에 인가되어 상기 2 차원 비용함수(COST FUNCTION)인 수식1에 대입되 므로, 상기 2 차원 함수는 1 차원 함수가 되므로 연산처리과정이 단순하게 되며, 상기 수식 3

의 연산처리에 의하여 각각의 중심수평각(^φi=1,2,..q)을 추정 서칭하고 수직 1차원부(130)로 인가된다.

상기 수직 1차원부(130)는 수평 1차원부(120)로부터 인가되어 입력되는 중심수평각(^φi=1,2,..q)을 수식1의 2 차원 비용함수에 대입하므로, 상기 2 차원 함수는 1 차원 함수가 되므로 연산처리 과정이 단순하게 되고, 상기 수식4

의 연산처리에 의하여 각각의 해당 중심수직각(^θi=1,2,..q)을 추정 서칭하여 상기 제어부(140)에 인가한다.

상기 제어부(140)는 입력되는 중심수평각과 중심수직각이 상기 퍼진신호원의 모든 신호원에 대한 추정 서칭이 완료된 경우, 상기 수식2

의 연산처리에 의하여 가장 큰 값의 독립변수를 서칭하고, 상기와 같이 서칭된 독립변수에 의한 방향으로 안테나 빔형성(BEAMFORMING) 되도록 해당 제어를 하고, 상기와 같이 형성된 안테나 빔을 통하여 해당 신호원인 휴대단말기(MT)와 송신 및 수신을 하게 된다.

또한, 상기 휴대단말기(MT)는 이동하면서 통신하는 것으로, 즉, 신호원의 방향이 계속 이동 또는 변경되므로, 상기와 같은 처리과정을 일정하게 계속 반복하여야 한다.

따라서, 상기와 같은 구성의 본 발명은, 신호원의 방향을 추정 서칭하는데 있어서, 초기값 또는 초벌 중심수직각 값을 TLS-ESPRIT 방법에 의하여 추정하므로 신호원 방향의 초기값을 오류 없이 정확하게 추정하고, 구좌표 상의 신호원 방향을 추정 서칭하는데 있어서, 대입법으로 1 차원 함수로 변환하여 연산처리하므로 처리속도가 빠르고 신호원의 방향을 신속하게 추정 서칭한다.

이하, 상기 도7을 참조하여, 본 발명에 의한 기지국 원형배열안테나의 신호원 서칭방법을 설명한다.

스마트(SMART) 안테나 시스템을 구성하는 적응형(ADAPTIVE) 안테나 시스템의 쌍안테나(100)로부터 인가되는 퍼진신호원의 각 경로신호원으로부터 초벌 중심수직각(^~θi)을 추정하는 것으로, 상기 각 경로신호원을 뮤직(MUSIC) 또는 엠엘(ML) 또는 TLS-ESPRIT 방법으로 연산처리하여 초벌 중심수직각(^~θi)을 추정하는 제1 과정(S100)과,

상기 과정(S100)의 초벌 중심수직각(^~θi)을 1 차원 함수로 연산처리하여 중심수평각을 추정 서칭하는 것으로, 상기 초벌 중심수직각을 수식1의 2 차원 비용함수에 대입하여 1 차원 함수가 되도록 하고, 상기 수식3

의 연산처리에 의하여 중심수평각(^φi)을 추정 서칭하는 제2 과정(S110)과,

상기 과정(S110)의 중심수평각(^φi)을 1 차원 함수 처리하여 중심수직각을 추정 서칭하는 것으로, 상기 중심수평각을 수식1의 2 차원 비용함수에 대입하여 1 차원 함수가 되도록 하고, 상기 수식4

에 의하여 연산처리하여 중심수직각을 추정 서칭 및 출력하는 제3 과정(S120)과,

상기 퍼진신호원의 각 경로신호원을 모두 순차적으로 대입하여 추정 서칭 완료하였는지 판단하고 완료하지 않은 경우는 상기 제2 과정으로 궤환하는 제4 과정(S130)으로 이루어진다.

이하, 상기와 같은 구성의 본 발명에 의한 것으로, 기지국 원형배열안테나의 신호원 서칭방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

상기 쌍안테나(100)는, 구조적 특성에 의하여 하나의 신호원으로부터 수신되는 신호를 다양한 위상편차로 각각 수신한다.

또한, 상기 하나의 신호원으로부터 전송되는 신호는 다양한 전송경로를 통하여, 즉, 다중경로를 통하여 수신되므로 다양한 신호원과 같이 보이는 퍼진신호원이 되며, 상기 퍼진신호원을 구성하는 각 경로신호원을 각각 하나의 신호원으로 하고, 상기와 같이 쌍안테나(100)의 구조적 특성이 다양한 위상편차로 각각 수신한다.

상기와 같이 퍼진신호원에 의한 다수 신호원을 다수 위상편차로 수신한 쌍안테나(100)의 신호는, 상기 전치부(110)에 인가되어 ESPRIT 연산처리 방법 중에서 뮤직(MUSIC) 또는 엠엘(ML) 또는 ESPRIT 방법 중에서 가장 간단한 TLS-ESPRIT 방법으로 연산처리되므로, 퍼진신호원의 각 초벌 중심수직각(^~θi)을 추정한다(S100).

상기와 같이 추정된 초벌 중심수직각(^~θi)은 수평 1 차원부(120)에 인가되고, 상기 수평 1차원부(120)에 의하여 변수로써 수식1 의 2 차원 비용함수를 구성하는 2개 변수 중에서 하나의 변수인 θi에 대입되므로 상기 2 차원 비용함수는 1 차원 비용함수로 변환되므로, 해당 연산처리가 간단하고 빠르게 된다.

상기 수평 1차원부(120)는 상기 1 차원 비용함수에 대입된 다수 위상차의 수신신호로부터 가장 큰 신호의 값을 구하기 위하여 수식3의

연산처리하므로, 해당 신호원의 최적 중심수평각(^φi)을 추정 서칭한다(S110).

상기와 같이 수평 1차원부(120)에 의하여 추정 서칭된 중심수평각(^φi) 값은 수직 1차원부(130)에 인가되고, 상기 수직 1 차원부(130)는 상기 입력된 중심수평각(^φi)을 변수로 상기 수식1의 2 차원 비용함수를 구성하는 2개의 변수 중에서 φi 대신에 대입하므로, 상기 2 차원 비용함수는 연산처리가 간단하고 빠른 1 차원 비용함수로 변환된다.

상기 수직 1 차원부(130)는 중심수평각 값이 대입된 상기 1 차원 비용함수를 연산처리하고, 가장 큰 결과값을 구하기 위하여 수식4의

연산처리하므로, 해당 신호원의 최적 중심수직각(^θi)을 추정 서칭한다(S120).

상기와 같이 추정 서칭된 중심수직각(^θi)과 중심수평각(^φi)은 제어부(140)에 인가되며, 상기 제어부(140)는 퍼진신호원에 의한 모든 경로신호원에 대하여 상기와 같이 중심수직각(^θi)과 중심수평각(^φi) 값의 추정 서칭이 완료되었는지 판단하고, 완료되지 않았을 경우는 상기 제2 과정(S110)으로 궤환하여 완료되도록 하고, 완료된 경우는 수식2

의 연산처리에 의하여 상기 수식1의 2 차원 비용함수 결과값을 가장 크게하는 각 독립변수를 추정 서칭하므로 상기 기지국(BS)은 해당 신호원 또는 휴대단말기(MT)와 가장 큰 레벨로 무선접속하는 최적 빔을 형성하도록 제어하여 통신하고 종료한다(S130).

따라서, 상기와 같은 구성의 본 발명은, TLS-ESPRIT 방법에 의하여 초벌 중심수직각을 구하므로, 오류 없는 초기값에 의하여 전체최대값(GLOBAL MAXIMUM)을 추정 서칭할 수 있고, 또한 2 차원 비용함수를 구성하는 2개의 독립변수 중에서 1개를 대입하므로, 1 차원 비용함수로 변환하여 해당 연산처리를 간단하고 빠르게 한다.

상기와 같은 구성의 본 발명은 스마트 안테나 시스템을 구성하는 적응형 안테나 시스템에서 초기값을 TLS-ESPRIT 방법에 의하여 1차원 함수로 구하므로, 전체최대값을 오류 없이 용이하게 구하여 적응형 안테나 시스템의 무선통신 접속율을 높이는 신뢰도 제고의 산업적 이용효과가 있다.

또한, 복잡한 2 차원 비용함수를 1 차원 함수로 변환하여 처리하므로, 연산처리를 간단하고 빠르고 수행하여 적응형 안테나 시스템의 신호처리속도를 제고하는 사용상 편리한 효과가 있다.

Claims

원형배열안테나를 일정한 간격으로 2열 배치한 쌍안테나와,

상기 쌍안테나와 접속되어 퍼진신호원에 의한 각 경로신호원의 초벌 중심수직각을 추정하는 전치부와,

상기 전치부로부터 인가되는 초벌 중심수직각을 이용하여 1 차원 함수로 중심수평각을 추정 서칭하는 수평 1차원부와,

상기 수평 1차원부로부터 서칭되어 인가되는 중심수평각을 이용하여 1 차원 함수로 중심수직각을 추정 서칭하는 수직 1차원부와,

상기 수직 1차원부를 통하여 인가되는 중심수평각과 중심수직각을 이용하여 최적 신호원 방향 서칭의 안테나 빔패턴 형성하는 제어부로 이루어지는 구성을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭장치.
제1 항에 있어서, 상기 쌍안테나는,

원형배열안테나의 중심축을 일치시키고 감지기가 파장길이의 배수 간격으로 상하거리를 유지하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭장치.
제2 항에 있어서, 상기 감지기는,

원형배열안테나의 중심축에 의하여 형성되는 원주를 동일한 간격으로 동일한 위치에서 다수가 배열되는 구성을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭장치.
제1 항에 있어서, 상기 전치부는,

안테나의 구조적 특성을 이용하여 신호도착방향을 추정하는 TLS-ESPRIT 연산방법을 사용하여 퍼진신호원의 각 경로에 의한 신호로부터 초벌 중심수직각을 추정 서칭하는 구성을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭장치.
제4 항에 있어서, 상기 전치부는,

공분산 행렬을 고유분해한 고유벡터와 실제 신호원방향 조정벡터의 직교성을 이용하여 스펙트럴 베이스드 직교성을 추정하는 뮤직 방법이나, 파라메터 공분산 행렬과 추정변수 공분산 행렬의 차이를 적게하는 변수를 찾아내는 엠엘 방법을 사용하여 퍼진신호원의 각 경로에 의한 신호로부터 초벌 중심수직각을 추정 서칭하는 구성을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭장치.
제1 항에 있어서, 상기 수평 1차원부는,

상기 전치부로부터 초벌 추정된 중심수직각을 2 차원 비용함수에 대입하여 1 차원 함수가 되도록 하고 다음 수식과 같이 연산처리하여 중심수평각을 추정 서칭 하여 출력하는 구성을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭장치.
제1 항에 있어서, 상기 수직 1차원부는,

상기 수평 1차원부로부터 입력되는 중심수평각을 2 차원 비용함수에 대입하여 1 차원 함수가 되도록 하고 다음 수식과 같이 연산처리하여 중심수직각을 추정 서칭하여 출력하는 구성을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭장치.
제1 항에 있어서, 상기 제어부는,

입력되는 다수의 중심수직각과 중심수평각 값을 다음 수식과 같이 연산처리하여 가장 큰 값을 추정 서칭하는 구성을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭장치.
적응형 안테나 시스템의 쌍안테나로부터 인가되는 퍼진신호원의 각 경로신호 원으로부터 초벌 중심수직각을 추정하는 제1 과정과,

상기 과정의 초벌 중심수직각을 1 차원 함수로 연산처리하여 중심수평각을 추정 서칭하는 제2 과정과,

상기 과정의 중심수평각을 1 차원 함수로 연산처리하여 중심수직각을 추정 서칭하는 제3 과정과,

상기 퍼진신호원의 각 경로신호원을 모두 순차적으로 대입하여 추정 서칭 완료하였는지 판단하고 완료하지 않은 경우는 상기 제2 과정으로 궤환하는 제4 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭방법.
제9 항에 있어서, 상기 제1 과정은,

각 경로신호원을 TLS-ESPRIT 연산처리하여 중심수직각을 초벌 추정하는 것을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭방법.
제9 항에 있어서, 상기 제2 과정은,

상기 초벌 중심수직각을 2 차원 비용함수에 대입하여 1 차원 함수가 되도록 하고 다음 수식과 같이 연산처리하여 중심수평각을 추정 서칭하여 출력하는 것을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭방법.
제9 항에 있어서, 상기 제3 과정은,

상기 중심수평각을 2 차원 비용함수에 대입하여 1 차원 함수가 되도록 하고 다음 수식과 같이 연산처리하여 중심수직각을 추정 서칭하여 출력하는 것을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭방법.
제9 항에 있어서, 상기 제4 과정은,

쌍안테나로 수신된 각 경로신호원으로부터 추정된 초벌 중심수직각을 순차적으로 모두 대입하여 추정 서칭이 완료된 경우는 종료하고 완료되지 않은 경우는 상기 제2 과정으로 궤환하여 순차적으로 모두 대입하도록 하는 것을 특징으로 하는 기지국 원형배열 안테나의 신호원 서칭방법.