KR100608468B1 - 광역 널을 갖는 안테나 빔 패턴 - Google Patents

광역 널을 갖는 안테나 빔 패턴 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라, 통신 시스템에서 간섭을 완화시키고, 주파수 재사용 인자를 증가시키기 위해 송수신기 서브시스템(200, 도 2)에 사용하기 위한 인핸스드 디지털 빔형성기(EDBF)(210, 도 2)가 제공된다. EDBF는 적어도 하나의 스티어링 가능한 안테나 빔 패턴에서 광역 널(520, 도 5)을 생성하기 위해 사용된다. 원하지 않는 신호로 광역 널을 지향시킴으로써, EDBF는 통신 시스템에서 안테나 빔 패턴의 보다 효율적인 처리를 제공한다. EDBF는 정지 위성, 비정지 위성 및 지상 통신 장치에 사용된다. EDBF는 현존하는 변조 기술과 호환성을 유지하면서, 현재 및 장래 통신 시스템의 용량을 현저히 개선시키기 위해 독특한 알고리즘, 특수 처리기 및 어레이 안테나를 조합시킨다.
광역 널, 안테나 빔 패턴, 위상 조정 어레이 안테나, 광열 널 안테나 패턴

Description

광역 널을 갖는 안테나 빔 패턴{Antenna Beam Patterns Having Wide Nulls}
본 발명은 일반적으로 위상 어레이 안테나(phased array antenna)에 관한 것이며, 보다 상세하게는 디지털 빔 형성을 사용하는 광역 널 안테나 패턴들(wide null antenna patterns)을 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 다중-빔 인공 위성 또는 지상 통신 시스템의 용량은 그의 주파수-재사용 또는 코드-재사용 능력에 의해 종종 제한된다. 이러한 시스템들에서, 주파수 도메인 채널화의 레벨 또는 동시 빔들의 수집에 대한 코드 할당은 빔들 간의 각 분리에 의해 규정된다. 각 분리는 빔 패턴 사이드로브들(sidelobe)을 통해 동시-채널 간섭을 감소시킬 필요가 있다. 빔들에 대한 별개의 주파수 채널 및 코드 할당의 수는 주파수 또는 코드-재사용 인자로서 알려져 있다.
예를 들면, 인공위성 통신 시스템은 동일한 채널 빔들 사이에서 각 분리를 실현하기 위해 12-채널 또는 12-코드 재사용 기법을 채용할 수 있다. 이는 충분한 채널 거부(channel rejection)를 보증하도록 행해진다. 이러한 재사용 레벨은 12-셀 재사용 구성을 통해 수행된다. 결과적으로, 12-빔 구성에서 각각의 빔은 가능 용량의 1/12를 전달할 수 있다. 더 큰 시스템 용량을 달성하거나 또는 12개보다 훨씬 더 적은 재사용 인자를 실현하는 것은 사용자들의 경합에 의해 생성된 간섭이 상당히 높기 때문에 종래 시스템에서 곤란하다.
인공 위성 통신 시스템들은 다중 안테나 빔들을 통해 다수의 사용자와 통신하도록 위상 조정 어레이 안테나를 사용하고 있다. 전형적으로, 효율적인 대역폭 변조 기술은 다중 액세스 기술들과 조합되고, 주파수 분리 방법은 사용자들의 수를 증가시키기 위해 사용된다. 전자 환경들(electronic environment)은 점점 더 치밀해지고 있고, 무선 통신 시스템을 위해 보다 큰 정교화가 필요하다. 예를 들면, 제한된 주파수 범위에 대해 경합하는 모든 사용자들에 의해, 여러 가지 시스템 간의 간섭의 완화는 여러 시스템들에 대한 스펙트럼의 할당에 대한 중요한 열쇠이다.
빔 스티어링 및 널링 시스템들(beam streering and nulling systems)은 대부분 통신 및 레이더 오퍼레이션을 위해 군대에서 개발하여 왔다. 그러나, 이러한 시스템은 적은 수의 빔 및 제한된 수의 협대역 널들(narrow nulls) 만을 가질 수 있다. 이들 제한의 한가지 이유는 근본적인 신호 처리의 엄청나게 높은 계산 비용이다.
통신 시스템들에서 주파수 재사용 인자를 증가시키는 방법 및 장치를 필요로 한다. 또한, 통신 시스템에서 안테나 빔 패턴들의 보다 효율적인 처리를 제공하는 방법 및 장치를 상당히 필요로 한다. 또한, 이러한 필요성들은 비정지 위성 및 정지 위성을 포함하는 위성 통신 시스템에 대해 특히 중요하다.
본 발명의 목적은 통신 시스템들에서 주파수 및 코드 재사용 인자를 증가시키는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 방법 및 장치는 통신 시스템들에서 안테나 빔 패턴들의 보다 효율적인 처리를 제공한다. 또한, 본 발명의 방법 및 장치는 위성 통신 시스템에서 비정지 위성과 사용하기에 특히 중요하다. 본 발명은 현존하는 변조 기술과 호환성을 유지하면서 현재 및 장래 통신 시스템들의 용량을 현저히 개선시키기 위해 디지털 신호 처리기(DSP) 기반 시스템과 인핸스드 디지털 빔 형성(enhanced digital beamforming) 알고리즘을 조합시킨다. 본 발명에서 표준 디지털 빔 형성 기술은 무엇보다도 단일 널(single null)을 널의 클러스터로 대체함으로써 증진된다.
도 1은 본 발명의 방법 및 장치가 실시될 수 있는 위성 통신 시스템의 단순화된 블록도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인핸스드 디지털 빔형성기를 포함하는 송수신기 서브시스템의 단순화된 블록도.
도 3은 K개의 전방향 안테나 엘리먼트(K omni directional antenna element)의 어레이 및 상이한 소스들로부터의 J개의 입사 평면파를 예시하는 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인핸스드 디지털 빔 형성(EDBF) 공정의 흐름도.
도 5는 EDBF 기술을 사용하여 생산된 빔 및 널의 클러스터(광역 널)의 광각(wide angle) 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 빔 패턴에서 널 근처 영역의 보다 상세한 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수신기에서 EDBF 기술들을 사용하는 공정의 흐름도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 송신기에서 EDBF 기술을 사용하는 공정의 흐름도.
본 발명의 보다 완전한 이해는 도면과 관련시켜 생각할 때 상세한 설명 및 특허 청구의 범위를 참조하여 이루어질 수 있으며, 동일한 참조 번호는 도면 전반에 걸쳐 유사한 항목을 의미한다.
도 1은 본 발명의 방법 및 장치가 실시될 수 있는 위성 통신 시스템의 단순화된 블록도를 보여준다. 도 1은 전형적인 스펙트럼 공유 시나리오에서 디지털 빔형성기를 갖는 3개의 인공 위성(110, 120 및 130)을 예시한다. 예시된 바와 같이, 인공 위성(110, 120 및 130)과 지상 기반 통신 장치(115, 125 및 135) 사이에는 여러 가지 통신 경로가 존재한다. 원하는 신호 경로(117)로 나타낸 바와 같이, 인공 위성(110)과 지상 기반 통신 장치(115) 사이에는 링크가 구축된다. 원하는 신호 경로(127)는 인공 위성(120)과 지상 기반 통신 장치(125) 사이에 존재한다. 또한, 다른 원하는 신호 경로(137)는 인공 위성(130)과 지상 기반 통신 장치(135) 사이에 존재한다.
인공 위성(110, 120 및 130)은 정지 궤도 또는 비정지 궤도에 상주할 수 있다. 정지 궤도들에서, 인공 위성은 지구 표면 상에 주어진 임의의 지점에 상대적으로 정지한 채 머무른다. 비정지 궤도들에서, 인공 위성들은 지구 표면 상에 주어진 임의의 지점에 상대적으로 고속으로 이동할 수 있다. 비정지 궤도들에서, 인공 위성들은 정지 궤도에서 인공 위성에 비해 고속으로 이동할 수 있다. 이는 이들 인공 위성이 정지 위성 및/또는 지구 표면 상의 일 지점에 관하여 여러 번 시야에 들어올 수 있음을 의미한다. 지상 기반 통신 디바이스들(115, 125 및 135)은 지구 표면에 근접하게 위치한다.
2개 이상의 통신 경로가 주파수 스펙트럼의 공통 세그먼트를 점유할 때, 이들 경로 내에서 2개 이상의 통신 채널 간의 간섭이 발생할 수 있다. 간섭 경로들은 대부분의 통신 시스템의 문제이다. 원하지 않는 신호 경로들(140)은 인공 위성(110, 120 및 130)과 지상 기반 통신 디바이스들(115, 125 및 135) 사이에 존재한다. 또한, 원하지 않는 신호 경로들(150)은 인공 위성들(110, 120 및 130) 사이에 존재하고, 원하지 않는 신호 경로(160)는 지상 기반 통신 디바이스들(115, 125 및 135) 사이에 존재한다.
인공 위성들(110, 120 및 130)은 인핸스드 디지털 빔형성기(EDBF)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 지상 기반 통신 디바이스들(115, 125 및 135)는 인핸스드 디지털 빔형성기를 채용하는 것이 바람직하다. 인공 위성들(110, 120 및 130) 및 지상 기반 통신 장치들(115, 125 및 135)는 위성 통신 시스템(100)에서 노드로서 관찰될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예의 아래-논의하는 특징들은 위성 통신 시스템(100)의 임의의 노드 또는 기타 무선 주파수(RF) 통신 시스템의 임의의 노드에서 실시될 수 있다.
지상 기반 통신 장치(115, 125 및 135)는 원하는 신호 경로(117, 127 및 137)로 나타낸 원하는 신호 방향들에 구축된 RF 통신 링크를 사용하여 통신 인공 위성(110, 120 및 130)과 통신한다. 지상 기반 통신 디바이스들(115, 125 및 135)는 지상 기지 링크(도시되지 않음)를 사용하여 이 통신 디바이스들(115, 125 및 135)와 같은 다른 지상 기반 통신 디바이스들과 통신한다. 인공 위성들(110, 120 및 130)은 크로스 링크(도시되지 않음)를 사용하여 인공 위성들(110, 120 및 130)과 같은 다른 인공 위성들과 통신한다.
수신 모드에서, 인핸스드 디지털 빔형성기의 수신기 부분은 바람직하게는 임의의 간섭 신호 송신기들의 방향으로 안테나의 수신 패턴에 광역 널을 제공하면서 특정 지상-기지 통신 디바이스에 그의 1차 통신 빔을 지정하기 위해 인공 위성의 안테나 빔을 구성한다. 따라서, 원하지 않는 신호 경로 상에 수신된 임의의 간섭은 현저하게 감소된다. 바람직하게는, 인공 위성의 수신기 안테나 패턴의 광역 널은, 그 인공 위성의 시야 내에서 송신된 각 간섭 신호 수신기를 향해 지향되고 그를 추적한다.
이를 달성하기 위해, 인핸스드 디지털 빔형성기에 대한 제어 매트릭스는 인공 위성 및(또는) 간섭 신호 송신기들이 이동함에 따라 간섭 신호 송신기의 방향으로 널을 유지하도록 주기적으로 조정된다. 따라서, 수신 모드 광역 널은 연속적인 갱신 전략을 사용하지 않고 동적으로 제어된다. 광역 널은 연속적인 갱신 속도로부터 주기적인 갱신 속도로 완화되는 것을 허용한다.
송신 모드에서, 인핸스드 디지털 빔형성기의 송신기 부분은 임의의 알려진 간섭 신호 수신기의 방향으로 송신된 안테나 패턴에 광역 널을 제공하면서 특정 지상 기반 통신 장치에 그의 1차 통신 빔을 바람직하게 지정하기 위해 인공 위성의 안테나 빔을 구성한다. 따라서, 원하지 않는 신호 경로 상의 간섭 신호 수신기에 의해 수신될 수 있는 임의의 신호 에너지는 현저하게 감소된다. 바람직하게는, 안테나의 송신 패턴에서 광역 널은, 그 인공 위성의 시야에 속하는 각 간섭 신호 수신기를 향해 지향되고 그를 추적한다.
이를 달성하기 위해, 인핸스드 디지털 빔형성기에 대한 제어 매트릭스들은 인공 위성 및(또는) 간섭 신호 송신기들이 이동함에 따라 간섭 신호 수신기의 방향들에 널들을 실질적으로 유지하도록 주기적으로 조정된다. 또한, 송신 모드 광역 널들은 연속적인 갱신 전략을 사용하지 않고 동적으로 제어된다. 송신 모드에 광역 널들을 구축하는 것은 연속적인 갱신 속도로부터 주기적인 갱신 속도로 완화되는 것을 허용한다.
바람직한 실시예에서, 광역 널들은 간섭 신호 송신기들 또는 수신기들 쪽으로 지향된 임의의 안테나 패턴에 놓인다. 전형적으로, 통신 채널들은 시선(line-of-sight) 경로가 2개의 노드 사이에 존재할 때만 RF 통신 시스템에서 2개의 노드 사이에 개설된다. 모바일 노드에 대해, 시야(field of view)가 개설된다. 통신 채널에 접지하기 위한 인공 위성의 경우에, 시야의 중심은 인공 위성이 머리 위에 있을 때 일반적으로 발생한다.
따라서, 노드의 송신 및 수신 안테나 패턴들에서 임의의 또는 모든 광역 널은 다른 노드들에 따라 턴 온 및 턴 오프될 수 있다. RF 통신 디바이스(노드)의 수신 및 송신 안테나 패턴에서 광역 널의 위치는 2개 이상의 통신 시스템들이 유효 스펙트럼을 보다 효율적으로 공유할 수 있게 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 송신 및 수신 널은 유사한 방향으로 놓인다
지상 기반 통신 디바이스들(115, 125 및 135)에 채용될 때 인핸스드 디지털 빔형성기는 간섭 신호의 방향으로 광역 널을 지향하면서 원하는 인공 위성에 1차의 안테나 빔(primary antenna beam)을 지정하기 위한 그의 송신 및 수신 안테나 빔 특징들을 조정하는 것이 바람직하다. 도달 방향은 무엇보다도 지상-기지 통신 디바이스의 위치와 연관된 정보를 사용하여 측정될 수 있다.
인공 위성들(110, 120 및 130)에 채용될 때 인핸스드 디지털 빔형성기는 다른 간섭하는 지상 기반 통신 디바이스들의 방향으로 광역 널을 지향하면서 원하는 지상 기반 통신 장치에 그의 1차의 안테나 빔을 지정하기 위한 그의 송신 및 수신 안테나 빔 특성을 조정하는 것이 바람직하다. 도달 방향은 무엇보다도 인공 위성의 위치와 연관된 정보를 사용하여 결정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인핸스드 디지털 빔형성기를 포함하는 송수신기 서브시스템의 단순화된 블록도를 보여준다. 송수신기 서브시스템(200)은 어레이 안테나(220), 복수의 수신기 모듈들(226), 복수의 아날로그 디지털(A/D) 변환기들(228), 복수의 디지털 아날로그(D/A) 변환기들(244), 복수의 송신기 모듈들(246), 데이터 처리기(250) 및 인핸스드 디지털 빔형성기(210)를 포함한다. 인핸스드 디지털 빔형성기(210)는 수신 디지털 빔형성(receive digital beam forming: RDBF) 네트워크(232), 송신 디지털 빔형성(transmit digital beamforming: TDBF) 네트워크(240), 및 제어기(242)를 포함한다.
인핸스드 디지털 빔형성기(210)는 원하는 특징들을 갖는 안테나 빔 패턴을 형성하는 데 필요한 빔 스티어링 및 제어 기능들을 구현한다. RDBF 네트워크(232)로부터 디지털 데이터는 데이터 처리기(250)로 송신된다. TDBF 네트워크(240)는 데이터 처리기로부터 디지털 데이터를 얻는다. 디지털 데이터는 제어를 위한 데이터 뿐만 아니라 송신을 위한 데이터를 포함한다.
어레이 안테나(220)는 선형 2차원 어레이로 바람직하게 배열된 엘리먼트(222)를 포함하지만, 다른 어레이 구성들이 적절할 수 있다. 수신된 무선 주파수(RF) 신호는 엘리먼트 레벨에서 검출되고 디지털화된다.
수신된 신호들에 응답하여, 수신기 모듈들(226)은 아날로그 기저대 신호들을 발생시킨다. 수신기 모듈들(226)은 A/D 변환기들(228)와 같은 정도의 파워 레벨까지 주파수 하향-변환, 필터링 및 증폭 기능들을 수행한다. 아날로그 기저대 신호들은 동위상(I) 및 직교 위상(Q) A/D 변환기를 사용하여 디지털 데이터로 변환된다. I 및 Q 성분들은 각각 복잡한 아날로그 신호 엔벨로프의 실제 부분 및 가상 부분을 나타낸다. 엘리먼트들(222)과 수신기 모듈들(226) 사이에 1 대 1 대응하는 것이 바람직하다.
A/D 변환기(228)는 디지털 I 및 Q 신호들을 생성하기 위해 아날로그 기저대 신호들을 단순화시키고 디지털화시킨다. 각각의 A/D 변환기는 그의 각각의 어레이 엘리먼트에 의해 생성된 처리 신호들로 전용되는 것이 바람직하다. A/D 변환 후, 디지털 I 및 Q 신호들은 RDBF 네트워크(232)에 의해 처리된다.
감소된 간섭, 개선된 성능 및 용량에 있어서의 이득은 어레이 안테나와 함께 EDBF를 사용하는 것을 통해 달성될 수 있다. 전형적으로, 디지털 빔형성은 디지털 신호 처리를 통해 제어되는, 기저대에서 다중, 동시적, 독립적으로 제어되는 빔들의 생성을 의미한다. 디지털 빔형성 구현은 상기 식별된 관련 발명 제5-8호의 동시 계류중인 미국 특허 출원에 기재되어 있다.
인핸스드 디지털 빔형성 용량에 따라, 통신 시스템은 전체 용량 및 서비스의 품질을 최적화시키기 위해 소스들에 빔들을 할당하는 자원 할당 정책을 사용할 수 있다. 빔들은 트래픽 밀도에 따라 변화하는 빔 폭들 및 널 폭들을 갖도록 디자인되었다. 주파수 할당 및 EDBF 기술들은 공통 채널 간섭을 최소화시키기 위해 사용된다.
바람직한 실시예에서, 많은 제어 가능한 수신/송신 엘리먼트로 구성된 어레이 안테나는 인핸스드 디지털 빔형성 기술들에 따라 사용된다. 어레이로부터 빔 패턴은 어레이를 가로지른 선형 위상 가중을 적용함으로써 스티어링될 수 있다. 배열의 패턴은 개개의 엘리먼트들의 출력들의 진폭 및 위상 가중에 의해 성형될 수 있다.
매트릭스 형태의 가중치는 제어기(242)에 의해 RDBF 네트워크(232)로 통과된다. 적절한 알고리즘을 사용함에 따라, RDBF 네트워크(232)는 각각의 방사 엘리먼트(radiating element: 222)에 대한 적절한 가중치를 결정한다. 이는 안테나 시스템의 전체적인 데이터 처리량에 비해 상대적으로 느린 속도로 행해질 수 있다. 제어기(242)는 시스템 동력학에 의존하는 속도로 아래 논의되는 공정 및 프로세스를 수행한다.
RDBF 네트워크(232)는 각각의 방사 엘리먼트(222)로부터 수신된 신호들을 나타내는 디지털 I 및 Q 신호를 데이터 처리기(250)에 제공한다. 디지털 신호들은 각각의 엘리먼트에 의해 수신된 신호들에 대한 진폭 및 위상 정보를 나타내는 동위상(I) 및 직교 위상(Q) 정보를 포함한다. 데이터 처리기(250)는 다른 서브시스템들에 의해 사용하기 위한 이러한 디지털 I 및 Q 데이터를 변환시킨다.
데이터 처리기(250)는 TDBF 네트워크(240) 및 제어기(242)에 디지털 데이터를 제공한다. 제어기(242)는 매트릭스 형태의 전송 빔 가중치를 TDBF 네트워크(240)에 제공한다. 적절한 알고리즘을 사용함으로써, TDBF 네트워크(240)는 각각의 방사 엘리먼트(222)에 대한 적절한 가중치를 적절히 결정한다. 바람직하게는, 송신 빔 가중치는 어레이-안테나(220)의 각각의 송신 방사 엘리먼트(222)에 대응하도록 제공된다. 아래 논의되는 공정을 사용함으로써, 제어기(242)는 두 송신 및 수신 공정에 적절한 가중치를 적절히 결정한다.
D/A 변환기(244)는 TDBF 네트워크(240)의 각각의 방사 엘리먼트에 대한 디지털 출력 신호들을 각각의 방사 엘리먼트(222)에 대한 대응하는 아날로그 신호들로 변환시킨다. 송신기 모듈(246)은 방사 엘리먼트(222)에 의한 송신에 적절한 신호를 발생시킨다. 바람직하게는, 송신 모듈(246)은 주파수 상향-변환, 필터링 및 증폭 기능을 수행한다.
도 2에 도시된 송수신기 서브시스템(200)은 무엇보다도 빔 패턴을 적절히 조정하고, 간섭 데이터에 응답하여 광역 널들을 생산하기 때문에 고정 빔 안테나를 갖는 종래 시스템에 비해 장점들을 갖는다. 또한, 송수신기 서브시스템(200)은 통신 서비스들에 대한 요구에 응답하여 안테나 빔 패턴들을 제공하고, 원하지 않는 RF 신호들의 개선된 널링을 제공한다. 이들 특징들은 제어기(242) 및 데이터 처리기(250)에 내장된 적절한 소프트웨어를 통해 구현된다.
데이터 처리기(250)는 1개 이상의 처리기를 사용하여 구현될 수 있다. 데이터 처리기(250)는 그의 명령으로서 작용하고, 데이터 처리기(250)에 의해 실행될 때 송수신기 서브시스템(200)이 아래 논의되는 공정을 수행하게 하는 데이터를 저장한다.
데이터 처리기(250)는 관리 및 제어 기능을 제공한다. 데이터 처리기(250)는 송수신기 서브시스템(200) 간의 링크에 대한 타임 슬롯 할당 및 주파수 할당을 제공하기도 하는 것이 바람직하다.
제어기(242)는 1개 이상의 병렬 처리기들을 사용하여 구현될 수도 있다. 제어기(242)는 또한 명령으로서 역할을 하고, 제어기(242)에 의해 실행될 때 인핸스드 디지털 빔형성기(210)가 아래 논의되는 공정들을 수행하게 하는 데이터를 저장하기도 한다. 제어기(242)는 또한 디지털 신호 처리기들을 사용하여 구현될 수 있다. 제어기(242)는 디지털 신호 처리기들을 사용하여 구현될 수도 있다. 제어기(242)는 대수 변환기들, 역 대수 변환기들, 및 병렬 처리기들을 포함할 수 있는 특수 처리기를 사용하여 구현될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 다수의 인핸스드 디지털 빔형성기(210)가 송수신기 서브시스템(200)에 사용된다. 송수신기 서브시스템(200)은 통신 시스템(100)(도1)에서 적어도 하나의 하위 지구 궤도(Low Earth Orbit:LEO) 위성에 포함된다. 그러나, 본 발명은 하위-지구, 중위-지구 또는 상위-지구 궤도들의 인공 위성을 포함하는 시스템들 또는 상이한 고도들에 있는 인공 위성들을 포함하는 시스템에 적용될 수 있다. 추가로, 임의의 경사각(angle of inclination)을 갖는 궤도에 적용될 수 있다. 당업자들은 많은 상이한 구조물들이 송수신기 서브시스템(200) 및 인핸스드 디지털 빔형성기(210)에서 유용할 것이라고 인식할 수 있을 것이다.
바람직한 실시예에서, 다수의 인핸스드 디지털 빔형성기(210)가 또한 지상 기반 통신 장치에 사용될 수 있다. 점점 더 많은 인공 위성들이 서비스에 투입됨에 따라, 지상 기반 통신 디바이스들이 점점 더 치밀해지는 간섭 환경에서 동작하기 위하여 필요로 된다. 경우에 따라, 인공 위성들은 동일한 통신 시스템의 일부이고, 경우에 따라, 인공 위성은 상이한 통신 시스템의 일부이다.
표준 디지털 빔형성은 협대역 널들(narrow nulls) 때문에 사이드로브 구조의 분리(isolation)보다 빔들 사이의 분리(isolation)을 증가시키는 데 효과적이다. 전형적으로, 각각 형성된 빔은 간섭 빔의 규정된 보기 방향(look direction)쪽으로 단일 널을 보여줄 수 있다. 그러나, 표준 디지털 빔형성은 특히 점착성 빔들(sticky beams)의 환경에서 포인팅 에러들, 대역폭 및 궤도 동력학에 대한 그의 감도에 관하여 고려될 때 제한된다. 점착성 빔은 인공 위성이 머리 위로 이동하는 동안 지구 표면 상에 실질적으로 고정된 채 머무르는 종점을 갖는 빔들이다. 할당된 빔 방향들이 실제 빔 방향들로부터 벗어날 때, 예리한 널들(sharp nulls)은 실제 방향들과 일치하지 않는다. 이는 할당된 빔 방향이 빔들에 관하여 더 이상 집중되지 않기 때문에 발생한다. 결과적으로, 표준 디지털 빔형성은 한계 이익을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 표준 빔형성의 협대역 널들의 제한된 효과는 광역 널들을 생산하기 위한 기본 알고리즘을 향상시킴으로써 제거된다. 이들 광역 널은 경우에 따라 빔대역의 실질적인 부분이고, 다른 경우들에서는 이들 널은 보다 넓어진다. 결과적인 인핸스드 디지털 빔형성 기술은 빔 포인팅, 스캐닝 및 대역폭 관련 에러들에 보다 허용성이 높다.
표준 DBF 용도에 사용되어 온 하나의 알고리즘은 최상의 선형 비편향 추정기(best linear unbiased estimator:BLUE)이다. 이러한 알고리즘은 원하는 신호 추정치에서 최소 편차를 달성하기 위한 어레이의 가중 계수를 조정한다. BLUE 알고리즘은 각각의 빔에 대한 모든 다른 사용자들의 방향으로 심층 널들을 강제하므로, 포인팅 에러에 민감할 수 있다. EDBF 기술은 그의 효과를 증가시키기 위해 BLUE 알고리즘과 사용될 수 있다.
인핸스드 디지털 빔 형성 알고리즘은 선형 안테나 어레이를 위해 아래 공식화된다. 원하는 보기 방향의 세트가 주어지면, 행들이 안테나 엘리먼트들 위로의 가중치인 복소수 값의 변형 매트릭스 T가 유도된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, T 매트릭스는 이들 사이에 공동 광역 널들을 나타내면서 원하는 방향들에 따라 빔을 생산하도록 최적화된다. 이러한 경우, 별개의 신호들의 도달각(AOA)에 관한 정보가 이용될 수 있다.
빔 보기 방향들은 시스템에 제공된 AOA들의 추정치들에 대응한다. AOA들이 정확할 때, 임의의 주어진 빔은 1차 자신의 원하는 신호를 수신하는 한편, 모든 다른 신호들은 형성된 광역 널들에 의해 최대로 널링된다(nulled out). 그러나, AOA가 정확하지 않을 때, 대응하는 빔 및 널은 변위될 것이다. 결과적으로, 원하는 신호들은 적은 양의 신호 레벨을 손실한다.
도 3은 K개의 전방향 안테나 엘리먼트들(K omni-directional antenna element)의 어레이 및 상이한 소스로부터의 J개의 입사 평면파들을 예시한다. 이들 소스들은 어떤 경우에 수신기들이고, 다른 경우에 송신기들이다. 수신기들 및 송신기들은 원하는 신호 소스들 및(또는) 원하지 않는 신호 소스들일 수 있다. 간단히 예시하기 위해, 동작의 단일 주파수 f가 가정되고, 1/2 파장(λ/2)의 균일한 엘리먼트 간격이 존재한다.
x축을 따라 λ/2 유닛의 단위 간격으로 균일하게 이격된 K개의 안테나 엘리먼트 위치들(310)의 실수-값 벡터인 것으로 정의하자. 또한, s는 J개의 입사 평면파들(320)의 복소수 엔벨로프들을 나타내고, φ는 대응하는 도달각들(330)이라고 하자. 다시 말해, 하기 식을
Figure 112006003817997-pct00001
각각 안테나 위치 벡터, 입사 신호 벡터 및 도달각 벡터를 정의하는 수학식의 세트라고 하자. 이어서, K개의 안테나 엘리먼트들 상으로 수신된 신호 벡터
Figure 112006003817997-pct00002
는 하기 형태이다:
삭제
Figure 111999007352456-pct00003
여기서, A는 열들이 도달각에 대응하는 스티어링 벡터, φ의 성분이고, n이 제로-평균 부가 잡음 벡터인 K × J 복소수-값의 스티어링 매트릭스이다. 더 구체적으로는
Figure 111999007352456-pct00004
여기서, aj는 j번째 스티어링 벡터이다. 이는 각 φj에서 입사되는 평면파 신호로 인해, K 안테나 엘리먼트 상의 위상 쉐이딩(phase shading)을 나타낸다.
디지털 빔 형성의 목적은 입사 신호 벡터 s의 최적 추정치를 생성하기 위해 수신된 신호 벡터
Figure 111999007352456-pct00005
상에서 동작할 수 있는 변형 매트릭스 T를 유도하는 것이다. 다시 말해, r이 주어지면, 적절한 최상 기준을 만족시키는 s의 추정치가 얻어져야 한다. 더 상세하게는 적절한 추정치
Figure 111999007352456-pct00006
는 매트릭스를 최소화시키는 s의 값이다.
Figure 111999007352456-pct00007
수학식(4)의 구배를 아래와 같이 0으로 설정하여
Figure 111999007352456-pct00008
바람직한 추정치를 생성한다:
Figure 111999007352456-pct00009
여기서, J × K 변형 매트릭스는 아래와 같이 정의하여
Figure 111999007352456-pct00010
입사 신호 벡터의 최적 추정치를 얻는다.
Figure 111999007352456-pct00011
수학식(6)에서 추정치는 때때로 최상의 선형 비편향 추정치(BLUE)라 칭해진다. 이러한 경우, 최상은 최적을 의미하고; 선형은 추정치가 수학식(8)에 나타낸 바의 선형 오퍼레이터를 포함하는 것을 나타내고, 비편향은 에러 매트릭스(4)가 잡음 공분산(noise covariance)에 의해 표준화된다는 사실을 분명히 나타낸다.
안테나 엘리먼트와 연합된 잡음 벡터 성분이 독립적인 제로-평균, 및 등-편차 (
Figure 112006003817997-pct00012
)를 만족시키는 것으로 가정될 때, 잡음 공분산 매트릭스는 하기 식으로 되고
Figure 111999007352456-pct00013
수학식(6)에 의해, 변형 매트릭스는 하기 식과 같이 단순화된다.
Figure 111999007352456-pct00014
이는 추정치의 에러
Figure 111999007352456-pct00015
가 Tn인 것을 나타내는 하기 식을 유도한다.
Figure 111999007352456-pct00016
이러한 추정 에러의 상대적인 크기는 추정치의 질과 분명히 연관된다. T의 행이 n과 상관되지 않는다는 가정과 같은 적절한 통계적 가정 하에, 추정된 신호는 하기 근사치로 제공되는 것을 알 수 있다.
Figure 111999007352456-pct00017
현저하게는, 잡음의 부재 하에, 추정치
Figure 111999007352456-pct00018
는 실제 입사 신호 벡터 s와 동일하다. 수학식(2) 및 (8)에서, 이는 하기 식을 유도한다.
Figure 111999007352456-pct00019
여기서, r은 수신된 신호 벡터
Figure 111999007352456-pct00020
의 잡음 없는 버전이다. 분명히, T는 수신된 신호 벡터 r로부터 입사 신호 벡터 s를 추출할 수 있는 필터로서 작용한다. 바람직하게는, T와 r의 행의 각각의 스칼라 곱(dot product)은 다른 모든 것들을 완전히 여과하면서 대응하는 입사 신호를 추출한다. 이는 T의 J 행들이 그들 사이에 상호적인 널을 유지하면서, 대응하는 도달각 φ을 따라, 공간적 통과 대역 필터 또는 빔을 형성한다고 말하는 점에서 동일한 가치를 지닌다.
큰 안테나 어레이를 갖는 통신 위성 상의 인핸스드 디지털 빔 형성은 내장 디지털 신호 처리(DSP) 서브시스템으로부터 실질적인 컴퓨터 지원을 필요로 한다. 궤도 동력학 및 신속-이동 또는 점착성 빔들에 대한 수요는 컴퓨터 로드를 현저히 증가시킬 수 있다. 인공 위성이 그의 궤도에서 진행함에 따라, 지구 표면 상의 특정 지점에 빔을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 바람직하게는, 이는 원하는 신호 및 원하지 않는 신호와 연관된 각들(방향들)로 적절한 진행성 위상 증분을 부가함으로써 수행될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 공동 광역 널들은 원시 각들 둘레로 집중된 각들의 치밀한 클러스터들에 의해 원시 도달각 φ을 대체함으로써 달성된다. 이는 다중의 가깝게 이격된 널들로 되게하고, 원시 각 둘레의 효율적인 광각 거부(angular rejection)를 얻는다. 바람직하게는, 클러스터들은 3개의 도달각들을 포함하고, 그 중 2번째 것은 원시각들 중의 하나와 동일할 수 있다. 전형적으로, 스페이싱은 균일할 필요가 없지만, 연속적인 클러스터 각들 간의 각 분리는 어레이의 빔 폭의 작은 부분이다. 바람직하게는, 합리적인 도달각 세트로서 모든 클러스터 각들 세트를 사용함으로써, 광역 공동 널을 갖는 빔들이 형성된다.
광역 널들은 기본적인 클러스터링 접근법에 대한 약간의 변형으로 달성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제1 원시 도달각 φ1은 도달각의 하나의 리스트 ψ로 모든 다른 원시 도달각들과 연관된 클러스터와 조합된다. 이어서, 도달각의 증가된 리스트에 표준 DBF 기술을 적용하는 것은 클러스터가 존재하지 않기 때문에 원시 방향(φ1)으로 하나의 양호한 빔(good beam)을 생산한다. 이는 인핸스드 디지털 빔형성(EDBF)으로서 알려져 있다. 각각의 원시 도달각의 대해 이러한 공정을 조직적으로 반복함으로써 광역 공동 널들을 갖는 필요로 되는 빔을 생산한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EDBF 공정의 흐름도를 예시한다. 공정(400)은 단계(402)에서 시작한다.
단계(404)에서, 도달각들이 결정된다. 도달각들은 아래와 같이 기재된다:
Figure 111999007352456-pct00021
단계(406)에서, 널들의 클러스터는 각각의 도달각에 대해 생성된다. 클러스터들은 아래와 같이 기재된다:
Figure 111999007352456-pct00022
단계(408)에서, 인핸스드 변환 매트릭스는 아래 나타낸 바와 같이 빈 리스트로 설정된다:
Figure 111999007352456-pct00023
단계(410)에서, 카운팅 변수(N)가 1로 초기화된다. 단계(412)에서, 편평해진 리스트는 N(번째) 도달각 및 모든 다른 신호들로부터 각들의 클러스터들을 사용하여 생성된다. 다시 말해, 첫 번째 원시 도달각은 아래 나타낸 바와 같이 각들의제1 클러스터를 제외한 모든 각들과 조합된다.
Figure 111999007352456-pct00024
여기서, t =(J-1)(2I-1)-1이다.
단계(414)에서, 스티어링 매트릭스는 아래 식을 사용하여 계산한다:
Figure 111999007352456-pct00025
단계(416)에서, 표준 변형 매트릭스의 제1 행은 하기 식으로부터 계산된다:
Figure 111999007352456-pct00026
단계(418)에서, 제1행은 인핸스드 변환 매트릭스(Te)에 첨부된다. 단계(420)에서, 카운팅 변수(N)는 1씩 증가된다.
단계(422)에서, 계산될 추가의 원하는 신호가 존재하는지 여부를 결정하기 위한 질의가 수행된다. 모든 원하는 신호가 계산되었을 때, 공정(400)은 단계(430)로 진행되고, 종료된다. 다시 말해, φ={}인 경우, Te로 복귀하고 공정을 종료시킨다. 모든 원하는 신호가 계산되었을 때, 공정은 단계(424)로 진행된다.
단계(424)에서, 클러스터들이 회전된다. 바람직하게는, 이는 φ의 제1 엘리먼트를 탈락시키고, x를 좌측으로 회전시키는 것을 의미한다. 단계(424) 후, 공정(400)은 단계(412)로 복귀하고 도 4에 나타낸 바와 같이 반복된다.
상기 나타낸 바와 같이, 인핸스드 변환 매트릭스(Te)는 빈 리스트로서 시작되고, φ에서 각각의 원시 도달각에 대하여 귀납적으로 한번에 한 행씩 만들어 진다. 바람직하게는, 단계(412-424)를 통해 각각의 루프에 대해, 표준 DBF 매트릭스(Ts)의 제1 행은 Te에 부가되고, φ의 선도 엘리먼트는 탈락되며, 각 클러스터 리스트 ψ는 좌측으로 회전된다. 따라서, φ의 모든 엘리먼트가 사용되었을 때, 공정(400)은 인핸스드 변환 매트릭스를 리턴하고, 연산 공정은 종료한다.
도 5는 EDBF 기술들을 사용하여 생산된 빔(510) 및 널(광역 널)(520)의 클러스터(광역 널)의 광각(wide angle) 도면을 나타낸다. 16-엘리먼트 선형 어레이 및 2개의 도달각들에 대한 EDBF 및 표준 DBF를 사용하여 계산이 수행되었다. 이 실시예에서, 원하는 빔(신호)(510)은 45도이고, 원하지 않는 신호는 135도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 빔 패턴에서 널들 부근의 영역의 세부도를 보여준다. 도 6에서, 4도의 세그먼트(four degree segment)(도 5로부터)가 본 발명의 EDBF 기술들을 사용하여 얻어진 광역 널(610)의 유효도를 추가로 예시하기 위해 도시된다. 협대역 널(620)은 비교를 위해 도시된다. 협대역 널(620)은 표준 DBF 기술들을 사용한 결과이다. 도시된 바와 같이 협대역 널(620)은 단일각에서만 효과적이다. 협대역 널(620)은 적은 부분의 정도에 미친다. 즉, 이는 단일 지점에서 -60데시벨 레벨을 달성한다. EDBF 기술로부터 초래되는 광역 널(610)은 다수 각도(several degrees)의 폭이고, 즉, 이는 광범위에 걸쳐 -60데시벨 레벨을 달성한다. 광역 널(610)은 원하지 않는 신호에 의해 유발된 간섭을 최소화시키는데 매우 효과적으로 사용될 수 있다.
동일한 16-엘리먼트 어레이 예의 2개의 사전 형성된 빔이 0.5도로 주사되는 경우 추가의 산출이 수행되었다. 이러한 시뮬레이션 결과들은 광역 널이 0.5도의 동일량만큼 빔들을 추적하는 것을 나타낸다. 이들 결과는 인핸스드 디지털 빔형성이 종래의 스캔 가능한 빔들의 성능에 비해 한계 성능을 제공하는 것을 보여준다.
디지털 빔형성은 아마도 통신 시스템의 작동 대역폭의 중심 주파수인 동작의 단일 주파수에 대해 공식화되었다. 협대역 시스템들에 대해, 대역폭 B가 캐리어 주파수 fc 의 적은 부분인 경우, 누구나 대역을 가로지른 fc 에 DBF 공식을 안전하게 적용함으로써, 대역 에지들에 매우 적은 성능 저하를 일으킬 수 있다. 그러나, 비대역폭 B/fc 이 증가함에 따라, 저하 자체는 증가된 널 이동에서 증명된다. 이는 큰 비대역폭들(large fractional bandwidths)을 갖는 시스템에 대해 표준 DBF 성능을 제한하고자 하는 부적당한 현상이다.
EDBF는 대역폭으로 인한 이러한 저하를 최소화시킨다. EDBF는 간섭을 완화시키기 위해 광역 공동 널을 제공함으로써, 위성 통신 시스템의 효과에 부가된다. 보다 큰 대역폭에 대해, 채널화 기술은 EDBF 기술들과 함께 사용될 수 있다. 보다 큰 대역폭인 경우, 작동 대역은 허용되는 EDBF 성능을 지원하기 위해 충분히 적은 서브대역으로 분할된다.
인핸스드 디지털 빔형성 알고리즘에 의해 형성된 빔 패턴은 동작을 수신하고 송신하는데 동등하게 잘 적용되고, 목적하는 바와 같이 디지털로 조정될 수 있다. 스티어링 정도가 빔 대역의 분획으로 제한되는 경우, 광역 널은 모두 스티어링될 것이고, 따라서, 원하지 않는 공동-채널 간섭은 연속적으로 억제된다. 이는 인핸스드 디지털 빔형성기에 대한 T 매트릭스가 표준 DBF에 대한 T 매트릭스와 같이 종종 갱신되지 않음을 의미한다.
인핸스드 디지털 빔형성 알고리즘은 협대역 및 광역 공동 널들 또는 더 일반적으로 원하는 폭의 공동 널들의 조합을 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 융통성은 상이한 빔 폭들 및 상이한 널 폭들을 갖는 동시 발생하는 빔들을 허용한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수신기에서 EDBF 기술들을 사용하는 공정의 흐름도를 예시한다. 공정(700)은 단계(702)로 시작한다.
단계(704)에서, 원하는 신호들의 수가 식별되고, 도달 방향은 원하는 신호들 각각에 대해 결정된다. 경우에 따라, 단일 원하는 신호가 고려된다. 다른 경우, 많은 원하는 신호들이 고려된다.
단계(706)에서, 원하지 않는 신호들의 수가 식별되고, 도달 방향은 이들 원하지 않는 신호들 각각에 대해 결정된다. 경우에 따라, 단일의 원하지 않는 신호가 고려된다. 다른 경우, 많은 원하지 않는 신호들이 고려된다.
본 명세서에 공개된 인핸스드 디지털 빔형성 알고리즘은 효과적으로 기능하기 위하여 도달 정보의 방향을 필요로 한다. 바람직한 실시예에서, GPS-보조 위치 시스템은 도달 방향들을 유도하기 위해 사용된다. 또 다른 실시예에서, 도달각 정보는 입사 소스들의 방향들을 정확히 지정하기 위해 현존하는 모든 또는 부분 어레이를 사용하는 방향 발견 서브시스템에 의해 공급될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 도달각은 2차원으로 결정된다. 다른 실시예에서, 도달각은 3차원으로 결정된다.
단계(708)에서, 널링 전략은 수신 모드에서 결정된다. 널링 전략은 광역 널을 특성화하는 것을 포함한다. 광역 널들은 널들의 클러스터를 포함한다. 유효 범위가 구축된다. 유효 범위는 광역 널의 폭을 결정한다. 유효 범위는 각각의 원하지 않는 신호에 대해 상이할 수 있다.
또한, 광역 널을 구축하기 위해 사용된 협대역 널들의 수 역시 결정된다. 바람직한 실시예에서, 클러스터 내의 협대역 널들의 최소수는 3이다. 경우에 따라, 각각의 원하지 않는 신호는 그와 연관된 광역 널을 갖는다. 다른 경우, 원하지 않는 신호들의 일부는 그들과 연관된 광역 널을 갖지 않는다.
일부 실시예에서, 양자화는 널링 전략을 개발할 때 유념해야 할 이슈이다. 빔들의 수 및 이들의 상대적 위치는 널링 전략의 요인일 수 있다.
널링 전략은 알려지지 않은 간섭 신호 소스들의 수에 의해 영향을 받을 수 있다. 하나의 방향 또는 간섭 소스가 생략되거나 또는 알려지지 않은 경우, 인핸스드 디지털 빔형성기는 그 방향에 대한 원하지 않는 신호를 구축하지 않는다. 이러한 경우, EDBF는 그의 다른 빔 패턴의 방향에서 널을 나타내지 않는다. 이는 경쟁 시스템이 빔형성기에 의해 알려지지 않고 무시되는 1개 이상의 입사 신호에 기여할 때 발생할 수 있다. 바람직한 실시예에서, EDBF는 이들의 방향이 알려짐에 따라 이물질 소스의 방향으로 널을 형성한다. 다른 실시예에서, 널은 의심되는 간섭 신호를 커버하기 위해 광역화될 수 있다.
단계(710)에서, 인핸스드 변환 매트릭스는 도 4에 나타낸 공정을 사용하여 결정된다. 단계(712)에서, 안테나 어레이에 대한 가중 인자들이 결정된다. 가중 인자는 인핸스드 변환 매트릭스로부터 결정된다.
단계(714)에서, 원하는 신호 및 원하지 않는 신호는 수신기에 의해 수신되고 처리된다. 원하는 신호에 대한 레벨은 최소화되고, 적어도 하나의 원하지 않는 신호들에 대한 레벨은 광역 널을 사용하여 최소화된다. 공정(700)은 단계(716)에서 종료된다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 송신기에서 EDBF 기술을 사용하는 공정의 흐름도를 예시한다. 공정(800)은 단계(802)로 시작한다.
단계(804)에서, 다수의 원하는 신호에 대하여 신호 레벨 및 방향은 결정된다. 경우에 따라, 단일 빔이 사용된다. 다른 경우, 많은 빔들이 많은 원하는 신호들을 지원하기 위해 필요하다.
단계(806)에서, 다수의 원하지 않는 신호에 대하여 신호 레벨 및 방향은 결정된다. 이들 원하지 않는 신호 각각에 대하여 송신 방향은 결정된다. 송신기의 경우, 원하지 않는 신호들은 이러한 신호에 의해 역으로 영향받는 알려진 수신기를 나타낸다. 이들 알려진 수신기에서 간섭의 허용되는 레벨을 구축하는 신호 레벨이 역시 결정된다. 경우에 따라, 단일의 원하지 않는 신호가 고려된다. 다른 경우, 많은 원하지 않는 신호들이 고려된다.
본 명세서에 기재된 인핸스드 디지털 빔형성 알고리즘은 효과적으로 기능하기 위하여 송신 정보의 방향을 필요로 한다. 바람직한 실시예에서, GPS-보조 위치 시스템은 송신 방향을 유도하기 위해 사용된다. 다른 실시예에서, 송신 정보에 대한 각은 지상-기지 서브시스템에 의해 공급될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 전송각은 2차원으로 결정된다. 다른 실시예에서, 전송각은 3차원으로 결정될 수 있다.
단계(808)에서, 널링 전략이 구축된다. 널링 전략은 광역 널을 특성화하는 것을 포함한다. 광역 널들은 널들의 클러스터를 포함한다. 유효 범위는 각각의 광역 널에 대한 폭을 결정한다. 유효 범위는 각각의 원하지 않는 신호에 대해 상이할 수 있다. 유효 범위는 송신기의 상대적 위치에 기초하여 변화할 수도 있다. 예를 들면, 공간 기초 송신기 상의 광역 널에 대한 유효 범위는 그의 상대적 위치 변화에 따라 변화한다.
또한, 각각의 광역 널을 구축하기 위해 사용된 협대역 널들의 수 역시 결정된다. 바람직한 실시예에서, 클러스터 내의 협대역 널의 최소수는 3이다. 경우에 따라, 각각의 원하지 않는 신호는 그와 연관된 광역 널을 갖는다. 다른 경우, 원하지 않는 신호들의 일부는 그들과 연관된 광역 널을 갖지 않는다.
일부 실시예에서, 양자화는 송신기에 대한 널링 전략을 개발할 때 유념해야 할 이슈이다. 빔들의 수 및 이들의 상대적 위치는 널링 전략의 요인들일 수 있다.
널링 전략은 부정확한 위치에서 수신기에 널을 제공하려 시도함으로써 영향을 받을 수 있다. 수신기에 대한 방향이 알려지지 않은 경우, 인핸스드 디지털 빔형성기는 그 방향으로 광역 널을 형성하지 않는다. 이는 1개 이상의 시스템이 적용 범위를 공유하고자 할 때 발생할 수 있다. 바람직한 실시예에서, EDBF는 이들의 정확한 방향이 알려지지 않은 경우 이들 미확인 수신기의 방향의 널을 형성하지 않는다. 다른 실시예에서, 널은 의심되는 영역을 커버하기 위해 광역화될 수 있다.
단계(810)에서, 인핸스드 변환 매트릭스는 도달각에 대해 치환된 전송각을 갖는 도 4에 나타낸 EDBF 공정을 사용하여 결정된다. 단계(812)에서, 안테나 어레이에 대한 가중 인자들이 결정된다. 가중 인자들은 인핸스드 변환 매트릭스로부터 결정된다.
단계(814)에서, 메인 빔은 원하는 방향으로 전송되고, 광역 널은 원하지 않는 신호 수신기로 지향된다. 원하는 신호 방향으로 전송된 신호에 대한 레벨은 최소화되고, 적어도 하나의 원하지 않는 신호 방향으로 전송된 신호 레벨은 광역 널을 사용하여 최소화된다. 공정(800)은 단계(816)에서 종료된다.
무엇보다도 더 큰 분리가 충분한 간격을 보장하기 위해 빔들 중에서 필요하기 때문에, 보다 낮은 적용 범위 효율이 현재 시스템에서 발견될 수 있다. 본 발명에 사용된 인핸스드 디지털 빔형성 기술은 광역 공동 널 때문에 빔들 중에서 간격을 증가시키는 데 효과적이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 공동-채널 빔은 광역 공동 널에 의해 제공된 부가된 간격의 강도 때문에 더 근접하게 위치한다.
인핸스드 디지털 빔 형성은 본질적으로 개방형-루프 개념이다. 빔형성기에 필요한 입력은 빔이 형성되는 바람직한 보기 방향의 세트이다. 따라서, 이들 방향이 정확하지 않은 경우, 빔은 실제 소스로부터 탈선된다. 보다 현저하게는, 공동 널은 이들의 이상적인 위치로부터 이동될 것이고, 전체적인 성능을 저하시킨다. 인핸스드 디지털 빔형성 기술을 사용하여 구축된 안테나 패턴은 광역 널로 인한 부정확을 더 잘 견딘다.
이들 안테나 패턴은 포인팅 에러 및 기타 부정확의 존재 하에 간섭 신호를 거부하는 능력을 갖는다. 간섭 거부량은 널에 대한 유효 범위 정도 및 유효 범위 내에서 제공되는 협대역 널들의 수에 기초한다. 유효 범위 및 널들의 수는 빔 패턴 내에 광역 널을 구축하도록 변화되고, 이들 광역 널은 간섭 신호 방향으로 위치한다.
인핸스드 디지털 빔형성 계산은 필요한 바와 같이 행해진다. 갱신 속도는 원하는 그리고 원하지 않는 송신기 및 수신기에 상대적인 인공 위성 위치 변화를 포함하는 많은 인자에 좌우된다. 예를 들면, 상승각의 변화율이 0.0569°/sec인 경우, 이는 프레임의 길이가 90msec라는 가정 하에 0.005°/프레임에 대응한다. 빔형성기의 정정이 0.5°마다 요구되는 경우, AOA 정보는 100번째 프레임마다 갱신될 필요가 있다. 이는 디지털 신호 처리기를 사용하여 행할 수 있다. 그러나, 이들 산출은 단지 변형 매트릭스 T를 형성하기 위한 것이다. 빔을 형성하기 위해, 이러한 변형은 데이터에 대해 수행되어야 한다. 이러한 동작은 선형 변형을 계산하는 것보다 단순하지만, 이 동작은 훨씬 더 자주 행해져야 하기 때문에 처리 속도 요건을 지배한다. 바람직한 실시예에서, 이러한 처리 속도는 특수한 병렬 처리기를 사용하여 달성된다. 이는 EDBF에 대한 선형 변형을 추출하기 위해 사용된 기준 또는 방법과 무관하게 적용된다.
다른 실시예에서, 처리기는 대수 번호 시스템(LAS) 연산을 사용한다. LAS-기지 연산은 곱셈 동작이 승산기 대신에 가산기로 수행될 수 있기 때문에 장점을 제공한다. 디지털 가산기 회로는 필적하는 승산기 회로보다 훨씬 더 작은 경향이 있다. 따라서, 빔형성 처리기의 크기는 LNS-기지 연산 유닛을 포함시킴으로써 감소될 수 있다.
LNS-기지 처리기는 로그 변환기, 합산 회로, 가중 회로 및 역-로그(로그-1) 변환기를 포함할 수 있다. 로그 변환기 및 역-로그 변환기는 상기-식별된 관련 발명 번호 1-4의 동시-계류중인 미국 특허 출원에 기재된 임의의 변환기를 사용하여 구현될 수 있다.
인핸스드 디지털 빔형성 알고리즘은 안테나 개구 테이퍼의 존재 또는 부재 하에 사용될 수 있고, 빔 해상도는 테이퍼에 따라 변화할 수 있다. 전형적으로, 배치될 수 있는 안테나 어레이는 동일한 양의 빔 확대량을 소비하면서, 충분히 낮은 사이드로브 구조를 제어 및 유지하기 위한 개구 테이퍼를 갖는다. 개구 테이퍼는 예측하지 않은 사이드로브 간섭에 대항하는 측정치로서 종래의 어레이 디자인에 사용된다.
바람직한 실시예에서, 개구 테이퍼는 인핸스드 디지털 빔형성에 따라 사용된다. 시뮬레이션은 약간 더 넓은 빔 및 하위 사이드로브 구조를 제외하고, 개구 테이퍼는 인핸스드 디지털 빔형성에 대한 유해 효과를 거의 갖지 않는 것으로 보인다. 다른 실시예에서, 여러 가지 개구 테이퍼 기술은 인핸스드 디지털 빔형성기와 함께 유리하게 조합될 있다.
본 발명의 방법 및 장치는 인공 위성 통신 시스템의 능력은 광역 널을 갖는 안테나 패턴을 사용함으로써 크게 향상될 수 있게 한다. 간섭 신호의 효과를 최소화시키기 위해 광역 널을 사용함으로써 여러 가지 임무에 대해 최적화될 수 있고, 추가 비용 이익은 본 발명의 방법 및 장치를 사용하는 시스템에 의해 증가될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 앞서 기재하였다. 그러나, 당업자들은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 변화 및 변형이 실시예에서 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들면, 바람직한 실시예는 빔형성기에 대한 특수 블록도를 사용하는 견지에서 기재하였지만, 상이한 블록도를 사용하는 다른 시스템이 계획될 수 있다. 따라서, 당업자들에게 명백한 이들 및 다른 변화 및 변형은 본 발명의 범위에 속하도록 의도된다.

Claims (12)

  1. K개의 원하지 않는 신호들(여기서, K는 정수임)로부터의 간섭을 완화시키기 위한 위성 작동 방법으로서,
    상기 위성에 의한 수신을 위해 원하는 신호들의 제 1 수를 식별하는 단계;
    상기 제 1 수의 신호들 중 하나에 대한 빔 방향을 결정하는 단계;
    상기 위성이 이동함에 따라 상기 빔 방향을 추적하는 단계;
    상기 위성의 시야(field of view:FOV) 내의 원하지 않는 신호들의 제 2 수를 식별하는 단계로서, 상기 원하지 않는 신호들의 제 2 수는 상기 K개의 원하지 않는 신호들을 포함하는, 상기 식별 단계;
    상기 K개의 원하지 않는 신호들 중 적어도 하나 또는 널 방향(null direction)을 결정하는 단계;
    상기 위성이 이동함에 따라 상기 널 방향을 추적하는 단계; 및
    상기 K개의 원하지 않는 신호들로 지향된 적어도 하나의 광역 널(wide null)을 제공함으로써 상기 K개의 원하지 않는 신호들 중 상기 적어도 하나로부터 간섭을 완화시키는 단계로서, 상기 적어도 하나의 광역 널은, 상기 위성이 이동함에 따라 주기적으로 재지향되는 널들의 제 3 수를 포함하고, 상기 널들의 제 3 수는 인핸스드 디지털 빔 형성(enhanced digital beam forming:EDBF) 알고리즘과 인핸스드 변환 매트릭스를 사용하여 결정되는, 상기 간섭 완화 단계를 포함하고,
    상기 인핸스드 디지털 빔 형성(EDBF) 알고리즘은,
    a) 초기에 비어있는(empty), 인핸스드 변환 매트릭스를 생성하는 단계;
    b) 상기 원하는 신호들의 제 1 수 내의 N개의 원하는 신호들에 대한 도달각들을 식별하는 N개의 빔 방향들을 결정하는 단계;
    c) N개의 원하는 신호들 내의 J(번째) 원하는 신호에 대한 도달각을 식별하는 J(번째) 빔 방향을 식별하는 단계;
    d) 상기 원하지 않는 신호들의 제 2 수 내의 상기 K개의 원하지 않는 신호들에 대한 도달각들을 식별하는 K 널 방향들을 결정하는 단계;
    e) 널 방향에 대해 구성된 각들의 세트인, 각들의 K개 세트들을 구성하는 단계;
    f) 상기 각들의 K개 세트들과 상기 J(번째) 빔 방향에 대한 도달각을 조합한 리스트를 구성하는 단계;
    g) 상기 리스트를 사용하여 스티어링 매트릭스를 연산(computing)하는 단계;
    h) 상기 스티어링 매트릭스를 사용하여 표준 변환 매트릭스를 계산(calculating)하는 단계;
    i) 상기 표준 변환 매트리스의 제 1 행을 상기 인핸스드 변환 매트릭스에 부가하는 단계;
    j) 상기 J(번째) 빔 방향을 폐기(discarding)하는 단계;
    k) 상기 리스트를 좌측 방향으로 회전시키는 단계;
    l) J를 증가시키는 단계;
    m) J가 N보다 크지 않으면, c)단계로 돌아가서 c)단계 내지 m)단계를 반복하는 단계; 및
    n) J가 N보다 크면, 종료하는 단계를 더 포함하는, 위성 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 지상 기반(terrestrial-based) 간섭 신호 수신기에서의 간섭을 완화시키기 위한 상기 위성 작동 단계를 포함하고,
    상기 단계는,
    상기 위성에 의한 전송용 전송 신호를 식별하는 단계,
    상기 전송 신호에 대한 빔 방향을 결정하는 단계,
    상기 지상 기반 간섭 신호 수신기를 식별하는 단계,
    상기 지상에 기반을 둔 간섭 신호 수신기에 대한 널 방향을 결정하는 단계, 및
    상기 지상에 기반을 둔 간섭 신호 수신기에 지향된 적어도 하나의 광역 널을 제공함으로써 상기 지상에 기반을 둔 간섭 신호 수신기에서의 간섭을 완화하는 단계를 더 포함하는, 위성 작동 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 완화 단계는,
    2차원 도달각들을 사용하여 상기 빔 방향 및 상기 널 방향을 결정하는 단계를 더 포함하는, 위성 작동 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 완화 단계는,
    3차원 도달각들을 사용하여 상기 빔 방향 및 상기 널 방향을 결정하는 단계를 더 포함하는, 위성 작동 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 e)단계는,
    상기 각들의 세트를 유효 범위(coverage range) 내에서 상기 널 방향에 대하여 대칭적으로 위치시키는 단계를 더 포함하는, 위성 작동 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 e)단계는,
    상기 각들의 세트를 유효 범위 내에서 상기 널 방향에 대하여 랜덤하게 위치시키는 단계를 더 포함하는, 위성 작동 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 어레이 안테나와 함께 사용하도록 채택된 인핸스드 디지털 빔형성기를 사용하여 간섭을 완화하기 위한 송신기 작동 방법으로서, 상기 어레이 안테나는 복수의 스티어링 가능한 안테나 빔 패턴을 제공하기 위한 복수의 방사 엘리먼트들을 갖고, 상기 인핸스드 디지털 빔형성기는 상기 복수의 스티어링 가능한 안테나 빔 패턴들을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어 매트릭스를 제공하는, 상기 송신기 작동 방법에 있어서,
    적어도 하나의 스티어링 가능한 빔 패턴을 전송하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 스티어링 가능한 빔 패턴은 원하는 신호 방향의 제 1 레벨의 적어도 하나의 빔과 복수의 원하지 않는 신호들을 포함하고, 상기 복수의 원하지 않는 신호들은 간섭 레벨을 결정하는, 상기 전송 단계,
    상기 인핸스드 디지털 빔형성기 및 적어도 하나의 상기 제어 매트릭스를 사용하여 상기 간섭 레벨을 감소시키는 단계로서, 상기 원하는 신호 방향과 관련된 제 1 원시 도달각(first original angle of arrival)은 상기 복수의 원하지 않는 신호들의 원시 도달각들과 관련된 널들의 세트와 조합하여 도달각들의 리스트를 생성하는, 상기 간섭 레벨 감소 단계,
    상기 제 1 레벨을 증가시키기 위해 적어도 하나의 상기 제어 매트릭스를 조정하는 단계, 및
    적어도 하나의 널들의 세트를 제공하기 위해 적어도 하나의 상기 제어 매트릭스를 재조정하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 널들의 세트는 상기 간섭 레벨을 감소시키는, 상기 재조정 단계를 포함하고,
    상기 재조정 단계는,
    a) 제 1 빔 방향 식별 단계로서, 상기 제 1 빔 방향은 상기 적어도 하나의 빔의 전송에 대한 각을 식별하는, 상기 식별 단계,
    b) 다수의 방향들을 결정하는 단계로서, 상기 방향들은 상기 복수의 원하지 않는 신호들에 대한 전송의 각들을 식별하는, 상기 결정 단계,
    c) 상기 제 1 빔 방향에 대한 각들의 제 1 세트를 구성하는 단계로서, 상기 각들의 제 1 세트는 상기 제 1 빔 방향에 대해 집중된, 상기 구성 단계,
    d) 상기 다수의 방향들에 대한 각들의 세트들을 구성하는 단계로서, 상기 각들의 세트들은 상기 다수의 방향들에 대해 집중된, 상기 구성 단계,
    e) 상기 제 1 빔 방향에 대한 전송 각을 상기 다수의 방향들에 대한 각들의 세트들과 조합함으로써 리스트를 구성하는 단계로서, 상기 리스트는 상기 각들의 제 1 의 세트를 포함하지 않는, 상기 리스트 구성 단계,
    f) 상기 리스트를 사용하여 스티어링 매트릭스를 연산하는 단계,
    g) 상기 스티어링 매트릭스를 사용하여 변환 매트릭스를 계산하는 단계,
    h) 상기 변환 매트릭스의 제 1 행을 인핸스드 변환 매트릭스에 부가시키는 단계,
    i) 상기 제 1 빔 방향을 누락(dropping)시키는 단계,
    j) 상기 리스트를 좌측 방향으로 회전시키는 단계,
    k) 상기 다수의 방향들 중 다음 방향을 상기 제 1 빔 방향으로 지정하는 단계,
    l) 상기 다음 방향이 사용 가능하면, a)단계로 돌아가서 a)단계 내지 l)단계를 반복하는 단계, 및
    m) 상기 다음 방향이 사용 가능하지 않으면, 종료하는 단계를 더 포함하는, 송신기 작동 방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 레벨을 증가시키기 위해, 상기 조정 단계 및 상기 재조정 단계를 복수회 반복하는 단계를 더 포함하는, 송신기 작동 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 간섭 레벨을 감소시키기 위해, 상기 조정 단계 및 상기 재조정 단계를 복수회 반복하는 단계를 더 포함하는, 송신기 작동 방법.
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