KR100747554B1

KR100747554B1 - 코드 분할 다중 접속 시스템을 위한 스위칭 빔 어레이시스템

Info

Publication number: KR100747554B1
Application number: KR1020000056696A
Authority: KR
Inventors: 심동희
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2007-08-08
Also published as: KR20020024876A

Abstract

본 발명은 스마트 안테나에 관한 것으로, 특히 코드 분할 다중 접속(CDMA) 시스템 환경에서 신호 페이딩 현상을 극복하기 위하여 시간 처리와 공간 처리를 동시에 수행하도록 하는 코드 분할 다중 접속 시스템을 위한 스위칭 빔 어레이 시스템에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 CDMA 시스템에서의 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템은 임의 사용자로부터 다중경로로 수신되는 신호들을 분리하여 수신신호 벡터들을 생성하는 레이크 수신기와, 상기 생성된 각각의 수신신호 벡터와 웨이트 벡터를 복소 내적하여 임의 개수의 빔 패턴들을 생성하고, 이 빔 패턴들 중 상기 수신신호 벡터들에 대한 각각의 최적의 빔 패턴들을 합성하여 출력하는 빔 형성부로 구성됨으로써, 레이크 수신기의 각 핑거에서 시간 처리된 수신신호 벡터를 구성하는 입사 신호가 서로 다른 방향으로 입사하는 경우에도 미리 정해진 스위칭 빔의 빔패턴을 통해서 구분할 수 있도록 하였다.

스위칭 빔 어레이 안테나, 레이크 수신기

Description

코드 분할 다중 접속 시스템을 위한 스위칭 빔 어레이 시스템{Switching Beam Array System for Code Division Multiple Access System}

도 1은 종래의 이동통신 시스템의 역방향 채널에서 스위칭 빔 어레이(switching beam array) 안테나를 사용할 때의 어레이 안테나 시스템을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템을 나타낸 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

201 : 변환부

201a, 201b : 주파수 하향 변환기 및 아날로그 디지털 컨버터(Freq.D/C & A/D conv.)

202,203 : 상관기 셋

204 : 레이크 수신기

202a~202d : 상관기

205 : 빔 형성부

203a,203b : 수신신호 벡터 형성기

204a~204d : 곱셈기

205a,205b : 덧셈기

206 : 빔 선택기

207 : 합성기

본 발명은 스마트 안테나에 관한 것으로, 특히 코드 분할 다중 접속(CDMA) 시스템 환경에서 신호 페이딩 현상을 극복하기 위하여 시간 처리와 공간 처리를 동시에 수행하는 코드 분할 다중 접속 시스템을 위한 스위칭 빔 어레이 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 무선통신을 행할 때, 수신되는 신호에는 원하는 신호(이하 "원신호"라 칭함)와 간섭신호가 함께 존재하며, 통상 한 개의 원신호에 대해 다수의 간섭신호가 존재한다. 이러한 간섭신호에 의한 통신왜곡의 정도는 원신호 전력대 모든 간섭신호 전력의 합에 의해 결정되므로, 원신호의 레벨이 간섭신호 각각의 레벨보다 현저히 높은 경우에도 간섭신호의 개수가 많으면 간섭신호의 전체전력이 커져서 통신왜곡이 발생하게 된다.

따라서, 종래의 셀룰라 이동통신 시스템에서는 스마트 안테나를 이용하여 이러한 간섭신호를 최소화시키는 데 중점을 두고 있다. 즉, 이동체가 이동하거나 그 신호의 도달각이 상황에 따라 가변적일 때, 여러 안테나 소자로 구성된 어레이(Array)를 사용해서 원거리 신호원들의 위치를 파악하거나 그 안테나 소자들로부터 나오는 신호들을 선택적으로 송수신하기 위하여 배열된 안테나의 위상을 제 어하여 특정 신호(원신호)를 선택적으로 송수신하고 간섭 신호의 영향을 최소화시킴으로써 가입자 상호간의 간섭을 대폭 감소시키는 것이다.

도 1은 종래의 이동통신 시스템의 역방향 채널에서 스위칭 빔 어레이(switching beam array) 안테나를 사용할 때의 어레이 안테나 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1을 참고하면, 종래의 스위칭 빔 어레이는 몇 개의 고정된 빔을 생성하는 빔 형성기(101~103)와 그리고 빔 선택기(beam selector)(104)로 구성되어 있다.

상기 빔 형성기(101~103)는 안테나 어레이의 수신된 신호의 임의 입사각에 대하여 고정된 빔을 생성하는 장치로서, 각각의 빔 형성기(101~103)는 서로 다른 임의 입사각에 대하여 고정된 빔 패턴을 생성한다. 그러므로, 빔 선택기(104)는 안테나 어레이에 수신된 신호의 입사각에 따라 원신호에 대한 간섭신호의 영향이 최소가 되도록 하는 빔 형성기(101~103)를 선택하도록 하는 방식을 채택하고 있다.

상기 빔 형성기(101~103) 및 빔 선택기(104)의 동작은 다음 참고 문헌에 자세히 설명되어 있다.

[참조문헌]

William C.Y. Lee, An optimum solution of the switching beam antenna system, proceedings of IEEE 47th Vehicular Technology Conference, 1997, vol 1, pp. 170 - 172

그러나, 이와 같은 종래의 이동 통신 시스템에서의 역방향 채널에서 스위칭 빔 어레이를 사용하는 기술은 몇 개의 고정된 빔 패턴 중에서 하나를 빔 선택기(beam selector)를 통해 선택하는 방법만을 사용하므로 공간처리만 수행하여 페이딩과 같은 채널 환경의 악화에 따른 최적의 빔 패턴을 생성하는데 어려운 점이 있다.

즉, 공간처리만 수행하는 방법에 의해서는 간섭신호의 영향을 최소화하는 최적의 빔 패턴을 생성하는 데 근접하기가 어렵다는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 통신 시스템의 환경 변화에 따른 최적의 빔 패턴을 생성하도록 하는 코드 분할 다중 접속 시스템에서의 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템을 제공하기 위한 것이다.

삭제

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치상 특징에 따르면, 임의 사용자로부터 다중경로로 수신되는 신호들을 분리하여 수신신호 벡터들을 생성하는 레이크 수신기와, 상기 생성된 각각의 수신신호 벡터와 웨이트 벡터를 복소 내적하여 임의 개수의 빔 패턴들을 생성하고, 이 빔 패턴들 중 상기 수신신호 벡터들에 대한 각각의 최적의 빔 패턴들을 합성하여 출력하는 빔 형성부로 구성되어 이루어진다.
바람직하게, 상기 레이크 수신기는 상기 다중경로로 수신된 신호들을 분리하여 출력하는 다수의 상관기로 이루어진 복수의 상관기 셋과, 상기 상관기 셋에서 같은 순서의 상관기를 통과한 신호들을 합성하여 수신신호 벡터들을 생성하는 복수의 수신신호 벡터 형성기로 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 빔 형성부는 상기 수신신호 벡터 형성기에서 생성된 각각의 수신신호 벡터와 웨이트 벡터와의 복소 내적을 하여 임의 개수의 빔 패턴을 생성하는 곱셈기들과, 상기 수신신호 벡터들의 빔 패턴들 중 수신신호 벡터들 각각의 최적의 빔 패턴들을 합성하여 출력하는 합성기로 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은 코드 분할 다중 접속 시스템에 적용할 안테나 어레이 시스템을 구현한 것으로 기존의 코드 분할 다중 접속 시스템의 레이크 수신기를 이용하여 각 안테나에서의 핑거 수만큼의 시간 처리를 실시한 후 각 핑거에서 시간 처리된 신호를 안테나 수만큼의 성분을 가진 수신신호 벡터로 구성하여 각 핑거 수만큼의 공간처리를 스위칭 빔 어레이를 이용하여 최적의 빔 패턴을 형성하도록 하는 안테나 어레이 시스템을 제안한다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템을 나타낸 도면이다.

도 2를 참고하면, 본 발명은 코드 분할 다중 접속(CDMA) 시스템을 위한 시공간 처리 적응 어레이 안테나를 구현하는데 있어 초고주파 신호를 기저대역 신호로 전환하는 주파수 하향 변환기(frequency down converter) 및 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 아날로그 디지털 변환기(A/D converter)(201a,201b)를 포함하는 변환부(201)와, 상기 디지털 신호의 역확산(despreading)을 포함한 시간 처리를 위한 레이크(rake) 수신기(204)와, 상기 레이크 수신기(204)로부터 출력된 수신신 호 벡터의 공간처리를 위한 빔 형성부(205)와, 상기 레이크 수신기(204) 및 빔 형성부(205)에 의해 시공간 처리된 디지털 신호를 복조하는 디지털 복조기(미도시)로 구성된다.

상기 변환부(201)는 임의 사용자로부터 다중경로로 수신되는 신호를 N개의 안테나를 통하여 수신하고, 이 N개의 안테나 수만큼의 주파수 하향 변환기(frequency down converter) 및 아날로그 디지털 변환기(A/D converter)(201a,201b)를 구비하여, 상기 N개의 안테나에 수신된 초고주파 신호를 기저대역 신호로 전환하고, 이 기저대역의 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환한다.

상기 레이크 수신기(204)는 상기 주파수 하향 변환기(frequency down converter) 및 아날로그 디지털 변환기(A/D converter)(201a,201b)로부터 출력된 N개의 수신신호 각각에 대하여 (k×N)개의 상관기들(202a~202d)을 이용하여 k개의 수신신호 벡터를 형성한다. 즉, 상기 상관기들(202a,202b)은 상기 임의 사용자로부터 다중경로로 전송된 신호를 N개의 안테나를 이용하여 수신하고, 이 신호들이 서로 다른 시간에 도착한 같은 사용자로부터 들어온 신호이지만 독립된 서로 다른 신호로써 인식을 하고, 이를 분리하는 기능을 수행한다.

상기 상관기들(202a~202d) 중 202a와 202b로 이루어지는 k개의 상관기들 또는 202c와 202d로 이루어지는 k개의 상관기들은 그 각각이 하나의 상관기 셋(202,203)을 이루어 상기 N개의 수신신호들의 시간처리를 하여 수신신호 벡터 형성기(203a,203b)로 출력한다.

즉, 상기 N개의 수신신호 중 k번째의 같은 상관기(202a 와 202c, 또는 202b와 202d)를 통과하여 시간 처리된 신호들이 수신신호 벡터 형성기(203a,203b)에 각각 집합되어 1×N의 크기를 갖는 하나의 수신신호 벡터를 형성하는 것이다. 따라서, 이러한 수신신호의 벡터는 k개의 신호벡터가 형성되고, 임의 사용자들(M)에 대해서도 마찬가지로 k개의 수신신호 벡터가 형성된다.

상기 레이크 수신기(204)에서 생성된 k개의 수신신호 벡터는 이 신호벡터 각각이 빔 형성부(205)의 각 곱셈기(204a~204d)에 입력되어 웨이트 벡터와 복소 내적되고, 덧셈기(205a,205b)에 의해 더해져 P개의 빔 패턴으로 형성된다. 즉, 상기 웨이트 벡터는 N×1의 크기를 갖는 것으로 상기 수신신호 벡터 형성기(203a,203b)에서 생성된 임의 수신신호 벡터와 복소 내적되어 P개의 빔 패턴으로 형성되고, 이는 k개의 수신신호 벡터 각각에 대해 P개의 빔 패턴이 형성되므로, 이 P개의 빔 패턴 중 간섭 신호의 영향이 제일 적은 최적의 빔 패턴이 빔 선택기(206)에 의해 선택되어진다. 이 선택된 최적의 빔 패턴은 수신신호 벡터 k개에 대해서도 모두 이루어지므로, 상기 선택되어진 모든 최적의 빔 패턴들이 합성기(207)에 집합되어 최종적으로 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템의 출력 신호가 출력된다.

도 2에서 스위칭 빔 패턴을 생성하기 위한 안테나의 수를 N개로 설정하고, 시간처리를 위한 레이크 수신기(204)는 k개의 핑거(상관기)를 가진 것으로 가정하였고, 각 안테나의 수신신호를 같은 순서의 핑거(상관기)에서 역확산된 신호들을 신호벡터로 구성한 것을

라고 명하였다.

그리고, 각 안테나의 첫 번째 핑거(또는 상관기)들의 신호들을 모아 신호 벡 터

를 구성하고, 또 두 번째 핑거(또는 상관기)들의 신호를 모아 신호 벡터

를 구성하는 방식으로 M 가입자에 대한 k개의 핑거로부터 형성된 수신신호 벡터

를 M ×k개만큼 각각 구성한다.

상기

에서 아래 첨자 M은 사용자 인덱스를 나타내고, 1부터 M까지 증가하는 값을 갖는다. 상기 아래 첨자 k는 핑거 인덱스를 나타내고, 1부터 k까지 증가하는 값을 갖는다. 또

~

은 각 안테나 소자의 신호를 반영하므로 첫 번째 안테나부터 N번째 안테나까지의 신호를 모은 N ×1의 신호 벡터들이다.

그리고 신호벡터

에 곱해질 빔 형성부(205)의 공간 처리용 스위칭 빔 어레이의 웨이트 벡터는

라고 명하였다.

만약 스위칭 빔의 빔 패턴을 P개 사용한다고 가정하면, 이 빔 패턴에 이용되는 웨이트 벡터는 상기 각 k개의 핑거로부터 수신신호 벡터를 제공받아 이 수신신호 벡터 각각에 웨이트 벡터를

에서

에 이르는 웨이트 벡터를 곱해줌으로써 수신신호 벡터 각각에 대해 P개의 빔 패턴이 생성되고, 이 빔 패턴들 중 최적의 빔 패턴을 갖는 신호 즉, 간섭 신호의 영향이 제일 적은 신호가 빔 선택기(206)에 의해 선택된다. 상기 최적의 빔 패턴은 k개의 신호에 대하여 모두 하나씩 선택되어지므로, 이 선택된 최적의 빔 패턴들은 합성기(207)에 의해 합성하여 최종적으로 최적의 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템의 출력 신호 y₁이 출력된다.

상기

에서 아래 첨자 P는 스위칭 빔의 빔 패턴 인덱스를 나타내고, 아 래 첨자 N은 안테나의 인덱스를 나타내는 것이다. 또한, y₁은 첫 번째 사용자에 대한 코드 분할 다중 접속 시스템에서 시간 처리와 공간 처리를 모두 수행한 결과를 나타낸 것이다. 즉, y₁의 아래 첨자 1은 코드 분할 다중 접속 시스템의 기지국에서 M개의 사용자를 순서대로 구분하는 인덱스로 첫 번째 사용자임을 나타낸다.

상기 본 발명에서는 스위칭 빔 어레이를 이용하므로, 이 어레이에 의해 미리 고정된 빔 패턴이 어느 사용자에게나 동일하게 적용된다.

결과적으로 특정 사용자의 신호들은 K개의 시간 처리용 핑거(또는 상관기)를 통해 코드 분할 다중 접속 시스템의 정해진 코드로 분리되며 또 그 각각의 핑거들의 신호들을 공간적으로도 처리하기 위해 각 안테나의 신호 성분을 포함한 K개의 신호 벡터를 각 핑거의 신호에 대해서 P개의 정해진 빔 패턴과 내적하여 각 핑거에 대해 그 중 큰 값을 선택하여 도출된 K개의 출력값을 합성기를 통해 결합하여 최종 안테나 어레이 출력을 구하게 된다.

다시 말하면 본 발명은 기존의 코드 분할 다중 접속 시스템에서 레이크 수신기(202)의 각 핑거의 출력을 시간 처리 후에 모두 결합하지 않고 각각의 핑거의 신호를 공간 처리후에 결합하는 구조라고 할 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 레이크 수신기의 각 핑거에서 시간 처리된 수신신호 벡터를 구성하는 입사 신호가 서로 다른 방향으로 입사하는 경우에도 미리 정해진 스위칭 빔의 빔패턴을 통해서 구분할 수 있다.

또한, 많은 수의 스위칭 빔 빔패턴을 설정해 두더라도 미리 시간 처리를 실시하므로 스위칭 빔의 빔패턴 수를 늘림에 따라 (즉, 스위칭 빔의 빔패턴을 늘려서 비교적 촘촘한 빔 패턴들을 설정해두더라도) 상관기(correlator)의 수가 증가하지 않는다.

또한, 적응 알고리즘을 사용하는 적응 어레이에서는 각각의 사용자에 대해 적응 알고리즘을 각각 수행하여 각각 다름 빔패턴을 설정해야 하지만 본 발명에서는 스위칭 빔 어레이를 사용하므로 고정된 P개의 빔패턴을 M명의 사용자에게 동일하게 적용하므로 그 계산량을 적응 알고리즘을 사용하는 적응 안테나에 비해 현저히 줄일 수 있다

따라서, 본 발명을 코드 분할 다중 접속 시스템에 적용할 경우에는 종래의 코드 분할 다중 접속 시스템이 단일 안테나를 이용하여 시간 처리만을 실시한 것에 비해 다수의 안테나를 이용하여 시간 처리 후 공간 처리를 실시하여 서로 다른 방향으로 입사하는 신호를 공간상에서도 구분할 수 있음으로 인해 통신 품질을 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims

임의 사용자로부터 다중경로로 수신되는 신호들을 분리하여 수신신호 벡터들을 생성하는 레이크 수신기; 및

상기 생성된 각각의 수신신호 벡터와 웨이트 벡터를 복소 내적하여 임의 개수의 빔 패턴들을 생성하고, 이 빔 패턴들 중 상기 수신신호 벡터들에 대한 각각의 최적의 빔 패턴들을 합성하여 출력하는 빔 형성부

를 포함하되,

상기 레이크 수신기는,

상기 다중경로로 수신된 신호들을 분리하여 출력하는 다수의 상관기로 이루어진 복수의 상관기 셋(set)과, 상기 상관기 셋에서 같은 순서의 상관기를 통과한 신호들을 합성하여 수신신호 벡터들을 생성하는 복수의 수신신호 벡터 형성기

를 포함하는

코드 분할 다중 접속 시스템을 위한 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 빔 형성부는

상기 수신신호 벡터 형성기에서 생성된 각각의 수신신호 벡터와 웨이트 벡터와의 복소 내적을 하여 임의 개수의 빔 패턴을 생성하는 곱셈기들과;

상기 수신신호 벡터들의 빔 패턴들 중 수신신호 벡터들 각각의 최적의 빔 패 턴들을 합성하여 출력하는 합성기로 구성되는 것을 특징으로 하는 코드 분할 다중 접속 시스템을 위한 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템.
다수의 안테나를 구비하는 수신측에서 있어서,

상기 다수의 안테나 각각에 연결되는 기 설정된 개수의 상관기와 상기 상관기의 출력에 의해 수신 신호 벡터를 형성하는 수신 신호 벡터 형성기를 포함하는 적어도 하나 이상의 레이크 수신기 및

상기 형성된 수신 신호 벡터와 기 설정된 빔 패턴을 이용하여 빔 형성(beam forming)을 수행하는 적어도 하나 이상의 빔 형성부를 포함하여 이루어지는 코드 분할 다중 접속 시스템을 위한 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템.
제4항에 있어서,

상기 레이크 수신기는, 상기 각각의 안테나에 대하여 동일한 개수의 상관기를 구비하는 것을 특징으로 하는 코드 분할 다중 접속 시스템을 위한 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템.
제4항에 있어서,

상기 수신 신호 벡터 형성기는 상기 기 설정된 개수의 상관기 셋(set)의 출력을 이용하고,

상기 상관기 셋(set)은 상기 다수의 안테나 중 어느 하나에 상응하고,

상기 다수의 안테나 개수를 N이라 하는 경우, 상기 수신 신호 벡터 형성기 중 어느 하나에 의해 형성되는 상기 수신 신호 벡터는 1 X N인 것

을 특징으로 하는 코드 분할 다중 접속 시스템을 위한 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템.
제4항에 있어서,

상기 빔 형성부는, 기 설정된 웨이트 벡터와 상기 형성된 수신 신호 벡터를 복소 내적하여 특정 개수의 빔 패턴을 형성하고, 상기 빔 패턴 중 상기 수신 신호 벡터들에 대한 최적의 빔 패턴을 형성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 코드 분할 다중 접속 시스템을 위한 스위칭 빔 어레이 안테나 시스템.