KR101447733B1

KR101447733B1 - 배열 안테나를 이용한 빔 형성 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101447733B1
Application number: KR1020080076647A
Authority: KR
Inventors: 김영락; 고학림; 강찬구; 김성근
Original assignee: 에스케이텔레콤 주식회사
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2014-10-06
Also published as: KR20100016971A

Abstract

본 발명은 스마트 안테나를 사용하는 기지국에서 상향 링크 시에 수신된 전송 신호를 이용하여 사용자의 수신 방향에 대한 방향 벡터를 추정하고, 추정된 현재의 방향 벡터와 이전 방향 벡터의 정보를 이용하여 상향링크 및 하향링크 또는 하향링크만의 빔 형성을 수행하도록 하는, 배열 안테나를 이용한 빔 형성 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 빔 형성 장치는, 전송 신호를 송수신하는 통신부; 상기 전송 신호를 이용하여 제1 방향 벡터를 추정하는 방향벡터 추정부; 상기 제1 방향 벡터와 이전에 추정된 제2 방향 벡터의 제1 내적값을 산출하는 내적값 산출부; 이전에 추정된 스위칭 빔용 방향 벡터들을 저장하고 있는 저장부; 상기 제1 내적값을 임계값과 비교해, 상기 제1 내적값이 상기 임계값 이상이면 상기 제1 방향 벡터를 이용해 빔 형성이 되도록 제어하고, 상기 제1 내적값이 상기 임계값 이하이면 제3 방향 벡터를 산출하여, 상기 제3 방향 벡터를 이용하여 빔 형성이 되도록 제어하는 제어부; 및 상기 전송 신호의 빔 형성을 수행하는 빔 형성부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 적응 빔 방식으로 각 사용자 단말기에게 신호를 전송해 줄 때 페이딩이 심한 경우 스위칭 빔 방식으로 빔 패턴을 전환할 수 있다. 또한, 수신된 신호를 이용해 방향 벡터를 추정해 통신에 적합한 빔 패턴을 형성함으로써, 통신 시스템의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

기지국, 방향 벡터, 빔 패턴, 적응 빔, 스위칭 빔, 벡터 내적, 배열 안테나

Description

배열 안테나를 이용한 빔 형성 장치 및 방법{Beam forming method and apparatus using by an array anttena}

본 발명은 배열 안테나를 이용한 빔 형성 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스마트 안테나를 사용하는 기지국에서 상향 링크 시에 수신된 신호를 이용하여 사용자의 수신 방향에 대한 방향 벡터를 추정하고, 추정된 방향 벡터와 이전 방향 벡터의 정보를 이용하여 상향링크 및 하향링크 또는 하향링크만의 빔 형성을 수행하도록 하는, 배열 안테나를 이용한 빔 형성 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 스마트 안테나 시스템은 사용자의 위치를 적응적으로 추적하여 그 방향으로부터 만의 신호를 송수신하는 적응 빔 안테나 방식과, 기지국에서 미리 셀이나 섹터를 여러 개의 빔 방향으로 나누어 놓고 사용자의 신호가 가장 크게 수신되는 빔 방향의 신호를 이용하여 신호를 송수신하는 스위칭 빔 안테나 방식으로 구현할 수 있다.

종래 적응 빔 안테나 방식의 스마트 안테나 시스템에서는 각 배열 안테나에 수신된 신호를 이용하여 빔 형성기의 가중치 벡터(방향 벡터)를 추정하고, 추정된 방향 벡터를 수신 신호에 곱해 줌으로써 원하는 방향으로부터의 신호만을 수신하고, 원하지 않는 방향으로부터의 신호를 제거하는 빔 형성을 수행한 후에, 이를 해당 사용자의 모뎀에서 복조를 수행하며, 하향 링크에서는 현재 추정된 방향 벡터를 이용하여 해당 방향으로 신호를 전송함으로써, 원하는 사용자의 방향으로만 신호가 전송되게 한다.

한편, 스위칭 빔 안테나 방식에서는 아날로그 빔 형성기나 디지털 빔 형성기를 사용하여 셀이나 섹터를 여러 개의 빔 방향으로 나누어 놓은 후에, 해당 사용자의 신호가 어느 빔 방향에서 가장 잘 수신되는 가를 판단하여, 해당 빔 방향의 신호를 사용자의 모뎀에 입력하여 복조를 수행하고, 하향 링크에서도 선택된 빔 방향을 이용하여 해당 사용자의 신호를 전송한다.

일반적으로 적응 빔 방식이 스위칭 빔 방식에 비해 성능은 우수하고, 하드웨어의 복잡도나 계산량은 증가하는 것으로 알려져 있다.

또한, 스마트 안테나 시스템에서는 추정된 방향으로만 빔 형성을 수행하기 때문에, 추정된 방향 벡터가 실제로 신호가 수신되는 방향과 상이하다면 빔 형성에 의한 성능 저하가 발생할 수 있다.

한편, 이동 채널 환경에서는 차량이나 사용자의 이동 및 주변 환경의 변화에 의해 무선 채널 환경이 계속 변화한다. 특히 통신 환경이 LOS(Lone-of-sight) 통신 환경에서 NLOS(Non lone-of-sight) 통신 환경으로 변환되거나, 사용자가 사거리에서 갑자기 코너로 돌아 들어가거나, 대로에서 소로로 이동할 때, 혹은 사용자 앞으 로 대형 차량이 이동할 때 등은 수신된 신호가 페이딩의 영향을 크게 받아, 이 신호를 이용하여 추정된 스마트 안테나 시스템의 방향 벡터에 포함된 사용자의 방향 정보는 정확도가 크게 저하된다.

따라서, 페이딩이 심한 경우의 신호를 이용하여 추정된 방향 벡터 정보를 이용하여 신호를 전송하면 스마트 안테나의 사용에 의한 성능 저하가 발생할 수 있다. 예컨대, 현재 θ1의 방향으로부터 신호가 수신되나 이 방향으로부터의 심한 페이딩에 의해, 빔 형성기에서 신호가 θ2의 방향으로부터 수신된다고 추정하여, θ2의 방향으로 빔 형성을 수행하면, 통신 시스템의 성능이 크게 저하될 수 있는 문제점이 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 스마트 안테나를 사용하는 기지국에서 상향 링크 시에 수신된 전송 신호를 이용하여 사용자의 수신 방향에 대한 방향 벡터를 추정하고, 추정된 현재의 방향 벡터와 이전 방향 벡터의 정보를 이용하여 상향링크 및 하향링크 또는 하향링크만의 빔 형성을 수행하도록 하는, 배열 안테나를 이용한 빔 형성 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 빔 형성 장치는, 전송 신호를 송수신하는 통신부; 상기 전송 신호를 이용하여 제1 방향 벡터를 추정하는 방향벡터 추정부; 상기 제1 방향 벡터와 이전에 추정된 제2 방향 벡터의 제1 내적값을 산출하는 내적값 산출부; 이전에 추정된 스위칭 빔용 방향 벡터들을 저장하고 있는 저장부; 상기 제1 내적값을 임계값과 비교해, 상기 제1 내적값이 상기 임계값 이상이면 상기 제1 방향 벡터를 이용해 빔 형성이 되도록 제어하고, 상기 제1 내적값이 상기 임계값 이하이면 제3 방향 벡터를 산출하여, 상기 제3 방향 벡터를 이용하여 빔 형성이 되도록 제어하는 제어부; 및 상기 전송 신호의 빔 형성을 수행하는 빔 형성부를 포함한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 제1 방향 벡터를 이용하여 빔을 형성 시, 적응 빔 방식으로 상기 빔 형성을 수행하게 된다.

또한, 상기 제어부는, 상기 제1 방향 벡터를 사용하여 상향링크와 하향링크의 빔 형성을 수행하도록 제어하게 된다.

또한, 상기 내적값 산출부는 상기 저장부에 미리 저장되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 상기 제2 방향 벡터와의 제2 내적값들을 산출하고, 상기 제어부는, 상기 제2 내적값 들 중에 그 값이 가장 큰 스위칭 빔용 방향벡터를 상기 제3 방향 벡터로 설정하고, 상기 제3 방향 벡터를 이용하여 상기 스위칭 빔 방식으로 빔 형성이 되도록 제어하게 된다.

또한, 상기 내적값 산출부는 상기 저장부에 미리 저장되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 상기 제1 방향 벡터의 제3 내적값을 산출하고, 상기 제어부는, 상기 제3 내적값 들 중에 그 값이 가장 큰 스위칭 빔용 방향벡터를 상기 제3 방향 벡터로 설정하고, 상기 제3 방향 벡터를 이용하여 상기 스위칭 빔 방식으로 빔 형성이 되도록 제어하게 된다.

그리고, 상기 내적값 산출부는, 상기 저장부에 미리 저장되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 상기 제2 방향 벡터의 제2 내적값을 산출하고, 상기 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 상기 제1 방향 벡터의 제4 내적값을 산출하며, 상기 제어부는, 상기 제2 내적값 들 중에 그 값이 가장 큰 제1 스위칭 빔용 방향 벡터를 선택하고, 상기 제4 내적값 들 중에서 그 값이 가장 큰 제2 스위칭 빔용 방향 벡터를 선택하며, 상기 제1 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 제2 스위칭 빔용 방향 벡터에 각각 가중치를 곱하여, 상기 가중치가 곱해진 상기 제1 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 가중치가 곱해진 상기 제2 스위칭 빔용 방향 벡터를 더하여 상기 제3 방향 벡터를 설정하고, 상기 제3 방향 벡터를 이용하여 상기 스위칭 빔 방식으로 빔 형성이 되도록 제어하게 된다.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 빔 형성 방법은, (a) 단말기로부터 수신된 전송 신호를 이용하여 제1 방향 벡터를 추정하는 단계; (b) 상기 추정된 제1 방향 벡터와 이전에 추정된 제2 방향 벡터의 제1 내적값을 산출하는 단계; 및 (c) 상기 제1 내적값을 임계값과 비교하는 단계; 및 (d) 상기 비교 결과에 따라 빔 형성을 수행하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 (d) 단계는, 상기 비교 결과, 상기 제1 내적값이 상기 임계값보다 더 큰 경우에, 상기 제1 방향 벡터를 이용하여 적응 빔 방식으로 빔 형성을 수행하게 된다.

또한, 상기 (d) 단계는, 상기 제1 방향 벡터를 사용하여 상향링크와 하향링크의 빔 형성을 수행하게 된다.

또한, 상기 (d) 단계는, 상기 비교 결과, 상기 제1 내적값이 상기 임계값보다 더 작은 경우에, 스위칭 빔 방식의 방향 벡터를 이용하여 빔 형성을 수행하게 된다.

또한, 상기 (a) 단계는, MUSIC, ESPRIT, 상기 수신된 신호의 covariance matrix의 eigenvector, pilot assisted, 파일롯 신호를 이용한 MMSE 방법 중 하나의 방법으로 상기 제1 방향 벡터를 추정하게 된다.

또한, 상기 (d) 단계는, 미리 보관된 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 제2 방향 벡터의 제2 내적값을 산출하고, 상기 제2 내적값 들 중에서 그 값이 가장 큰 스위칭 빔용 방향 벡터를 상기 제3 방향 벡터로 설정하여, 상기 제3 방향 벡터를 이용해 빔 형성을 수행하게 된다.

또한, 상기 (d) 단계는, 미리 보관된 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 제1 방향 벡터의 제3 내적값을 산출하고, 상기 제3 내적값 들 중에서 그 값이 가장 큰 스위칭 빔용 방향 벡터를 상기 제3 방향 벡터로 설정하여, 상기 제3 방향 벡터를 이용해 빔 형성을 수행하게 된다.

그리고, 상기 (d) 단계는, 미리 보관된 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 제2 방향 벡터의 제2 내적값을 산출하고, 상기 제2 내적값 들 중에서 그 값이 가장 큰 제1 스위칭 빔용 방향 벡터를 선택하며, 상기 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 상기 제1 방향 벡터의 제4 내적값을 산출하며, 상기 제4 내적값 들 중에서 그 값이 가장 큰 제2 스위칭 빔용 방향 벡터를 선택하며, 상기 제1 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 제2 스위칭 빔용 방향 벡터에 가중치를 곱하며, 상기 가중치가 곱해진 상기 제1 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 가중치가 곱해진 상기 제2 스위칭 빔용 방향 벡터를 더하여 상기 제3 방향 벡터를 설정하며, 상기 제3 방향 벡터를 이용해 빔 형성을 수행하게 된다.

본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나를 이용한 빔 형성 방법이 적용된 이동통신 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 빔 형성 방법이 적용된 이동통신 시스템(100)은, 이동국(MS:Mobile Station)(110 ~ 116) 및 기지국(120 ~ 124)을 포함한다.

여기서, 제1 이동국(110)과 제2 이동국(112)은 제1 기지국(120)의 기준 셀 내에 위치해 있고, 제3 이동국(114)은 제1 기지국(120)에 인접해 있는 제2 기지국(122)의 셀 내에 위치하며, 제4 이동국(116)은 제1 기지국(120)에 인접해 있는 제3 기지국(124)의 셀 내에 위치해 있다.

이동국(110 ~ 116)은 미드엠블이 포함된 신호를 기지국(120 ~ 124)으로 전송한다. 또한, 이동국(110 ~ 116)은 기지국(120 ~ 124)으로부터 시스템 정보를 수신하고, 이를 근거로 홈 위치 등록기(Home Location Register, 이하 HLR)에 위치 등 록을 수행한다.

기지국(120 ~ 124)은 이동국으로부터 수신된 신호를 이용하여 빔 형성기의 제1 방향 벡터를 추정하고, 추정된 제1 방향 벡터와 이전에 추정된 제2 방향 벡터의 내적을 이용하여 이동국의 이동범위를 산출하며, 산출된 이동국의 이동범위에 따라 빔 형성을 수행한다.

여기서, 기지국(120 ~ 124)은 산출된 이동국의 이동범위가 임계값 이하이면 스위칭 빔 방식으로 빔 형성을 수행하고, 이동범위가 임계값 이상이면 적응 빔 방식으로 빔 형성을 수행한다.

또한, 기지국(120 ~ 124)은 스위칭 빔 방식의 가중치 벡터를 사용하여 상향링크와 하향링크의 빔 형성을 수행하거나, 제1 방향 벡터를 사용하여 상향링크와 하향링크의 빔 형성을 수행하게 된다.

기지국(120 ~ 124)은 각기 셀(Cell) 단위로 배치되어 있고, 이동국(110 ~ 116)에서 발생하는 통화 요청을 이동통신 교환국(Mobile Station Controller, 이하 MSC)으로 전송하거나 자신이 관할하는 셀 영역에 존재하는 이동국(110 ~ 116)의 위치를 파악하는 위치 등록을 수행한다.

기지국(120 ~ 124)은 기지국 전송기(BTS)와 기지국 제어기(BSC)를 포함하고, 이동통신 시스템은 전술한 구성 외에 MSC와 HLR을 포함하나, 이는 통상적인 기술에 해당하므로 도시하지 않고 생략한다.

기지국 전송기(BTS)는 GPS(Global Positioning System)로부터 기지국 전송기(BTS)가 위치한 위도와 경도 등의 정보를 얻을 수 있으며, 이러한 기지국 전송 기(BTS)의 위치 정보를 하향 링크 호출 채널의 시스템 파라미터 메시지를 통하여 이동국(110 ~ 116)에게 전달한다. 이동국(110 ~ 116)은 자신이 속해 있는 셀의 기지국 전송기(BTS)의 위치 정보를 이용하여 이동국(110 ~ 116) 자신의 이동 거리를 계산함으로써 새로운 위치 정보를 등록할 수 있다.

위치 등록은 이동국(110 ~ 116)의 위치, 상태, 식별자, 슬롯 주기 및 그 밖의 다른 특징들을 해당 기지국 전송기(BTS)를 통하여 MSC에 알리는 처리 절차로서 기지국 전송기(BTS)가 이동국(110 ~ 116)으로 착신호를 설정하고자 할 때 이동국(110 ~ 116)을 효과적으로 호출할 수 있도록 하는 절차이다. 이러한 이동국(110 ~ 116)의 위치 등록은 이동국(110 ~ 116)의 전원을 온 또는 오프할 때, 이동국(110 ~ 116)이 MSC 간을 이동할 때, 그리고 이동국(110 ~ 116)의 파라미터가 변경되는 경우에 실시된다.

기지국 제어기(BSC)는 다수의 기지국(120 ~ 124)을 제어 및 관리하면서 핸드 오프 등 무선 호 처리에 필요한 제반 기능을 수행한다. 또한, 기지국 제어기(BSC)는 위치 등록된 이동국(110 ~ 116)의 가입자 정보를 MSC로 전송한다.

MSC는 무선 기지국들이 효율적으로 운용될 수 있도록 하는 통제 기능과 공중 전화망의 교환기와의 연동 기능을 가지고 있다. 이러한 MSC는 무선 기지국을 통하여 이동국(110 ~ 116)의 위치 등록이 수행되면, MSC 내 방문자 위치 등록기(VLR: Visitor Location Register)에 이동국(110 ~ 116)의 가입자 정보를 임시 저장한 후, HLR로 이동국(110 ~ 116)의 위치 등록을 요청한다.

여기서, HLR은 이동국(110 ~ 116)의 사용자의 가입자 정보에 관한 서비스 프 로파일을 저장하고 있는 데이터베이스로서, 가입자의 전화 호를 비롯하여 이동국(110 ~ 116)의 단말 식별 번호(Mobile Identification Number: MIN), 단말기 고유 번호(Electronic Serial Number: ESN) 및 서비스 종류에 대한 정보를 가지고 있다. HLR은 이동국(110 ~ 116)이 위치한 기지국(120 ~ 124)과 MSC의 정보를 포함하는 가입자 정보를 저장하는 기능을 수행한다. MSC는 제어부, 통화로부 및 주변기기로 구성되어 있으며, 이동국(110 ~ 116)에 대한 과금 자료 수집 기능도 갖는다.

한편, 이동 통신망은 코드 분할 다중 접속(CDMA:Code Division Multiple Access), 광대역 코드 분할 다중 접속(WCDMA:Wideband Code Division Multiple Access), 고속 다운링크 패킷 접속(HSDPA:High Speed Downlink Packet Access), 와이브로(WiBro : wireless broadband) 등의 이동통신 네트워크를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나를 이용한 빔 형성 방법이 적용된 기지국의 기능적 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명이 적용된 기지국(120)은 배열 안테나(202 ~ 204), 통신부(210), 방향벡터 추정부(220), 내적값 산출부(230), 제어부(240) 및 빔 형성기(250)를 포함한다.

배열 안테나(202)는 이동국(110 ~ 116)으로부터 송출된 전송 신호를 수신하거나, 이동국(110 ~ 116)으로 무선 신호를 송출한다.

통신부(210)는 이동국(110 ~ 116)과 무선 신호를 송수신한다. 또한, 통신부(210)는 빔 형성기(250)로부터 전달된 빔 형성 값에 따라 안테나의 빔 방향을 조 정한다. 또한, 통신부(210)는 도시하지는 않았지만 무선 신호를 수신하는 무선 주파수(RF:Radio Frequency) 수신부와, 무선 신호를 중간 주파수 신호로 전환하는 중간 주파수(IF:Intermediate Frequency) 처리부 및 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D(Analog-to-Digital) 변환부(Converter)를 포함한다. 따라서, 통신부(210)는 송수신되는 신호를 처리하는 DSP(Digital Signal Processor)를 포함할 수 있다.

방향벡터 추정부(220)는 통신부(210)를 통해 수신된 전송 신호를 이용하여 빔 형성기의 방향벡터를 추정한다. 여기서, 방향벡터 추정부(220)는 MUSIC, ESPRIT, 수신된 전송 신호의 vovariance matrix의 eigenvector, pilot assisted, 파일롯 신호를 이용한 MMSE 방법 중 하나의 방법으로 빔 형성기의 가중치 방향벡터를 추정한다. 또한, 방향벡터 추정부(220)는 추정한 결과에 따른 방향 벡터를 저장하는 기능을 가지고 있으며, 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들을 다수로 미리 보관하고 있다.

내적값 산출부(230)는 방향벡터 추정부(220)를 통해 추정된 제1 방향 벡터와 이전에 추정된 제2 방향 벡터 간의 제1 내적값을 산출하고 이를 이용하여, 이동국(110 ~ 116)과 무선 신호를 송수신하기 위한 이동범위를 산출한다. 즉, 내적값 산출부(230)는 추정된 제1 방향 벡터와 바로 전에 추정된 제2 방향 벡터의 방향과 크기에 따른 제1 내적값을 산출한다. 그리고, 내적값 산출부(230)는 미리 저장되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 제1 방향 벡터 간의 제2 내적값을 산출한다.

제어부(240)는 내적값 산출부(230)를 통해 산출된 제1 내적값을 임계값과 비교하여, 제1 내적값이 임계값 이상이면 제1 방향 벡터를 이용해, 빔 형성기(250)를 통해 적응 빔 방식으로 상향링크와 하향링크의 빔 형성을 수행한다.

그러나, 제1 내적값이 임계값 이하이면, 제어부(240)는 내적값 산출부(230)를 통해 제3 방향 벡터를 산출하고, 제3 방향 벡터를 이용하여 빔 형성기(250)를 통해 스위칭 빔 방식으로 상향링크와 하향링크의 빔 형성이 되도록 제어한다. 즉, 제어부(240)는 미리 저장되어 있는 스위칭 빔용 방향벡터와 제2 방향 벡터 간의 제2 내적값을 산출한 후에 제2 내적값 들 중에 가장 내적값이 큰 스위칭 빔 방향벡터를 제3 방향 벡터로 설정하고, 제3 방향 벡터를 이용하여 스위칭 빔 방식으로 빔 형성이 되도록 제어하는 것이다. 이때, 스위칭 빔 방향 벡터는 셀이나 섹터를 미리 복수 개의 빔 방향으로 나눈 후에, 각 빔 방향에 대한 방향 벡터들을 미리 저장하고 있다.

제어부(240)는 제1 내적값이 임계값 이하이면, 미리 저장되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 제1 방향 벡터 간의 제2 내적값을 산출한 후에, 제2 내적값 들 중에 가장 내적 값이 큰 스위칭 빔 방향 벡터를 제3 방향 벡터로 설정할 수 있다.

또한, 제어부(240)는 제1 내적값이 임계값 이하이면, 미리 저장되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 제2 방향 벡터 간의 제2 내적값을 산출하고, 제2 내적값들 중에 가장 내적값이 큰 제1 스위칭 빔 방향 벡터를 선택하며, 각각의 스위칭 빔 방향 벡터들과 제1 방향 벡터 간의 제3 내적값을 산출하여 제3 내적값 들 중에 가장 내적값이 큰 제2 스위칭 빔 방향 벡터를 선택하며, 제1 스위칭 빔 벡터와 제2 스위칭 빔 벡터에 각각 가중치를 곱하여, 가중치가 곱해진 제1 스위칭 빔 벡터와 제2 스위칭 빔 벡터를 더하여 제3 방향 벡터로 설정할 수 있다.

빔 형성부(250)는 통신부(210)의 배열 안테나(202~204)에 대해 적응 빔 방식 또는 스위칭 빔 방식으로 빔 형성을 수행한다. 또한, 빔 형성기(250)는 도시하지는 않았지만 아날로그 신호 또는 디지털 신호를 변조(Modulation) 또는 복조(Demodulation)하는 변복조부(Modem)를 포함한다.

한편, 도 2에 도시된 각 구성 요소는 기지국(120) 뿐만 아니라 나머지 기지국들(122, 124)에도 동일하게 적용되고, 도시하지는 않았지만 각 기지국(120 ~ 124)은 스위칭 빔용 방향 벡터들을 미리 저장하고 있는 저장부를 포함한다.

도 3는 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 형성 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 기지국(120)은 각 이동국(110 ~ 116)으로부터 송출된 미드엠블이 포함된 전송 신호를 수신한다(S310).

배열 안테나(202 ~ 204)를 통해 수신된 전송 신호는 통신부(210)를 통해 중간 주파수 신호로 변환되고 아날로그 신호가 디지털 신호로 변환되어 방향벡터 추정부(220)로 전달된다.

제어부(240)는 수신된 전송 신호에 대하여 방향벡터 추정부(220)를 통해 빔 형성기의 제1 방향 벡터를 추정한다(S320).

즉, 방향벡터 추정부(220)는 수신된 전송 신호를 이용하여 빔 형성기의 가중치 벡터를 추정한다. 이 방식으로는 MUSIC, ESPRIT, 수신된 신호의 covariance matrix의 eigenvector를 이용하는 방법, pilot assisted 방법, 파일롯 신호를 이용한 MMSE 방법 등 현존하는 모든 방향 추정 알고리즘이 사용될 수 있다.

방향벡터 추정부(220)는 추정된 제1 방향 벡터를 내적값 산출부(230)로 전달한다.

이에 따라, 내적값 산출부(230)는 현재 추정된 제1 방향 벡터와 바로 전에 추정된 제2 방향 벡터의 제1 내적값을 수학식 1과 같이 산출한다(S330).

이렇게 현재 추정된 제1 방향 벡터와 바로 전에 추정된 제2 방향 벡터를 빔 형성에 이용하는 것은 예컨대, 1ms, 5ms, 혹은 10ms 등의 짧은 기간마다 수행할 때 수신되는 사용자 신호의 방향이 크게 바뀌지 않기 때문이다. 만약, 현재 추정된 제1 방향 벡터가 바로 전에 추정된 제2 방향 벡터와 크게 차이가 난다면, 이는 실제로 이동 채널 환경이 바뀌어서 크게 차이가 나는 경우일 수 있고, 현재 수신되는 신호가 페이딩 등의 영향으로 왜곡되어 발생할 수도 있다.

따라서, 현재 추정된 제1 방향 벡터가 바로 전에 추정된 제2 방향 벡터의 빔 방향과 유사한가를 판단하기 위한 방법으로 두 방향 벡터의 내적값을 이용한다. 두 벡터의 내적은 다음 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서, |·| 는 ·의 크기이고, θ는 두 벡터

와

사이의 각이다. 또한 방향 벡터의 크기가 정규화되어 있다면 두 방향 벡터의 내적은 다음 수학식 2와 같다.

따라서, 내적값을 이용하여 현재 추정된 신호의 빔 방향과 이전에 추정된 빔 방향의 유사성을 판단하는 경우, 두 방향 벡터가 모두 정규화 되었고, 방향의 변화가 없어 똑같은 방향 벡터라면 그 내적값이 1이고, 방향의 변화량이 많을수록 그 내적값은 작아진다.

그러므로, 본 발명에서는 현재 추정된 제1 방향 벡터와 바로 전에 추정되었던 제2 방향 벡터의 제1 내적값을 추정한 후에, 제1 내적값을 다음 수학식 3과 같이 임계값과 비교한다(S340).

여기서, ｃ_ｒ 은 임계값으로, 이 값이 1에 가까우면 현재 추정된 제1 방향 벡터가 바로 전에 추정되었던 제2 방향 벡터와 큰 변화가 없음을 나타내며, 이 값이 1 보다 크게 작아지면 현재 추정된 제1 방향 벡터가 바로 전에 추정되었던 제2 방향 벡터에 비해 크게 바뀌었음을 나타낸다.

따라서 본 발명에서는 수학식 3의 내적을 이용하여, 현재 추정된 제1 방향 벡터의 신뢰성을 평가한다. 즉, 제어부(240)는 수학식 3에 따라 제1 내적값이 임계값 보다 크면(S350-YES), 새로운 빔 형성 방향 벡터를 추정하는 짧은 시간 동안 사용자의 이동이 크지 않은 실제 환경과 유사한 경우이므로, 현재의 제1 방향 벡터를 이용하여 적응 빔 방식으로 하향링크와 상향링크의 빔 형성을 수행한다(S360).

하지만, 만약 전술한 두 방향 벡터의 제1 내적값이 임계값 보다 작다면(S350-NO), 이는 통신 환경이 lone-of-sight 통신에서 NLOS 환경으로 급격히 바뀌는 등의 이유로 페이딩이 심하게 발생하거나, 신호의 급격한 점프 등에 의해, 현재 추정된 제1 방향 벡터가 바로 전에 추정된 제2 방향 벡터와 큰 차이가 나기 때문으로, 현재 추정된 제1 방향 벡터 만으로 빔 형성을 수행하면 빔 형성에 의한 신뢰성이 저하된다고 판단하여, 제어부(240)는 스위칭 빔 방식의 방향 벡터를 이용하여 상향링크와 하향링크의 빔 형성을 수행한다(S370).

따라서, 빔 형성기(250)는 통신부(210)에 대해 제어부(240)의 빔 형성 제어에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 스위칭 빔 방식으로 빔 패턴을 형성하게 된다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 빔 패턴을 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 빔 형성 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.

본 발명에서는 현재 적응 빔 방식으로 추정된 제1 방향 벡터가 신뢰성이 저하된다고 판단하여 스위칭 빔 방식의 제2 방향 벡터로 전환할 때 다음과 같은 과정 으로 새로운 제3 방향 벡터를 결정하고, 제3 방향 벡터를 이용해 빔 형성을 수행한다.

도 5를 참조하면, 기지국(120)은 각 이동국(110 ~ 116)으로부터 전송 신호를 수신하면, 방향벡터 추정부(220)가 수신된 전송 신호를 이용하여 빔 형성기의 제1 방향 벡터를 추정한다(S510).

제어부(240)는 현재 추정된 제1 방향 벡터와 바로 전에 추정된 제2 방향 벡터의 제1 내적값을 내적값 산출부(230)를 통해 수학식 1과 같이 산출한다(S520).

제어부(240)는 제1 방향 벡터와 제2 방향 벡터 간의 제1 내적값을 수학식 3과 같이 임계값과 비교하여(S530), 제1 내적값이 임계값 보다 더 큰 지를 판단한다(S540).

제어부(240)는 두 방향 벡터의 제1 내적값이 임계값 보다 더 큰 경우에(S540-YES), 현재 추정된 제1 방향 벡터를 이용하여 상향링크와 하향링크의 빔 형성 수행한다(S550).

그러나, 두 방향 벡터의 제1 내적값이 임계값 보다 더 작은 경우에(S540-NO), 제어부(240)는 방향벡터 추정부(220)에 미리 보관되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터와 현재 추정한 제1 방향 벡터와의 제2 내적값을 내적값 산출부(230)를 통해 산출한다(S560).

제어부(240)는 내적값 산출부(230)를 통해 산출한 제2 내적값들 중에서 가장 그 내적값이 큰 스위칭 빔용 방향 벡터를 새로운 제3 방향 벡터로 설정한다(S570).

이때, 스위칭 빔용 방향 벡터는 셀이나 섹터를 미리 복수 개의 빔 방향으로 나눈 후에, 각 빔 방향에 대한 방향 벡터로 방향벡터 추정부(220)에 미리 저장되어 있다.

제어부(240)는 새로 설정된 제3 방향 벡터를 이용하여 상향링크와 하향링크의 빔 형성을 수행한다(S580).

그리고, 제어부(240)는 제3 방향 벡터를 바로 전의 방향 벡터 값에 저장한다. 여기서, 현재 추정된 제1 방향 벡터를 바로 전의 방향 벡터로 저장할 수도 있다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 빔 형성 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 기지국(120)은 각 이동국(110 ~ 116)으로부터 전송 신호를 수신하면, 방향벡터 추정부(220)가 수신된 전송 신호를 이용하여 빔 형성기의 제1 방향 벡터를 추정한다(S610).

내적값 산출부(230)는 현재 추정된 제1 방향 벡터와 바로 전에 추정된 제2 방향 벡터의 제1 내적값을 수학식 1과 같이 산출한다(S620).

제어부(240)는 제1 방향 벡터와 제2 방향 벡터 간의 제1 내적값을 수학식 3과 같이 임계값과 비교하여(S630), 제1 내적값이 임계값 보다 더 큰 지를 판단한다(S640).

제어부(240)는 두 방향 벡터의 제1 내적값이 임계값 보다 더 큰 경우에(S640-YES), 현재 추정된 제1 방향 벡터를 이용하여 적응 빔 방식으로 상향링크와 하향링크의 빔 형성 수행한다(S650).

그러나, 두 방향 벡터의 제1 내적값이 임계값 보다 더 작은 경우에(S640-NO), 제어부(240)는 미리 보관되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터와 현재 추정한 제1 방향 벡터와의 제3 내적값을 산출한다.

제어부(240)는 내적값 산출부(230)를 통해 산출한 제3 내적값들 중에서 가장 그 값이 큰 스위칭 빔용 방향 벡터를 새로운 제4 방향 벡터로 설정한다(S670).

이때, 스위칭 빔용 방향 벡터는 셀이나 섹터를 미리 복수 개의 빔 방향으로 나눈 후에, 각 빔 방향에 대한 방향 벡터를 방향벡터 추정부(220)에 미리 저장해 두고 있다.

제어부(240)는 새로 설정된 제4 방향 벡터를 이용하여 상향링크와 하향링크의 빔 형성을 수행한다(S680).

여기서, 제4 방향 벡터를 바로 전의 방향 벡터 값에 저장하고, 현재 추정된 제1 방향 벡터를 바로 전의 방향 벡터로 저장할 수도 있다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 빔 형성 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 기지국(120)은 각 이동국(110 ~ 116)으로부터 전송 신호를 수신하면, 방향벡터 추정부(220)가 수신된 전송 신호를 이용하여 빔 형성기의 제1 방향 벡터를 추정한다(S710).

방향벡터 추정부(220)는 추정한 제1 방향 벡터를 내적값 산출부(230)로 전달한다.

내적값 산출부(230)는 현재 추정된 제1 방향 벡터와 바로 전에 추정했던 제2 방향 벡터의 제1 내적값을 수학식 1과 같이 산출한다(S720).

제어부(240)는 제1 방향 벡터와 제2 방향 벡터 간의 제1 내적값을 수학식 3과 같이 임계값과 비교하여(S730), 제1 내적값이 임계값 보다 더 큰 지를 판단한다(S740).

제어부(240)는 두 방향 벡터의 제1 내적값이 임계값 보다 더 큰 경우에(S740-YES), 현재 추정된 제1 방향 벡터를 이용하여 적응 빔 방식으로 상향링크와 하향링크의 빔 형성 수행한다(S750).

그러나, 두 방향 벡터의 제1 내적값이 임계값 보다 더 작은 경우에(S740-NO), 제어부(240)는 미리 저장되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 바로 전에 추정했던 제2 방향 벡터 간의 제2 내적값을 산출한다(S760).

제어부(240)는 내적값 산출부(230)를 통해 산출한 제2 내적값들 중에 가장 내적값이 큰 제1 스위칭 빔용 방향 벡터를 선택한다(S762).

이어, 제어부(240)는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 제1 방향 벡터 간의 제4 내적값을 산출하고(S764), 제4 내적값 들 중에 가장 내적값이 큰 제2 스위칭 빔용 방향 벡터를 선택하며(S766), 제1 스위칭 빔용 방향 벡터와 제2 스위칭 빔용 방향 벡터에 각각 가중치를 곱한다(S768).

그리고, 제어부(240)는 가중치가 곱해진 제1 스위칭 빔용 방향 벡터와 가중치가 곱해진 제2 스위칭 빔용 방향 벡터를 더하여 제5 방향 벡터를 설정한다(S770).

제어부(240)는 새로 설정된 제5 방향 벡터를 이용하여 상향링크와 하향링크의 빔 형성을 수행한다(S780).

여기서, 제5 방향 벡터를 바로 전의 방향 벡터 값에 저장하고, 현재 추정된 제1 방향 벡터를 바로 전의 방향 벡터로 저장할 수도 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 스마트 안테나를 사용하는 기지국에서 상향 링크 시에 수신된 전송 신호를 이용하여 사용자의 수신 방향에 대한 방향 벡터를 추정하고, 추정된 방향 벡터와 이전 방향 벡터의 정보를 이용하여 상향링크 및 하향링크 또는 하향링크만의 빔 형성을 수행하도록 하는, 배열 안테나를 이용한 빔 형성 장치 및 방법을 실현할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 이동통신 시스템에서 각 사용자 단말기와 무선 신호를 송수신하는 기지국 장치에 적용할 수 있으며, 또한 수신된 신호를 이용하여 사용자의 수신 방향에 대한 방향 벡터를 추정하는 안테나 장치에 적용할 수 있으며, 그리고 추정된 현재의 방향 벡터와 이전 방향 벡터의 정보를 이용하여 상향링크 및 하향링크의 빔 형성을 수행할 수 있는 안테나 장치에 적용할 수 있다.

도 1은 상향 링크에서 선형 배열 안테나를 이용한 종래 적응 빔 안테나 방식을 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 빔 패턴을 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

110 ~ 116 : 이동국 120 ~ 124 : 기지국

202 ~ 204 : 배열 안테나 210 : 통신부

220 : 방향벡터 추정부 230 : 내적값 산출부

240 : 제어부 250 : 빔 형성부

Claims

전송 신호를 송수신하는 통신부;

상기 전송 신호를 이용하여 제1 방향 벡터를 추정하는 방향벡터 추정부;

상기 제1 방향 벡터와 상기 제1 방향 벡터를 추정하기 이전에 추정된 제2 방향 벡터의 제1 내적값을 산출하는 내적값 산출부;

이전에 추정된 스위칭 빔용 방향 벡터들을 저장하고 있는 저장부;

상기 제1 내적값을 임계값과 비교해, 상기 제1 내적값이 상기 임계값 이상이면 상기 제1 방향 벡터를 이용해 빔 형성이 되도록 제어하고, 상기 제1 내적값이 상기 임계값 이하이면 제3 방향 벡터를 산출하여, 상기 제3 방향 벡터를 이용하여 빔 형성이 되도록 제어하는 제어부; 및

상기 전송 신호의 빔 형성을 수행하는 빔 형성부;

를 포함하는 빔 형성 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 제1 방향 벡터를 이용하여 빔을 형성 시, 적응 빔 방식으로 상기 빔 형성을 수행하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 제1 방향 벡터를 사용하여 상향링크와 하향링크의 빔 형성을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 내적값 산출부는 상기 저장부에 미리 저장되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 상기 제2 방향 벡터와의 제2 내적값들을 산출하고,

상기 제어부는, 상기 제2 내적값 들 중에 그 값이 가장 큰 스위칭 빔용 방향벡터를 상기 제3 방향 벡터로 설정하고, 상기 제3 방향 벡터를 이용하여 상기 스위칭 빔 방식으로 빔 형성이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 내적값 산출부는 상기 저장부에 미리 저장되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 상기 제1 방향 벡터의 제3 내적값을 산출하고,

상기 제어부는, 상기 제3 내적값 들 중에 그 값이 가장 큰 스위칭 빔용 방향벡터를 상기 제3 방향 벡터로 설정하고, 상기 제3 방향 벡터를 이용하여 상기 스위칭 빔 방식으로 빔 형성이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 내적값 산출부는, 상기 저장부에 미리 저장되어 있는 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 상기 제2 방향 벡터의 제2 내적값을 산출하고, 상기 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 상기 제1 방향 벡터의 제4 내적값을 산출하며,

상기 제어부는, 상기 제2 내적값 들 중에 그 값이 가장 큰 제1 스위칭 빔용 방향 벡터를 선택하고, 상기 제4 내적값 들 중에서 그 값이 가장 큰 제2 스위칭 빔용 방향 벡터를 선택하며, 상기 제1 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 제2 스위칭 빔용 방향 벡터에 각각 가중치를 곱하여, 상기 가중치가 곱해진 상기 제1 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 가중치가 곱해진 상기 제2 스위칭 빔용 방향 벡터를 더하여 상기 제3 방향 벡터를 설정하고, 상기 제3 방향 벡터를 이용하여 상기 스위칭 빔 방식으로 빔 형성이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
(a) 단말기로부터 수신된 전송 신호를 이용하여 제1 방향 벡터를 추정하는 단계;

(b) 상기 추정된 제1 방향 벡터와 상기 제1 방향 벡터를 추정하기 이전에 추정된 제2 방향 벡터의 제1 내적값을 산출하는 단계; 및

(c) 상기 제1 내적값을 임계값과 비교하는 단계; 및

(d) 상기 비교 결과, 상기 제1 내적값이 상기 임계값 이상이면 상기 제1 방향 벡터를 이용해 빔 형성을 수행하는 단계;

를 포함하는 빔 형성 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 (d) 단계는, 상기 비교 결과, 상기 제1 내적값이 상기 임계값 이상이면, 상기 제1 방향 벡터를 이용하여 적응 빔 방식으로 빔 형성을 수행하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 (d) 단계는, 상기 제1 방향 벡터를 사용하여 상향링크와 하향링크의 빔 형성을 수행하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 (d) 단계는, 상기 비교 결과, 상기 제1 내적값이 상기 임계값보다 더 작은 경우에, 스위칭 빔 방식의 방향 벡터를 이용하여 빔 형성을 수행하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 (a) 단계는, MUSIC, ESPRIT, 상기 수신된 신호의 covariance matrix의 eigenvector, pilot assisted, 파일롯 신호를 이용한 MMSE 방법 중 하나의 방법으로 상기 제1 방향 벡터를 추정하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 방법.
(a) 단말기로부터 수신된 전송 신호를 이용하여 제1 방향 벡터를 추정하는 단계;

(b) 상기 추정된 제1 방향 벡터와 상기 제1 방향 벡터를 추정하기 이전에 추정된 제2 방향 벡터의 제1 내적값을 산출하는 단계; 및

(c) 상기 제1 내적값을 임계값과 비교하는 단계; 및

(d) 상기 제1 내적값이 상기 임계값 이상이면 상기 제1 방향 벡터를 이용하고, 상기 제1 내적값이 상기 임계값 이하이면 제3 방향 벡터를 설정해 상기 제3 방향 벡터를 이용해 빔 형성을 수행하는 단계;

를 포함하는 빔 형성 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 (d) 단계는, 미리 보관된 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 제2 방향 벡터의 제2 내적값을 산출하고, 상기 제2 내적값 들 중에서 그 값이 가장 큰 스 위칭 빔용 방향 벡터를 상기 제3 방향 벡터로 설정하여, 상기 제3 방향 벡터를 이용해 빔 형성을 수행하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 (d) 단계는, 미리 보관된 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 제1 방향 벡터의 제3 내적값을 산출하고, 상기 제3 내적값 들 중에서 그 값이 가장 큰 스위칭 빔용 방향 벡터를 상기 제3 방향 벡터로 설정하여, 상기 제3 방향 벡터를 이용해 빔 형성을 수행하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 (d) 단계는, 미리 보관된 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 제2 방향 벡터의 제2 내적값을 산출하고, 상기 제2 내적값 들 중에서 그 값이 가장 큰 제1 스위칭 빔용 방향 벡터를 선택하며, 상기 각각의 스위칭 빔용 방향 벡터들과 상기 제1 방향 벡터의 제4 내적값을 산출하며, 상기 제4 내적값 들 중에서 그 값이 가장 큰 제2 스위칭 빔용 방향 벡터를 선택하며, 상기 제1 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 제2 스위칭 빔용 방향 벡터에 가중치를 곱하며, 상기 가중치가 곱해진 상기 제1 스위칭 빔용 방향 벡터와 상기 가중치가 곱해진 상기 제2 스위칭 빔용 방향 벡터를 더하여 상기 제3 방향 벡터를 설정하며, 상기 제3 방향 벡터를 이용해 빔 형성을 수행하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 방법.