KR101883363B1 - 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법 및 장치 - Google Patents

안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법 및 장치 Download PDF

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오성근
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아주대학교 산학협력단
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법은, 가중치 벡터 생성 장치가, 안테나 배열을 이용한 빔 생성의 목표 조건인 N개의 방향 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건을 만족시키도록, 상기 안테나 배열에 대해 상기 N개의 방향 각각에 해당하는 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 단계; 상기 가중치 벡터 생성 장치가, 상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각에 적용될 N개의 생성 방정식 가중치를 설정하는 단계; 상기 가중치 벡터 생성 장치가, 상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각의 양변에 상기 설정된 N개의 생성 방정식 가중치를 적용하여 상기 N개의 방향 각각에 해당하는 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 단계; 및 상기 가중치 벡터 생성 장치가, 상기 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식에 기초하여 상기 안테나 배열을 구성하는 M개의 안테나에 적용될 M차원의 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법 및 장치 {Method and apparatus for generating weight vector of antenna array}
본 발명은 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는 안테나 배열이 복수의 방향에 대한 목표로 하는 빔 생성 조건을 만족하도록 안테나 배열의 가중치 벡터를 생성하는 방법 및 그 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다.
최근 대용량 데이터 통신에 대한 요구가 증가하면서 고품질의 고속 멀티미디어 통신 서비스가 점차 요구되고 있다. 특히 차세대 이동 통신 시스템에서는 기지국과 다수의 사용자 간의 고속 데이터 서비스를 제공하는 것을 목표로 하고 있다.
또한, 디지털 영상 미디어 기술의 발전과 고속 무선 전송에 대한 요구가 증가함에 따라 실내 외 근거리 고속 무선 데이터 통신에서 수 Gbps(giga bit per second) 급의 무선 전송을 현실화하려는 시도가 진행되고 있다.
이러한 고속 무선 통신의 한 해결책으로 안테나 배열을 이용한 빔 생성(beam forming)을 이용하는 통신 방법이 고려되고 있다. 고속으로 데이터를 전송하기 위해서는 일반적인 데이터 전송에 비해 큰 송신 출력과 전송 대역폭, 효율적인 다중 사용자 다중화 등이 요구된다. 따라서, 고속의 데이터의 효율적인 다중 사용자 다중화 전송을 수행하기 위해, 다중 사용자 간의 간섭 신호는 줄이고 원하는 신호는 효율적으로 전달하기 위해서 안테나 배열을 이용한 빔 생성을 이용할 수 있다. 이를 다른 말로 빔 포밍이라고 한다.
빔 생성은 고정 빔을 이용하느냐 빔을 동적으로 생성하느냐에 따라서 고정형 빔 포밍과 적응형 빔 포밍으로 나뉜다. 고정형 빔 포밍의 예로는 스위칭 빔 안테나(Switched Beam Antenna), 섹터 안테나(Sector Antenna) 등이 있고, 적응형 빔 포밍의 예로는 스마트 안테나, 다중 안테나(MIMO, Multiple Input Multiple Output) 송수신 시스템 등이 있다.
빔 생성은 대부분 2개 이상의 안테나 소자를 사용하는데 이를 안테나 배열이라고 한다. 안테나 배열을 이용하여 원하는 수신 신호의 신호 대 간섭 잡음비(SINR; Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)를 최대화하도록 원하는 신호 방향의 신호는 효율적으로 송수신하면서 간섭이 있는 특정 경로의 신호에 감쇠를 주어 간섭을 제거할 수도 있다.
즉 원하는 신호는 보강 간섭이 일어나도록 하고, 원하지 않는 신호는 상쇄 간섭이 일어나도록 한다. 이를 통해서 효율적으로 간섭 신호를 억제하여 다이버시티 이득(diversity gain)과 빔 성형 이득(beam-forming gain)을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 효율적인 다중 사용자 다중화 전송을 가능하게 함으로써 시스템 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
이러한 빔 생성 기술을 구현하기 위해서 기지국, 릴레이, 중계기, 단말기 등의 송수신 장치들은 각 안테나 별로 안테나 배열 가중치 벡터를 결정해야 한다. 그러나 안테나 배열 가중치 벡터를 결정하기 위해서는 안테나 배열을 이용하여 형성되는 무선 채널들의 정보를 획득하는 것이 필요하다. 특히 FDD(Frequency Division Duplex) 시스템의 경우 그 과정에서 전체의 안테나들에 대한 거대한 MIMO 채널에 대한 피드백 정보가 필요하므로, 레퍼런스 신호(또는 파일럿 신호) 전송 및 그에 대한 피드백 오버헤드가 매우 커지는 단점 있다.
이러한 단점으로 인하여 피드백을 줄이는 방법들이 많이 연구되었으나 만족할 만한 성능을 얻기 위해서는 상당한 양의 피드백을 필요로 하게 된다. 이에 피드백이 없이도 안테나 배열의 빔 생성 가중치 벡터를 생성하는 방법에 대한 요구가 점차 커지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법은, 안테나 배열 가중치 벡터 생성 장치가, 안테나 배열을 이용한 빔 생성의 목표 조건인 N개의 방향 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건을 만족시키도록, 상기 안테나 배열에 대해 상기 N개의 방향 각각에 해당하는 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 단계; 상기 안테나 배열 가중치 벡터 생성 장치가, 상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각에 적용될 N개의 생성 방정식 가중치를 설정하는 단계; 상기 안테나 배열 가중치 벡터 생성 장치가, 상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각의 양변에 상기 설정된 N개의 생성 방정식 가중치를 적용하여 상기 N개의 방향 각각에 해당하는 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 단계; 및 상기 안테나 배열 가중치 벡터 생성 장치가, 상기 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식에 기초하여 상기 안테나 배열을 구성하는 M개의 안테나에 적용될 M차원의 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 N개의 생성 방정식 가중치를 설정하는 단계는, 상기 안테나 배열 패턴 조건에 기초하여 상기 생성 방정식 가중치를 설정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 생성 방정식 가중치는, 다음의 수학식 12를 이용하여 설정하는 것이고,
[수학식 12]
Figure 112017075415969-pat00001
여기서,
Figure 112017075415969-pat00002
는 방향
Figure 112017075415969-pat00003
에 해당하는 상기 생성 방정식 가중치이고,
Figure 112017075415969-pat00004
는 방향
Figure 112017075415969-pat00005
에 해당하는 상기 안테나 배열 패턴 조건이며 실수 또는 복소수이고,
Figure 112017075415969-pat00006
는 상기 안테나 배열 패턴 조건을 입력으로 하는 임의의 함수이다.
바람직하게는, 상기 함수
Figure 112017075415969-pat00007
는 다음의 수학식 13a 또는 수학식 13b에 의한 다항식 함수의 형태이고,
[수학식 13a]
Figure 112017075415969-pat00008
[수학식 13b]
Figure 112017075415969-pat00009
여기서, c는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고, n은 상기 다항식의 차수이고, 계수
Figure 112017075415969-pat00010
는 실수 또는 복소수이다. 이하 다른 특별한 설명이 없으면 상수 “c”는 안테나 배열 패턴 조건
Figure 112017075415969-pat00011
를 간단히 표현한 것으로 한다.
바람직하게는, 상기 함수
Figure 112017075415969-pat00012
는 안테나 배열 패턴 조건 또는 그 절대값을 기저값으로 갖는 다음의 수학식 14a 또는 수학식 14b에 의한 거듭제곱 함수의 형태이고,
[수학식 14a]
Figure 112017075415969-pat00013
[수학식 14b]
Figure 112017075415969-pat00014
여기서, c는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고, n은 상기 거듭제곱 함수의 항의 수이고, 계수
Figure 112017075415969-pat00015
는 실수 또는 복소수이고, 지수
Figure 112017075415969-pat00016
는 실수이다.
바람직하게는, 상기 함수
Figure 112017075415969-pat00017
는 안테나 배열 패턴 조건 또는 그 절대값을 기저값으로 갖는 다음의 수학식 15a 또는 수학식 15b에 의한 거듭제곱 함수의 형태이고,
[수학식 15a]
Figure 112017075415969-pat00018
[수학식 15b]
Figure 112017075415969-pat00019
여기서, c는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고, 계수
Figure 112017075415969-pat00020
는 실수 또는 복소수이고, 지수
Figure 112017075415969-pat00021
는 실수이다.
바람직하게는, 상기 지수
Figure 112017075415969-pat00022
는 음의 실수이다.
바람직하게는, 상기 지수
Figure 112017075415969-pat00023
는
Figure 112017075415969-pat00024
이다.
바람직하게는, 상기 지수
Figure 112017075415969-pat00025
는 -2, -1, -1/2 중에서 어느 하나이다.
바람직하게는, 상기 안테나 배열 패턴 조건은, 상기 안테나 배열 가중치 벡터 생성을 위한 주어진 방향에서의 안테나 배열 패턴 목표값이거나, 상기 안테나 배열 가중치 벡터가 형성하는 안테나 배열 패턴값이 만족해야 하는 주어진 방향에서의 제한 조건이다.
바람직하게는, 상기 안테나 배열 패턴 조건은, 상기 N개의 방향에 대한 목표하는 안테나 배열 패턴 조건을 직접적으로 설정하거나, 상기 N개의 방향에 대한 목표하는 안테나 배열 패턴 조건을 생성하기 위한 정보들을 획득하거나 설정하고, 상기 획득되거나 설정된 안테나 배열 패턴 조건 생성을 위한 정보들에 기초하여 상기 N개의 방향에 대한 목표하는 안테나 배열 패턴 조건을 간접적으로 생성한 것이다.
바람직하게는, 상기 안테나 배열 패턴 조건은, 1) 신호, 간섭, 영점 중 어느 하나의 방향 정보 또는 방향 영역 정보, 2) 신호, 간섭, 영점 중 어느 하나의 이득 정보 또는 이득 제한 정보, 3) 복수의 방향 영역에 대한 이득 정보 또는 이득 제한 정보, 4) 신호 대 간섭 잡음비(SINR)에 대한 정보 또는 신호 대 간섭 잡음비 제한 정보, 5) 안테나 배열 가중치에 대한 정보 또는 안테나 배열 가중치 제한 정보 중에서 적어도 하나를 이용하여 설정되는 것이다.
바람직하게는, 상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식은 다음의 수학식 9 또는 수학식 10 또는 수학식 11에 의해 수립되는 것이고,
[수학식 9]
Figure 112017075415969-pat00026
[수학식 10]
Figure 112017075415969-pat00027
[수학식 11]
Figure 112017075415969-pat00028
여기서,
Figure 112017075415969-pat00029
는 방향
Figure 112017075415969-pat00030
에 해당하는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고,
Figure 112017075415969-pat00031
은 방향
Figure 112017075415969-pat00032
에 해당하는 안테나 배열 방향성 벡터이고,
Figure 112017075415969-pat00033
은 상기 안테나 배열 가중치 벡터이다.
바람직하게는, 상기 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식은 다음의 수학식 17a 또는 수학식 17b 또는 수학식 17c에 의해 수립되는 것이고,
[수학식 17a]
Figure 112017075415969-pat00034
[수학식 17b]
Figure 112017075415969-pat00035
[수학식 17c]
Figure 112017075415969-pat00036
여기서,
Figure 112017075415969-pat00037
는 방향
Figure 112017075415969-pat00038
에 해당하는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고,
Figure 112017075415969-pat00039
는 방향
Figure 112017075415969-pat00040
에 해당하는 상기 생성 방정식 가중치이고,
Figure 112017075415969-pat00041
은 방향
Figure 112017075415969-pat00042
에 해당하는 안테나 배열 방향성 벡터이고,
Figure 112017075415969-pat00043
은 상기 안테나 배열 가중치 벡터이다.
바람직하게는, 상기 안테나 배열 가중치 벡터는 다음의 수학식 20에 의해 생성되는 것이고,
[수학식 20]
Figure 112017075415969-pat00044
여기서,
Figure 112017075415969-pat00045
이고,
Figure 112017075415969-pat00046
이고,
Figure 112017075415969-pat00047
는 방향
Figure 112017075415969-pat00048
에 해당하는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고,
Figure 112017075415969-pat00049
는 방향
Figure 112017075415969-pat00050
에 해당하는 상기 생성 방정식 가중치이고,
Figure 112017075415969-pat00051
은 방향
Figure 112017075415969-pat00052
에 해당하는 안테나 배열 방향성 벡터이고,
Figure 112017075415969-pat00053
은 상기 안테나 배열 가중치 벡터이다.
바람직하게는, 제1 방향 통신 링크의 신호에 기초하여 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하고, 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터를 이용하여 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값을 생성하는 단계; 및 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값을 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건으로 설정하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 방향 통신 링크에 대해 상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 단계와 상기 N개의 생성 방정식 가중치를 설정하는 단계와 상기 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 단계 및 상기 M차원의 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 단계를 수행하는 것이다.
바람직하게는, 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값은 다음의 수학식 23a 또는 수학식 23b 또는 수학식 23c에 의해 생성되는 것이고,
[수학식 23a]
Figure 112017075415969-pat00054
[수학식 23b]
Figure 112017075415969-pat00055
[수학식 23c]
Figure 112017075415969-pat00056
여기서,
Figure 112017075415969-pat00057
는 방향
Figure 112017075415969-pat00058
에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이고,
Figure 112017075415969-pat00059
은 방향
Figure 112017075415969-pat00060
에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
Figure 112017075415969-pat00061
은 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터이다.
바람직하게는, 상기 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건은 다음의 수학식 24a 또는 수학식 24b 또는 수학식 24c에 의해 설정되는 것이고,
[수학식 24a]
Figure 112017075415969-pat00062
[수학식 24b]
Figure 112017075415969-pat00063
[수학식 24c]
Figure 112017075415969-pat00064
여기서,
Figure 112017075415969-pat00065
는 방향
Figure 112017075415969-pat00066
에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건이고,
Figure 112017075415969-pat00067
는 방향
Figure 112017075415969-pat00068
에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이고,
Figure 112017075415969-pat00069
은 방향
Figure 112017075415969-pat00070
에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
Figure 112017075415969-pat00071
은 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터이다.
바람직하게는, 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴 생성 방정식은 다음의 수학식 25a 또는 수학식 25b 또는 수학식 25c에 의해 수립되는 것이고,
[수학식 25a]
Figure 112017075415969-pat00072
[수학식 25b]
Figure 112017075415969-pat00073
[수학식 25c]
Figure 112017075415969-pat00074
여기서,
Figure 112017075415969-pat00075
는 방향
Figure 112017075415969-pat00076
에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건이고,
Figure 112017075415969-pat00077
는 방향
Figure 112017075415969-pat00078
에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이고,
Figure 112017075415969-pat00079
은 방향
Figure 112017075415969-pat00080
에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
Figure 112017075415969-pat00081
은 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터이다.
바람직하게는, 상기 제2 방향 통신 링크의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식은 다음의 수학식 26a 또는 수학식 26b 또는 수학식 26c에 의해 수립되는 것이고,
[수학식 26a]
Figure 112017075415969-pat00082
[수학식 26b]
Figure 112017075415969-pat00083
[수학식 26c]
Figure 112017075415969-pat00084
여기서,
Figure 112017075415969-pat00085
는 방향
Figure 112017075415969-pat00086
에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건이고,
Figure 112017075415969-pat00087
는 방향
Figure 112017075415969-pat00088
에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 생성 방정식 가중치이고,
Figure 112017075415969-pat00089
는 방향
Figure 112017075415969-pat00090
에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이고,
Figure 112017075415969-pat00091
은 방향
Figure 112017075415969-pat00092
에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
Figure 112017075415969-pat00093
은 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터이다.
바람직하게는, 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터는 다음의 수학식 30에 의하고,
[수학식 30]
Figure 112017075415969-pat00094
여기서,
Figure 112017075415969-pat00095
이고,
Figure 112017075415969-pat00096
이고,
Figure 112017075415969-pat00097
는 방향
Figure 112017075415969-pat00098
에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 생성 방정식 가중치이고,
Figure 112017075415969-pat00099
는 방향
Figure 112017075415969-pat00100
에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이고,
Figure 112017075415969-pat00101
은 방향
Figure 112017075415969-pat00102
에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
Figure 112017075415969-pat00103
은 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 배열 가중치 벡터 생성 장치는, 안테나 배열을 이용한 빔 생성의 목표 조건인 N개의 방향 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건을 만족시키도록, 상기 안테나 배열에 대해 상기 N개의 방향 각각에 해당하는 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 안테나 배열 패턴 생성 방정식 수립부; 상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각에 적용될 N개의 생성 방정식 가중치를 설정하는 생성 방정식 가중치 설정부; 상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각의 양변에 상기 설정된 N개의 생성 방정식 가중치를 적용하여 상기 N개의 방향 각각에 해당하는 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 안테나 배열 패턴 생성 방정식 변형부; 및 상기 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식에 기초하여 상기 안테나 배열을 구성하는 M개의 안테나에 적용될 M차원의 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 안테나 배열 가중치 벡터 생성부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 다음과 같다.
본 발명에서 제안하는 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법을 이용하면 안테나 배열을 이용하여 신호를 송신하는 송신 안테나 배열 가중치 벡터를 얻기 위하여 수신 장치로부터의 송신 안테나 배열 가중치 생성을 위한 정보의 피드백을 필요로 하지 않는다.
또한, 1) 신호, 간섭 및 영점의 방향 및 방향 영역, 2) 신호, 간섭 및 영점의 방향 이득 및 방향 영역의 이득의 구성에 무관하게 안테나 배열 패턴 조건을 합성할 수 있는 안테나 배열의 가중치 벡터를 생성할 수 있다. 이를 통해 안테나 배열을 이용한 통신 장치의 송수신 용량을 증가시킬 수 있다.
또한, 피드백이 없이도 빔 생성이 가능하므로 고속의 채널 변화에 적응적인 신호 송신을 위한 안테나 배열의 가중치 벡터를 생성할 수 있다. 즉 결과적으로 안테나 배열을 이용한 통신 장치의 제어 신호의 송수신 절차 및 제어 신호의 종류를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 안테나 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 안테나 배열 패턴 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법의 순서도이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법을 주파수 분할 전이중 시스템에 적용한 경우의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 장치의 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 안테나 배열을 설명하기 위한 도면이다.
안테나 배열(antenna array)은 복수의 안테나들이 공간상에 배열되는 전기적인 회로 구성을 말한다. 이때 안테나를 배치하는 구조에 따라 1차원 배열(one dimensional array) 구조로 균등 선형 배열(ULA, Uniform Linear Array) 등이 있다. 그 외에도 2차원 배열(two dimensional array) 구조로 2차원 평판 배열(planar array), 다각형의 배열, 균등 원형 배열(UCA, Uniform Circular Array), 타원형의 배열, 임의의 형태의 배열 등이 있다. 또한 3차원 배열(three dimensional array) 구조로 3차원 입체 배열(volume array), 다면체 형태의 배열, 구 형태의 배열, 타원면 형태의 배열, 원뿔 형태의 배열, 임의의 3차원 형태의 배열 등이 있다.
이때 안테나 사이의 간격은 균일할 수도 있고 임의의 간격으로 배열될 수도 있다. 또한 안테나 배열 요소의 종류도 동일한 방사 특성을 갖는 안테나 요소를 사용할 수도 있고, 서로 다른 방사 특성을 갖는 안테나 요소를 사용할 수도 있다. 또는 공간적으로 분리된 안테나 배열을 하나의 안테나로 취급하여 복수의 안테나 배열의 결합으로 구성될 수도 있다.
도 1a를 참고하면 안테나 배열의 한 종류인 균등 선형 배열 구조가 도시되어 있다. 도 1에는 순번 0번부터 M-1번까지 총 M개의 안테나가 일정한 간격 d마다 규칙적으로 배열이 되어 있다. 이때 각 안테나 별로 진폭과 위상을 제어할 수 있다.
예를 들면 도 1a에서는 균등 선형 배열 구조의 안테나 배열에 대해 신호가 θ의 각도를 가지고 도달하는 것을 볼 수 있다. 그러면 각 안테나에서 신호를 수신하고 여기에 각 안테나 별로 진폭과 위상을 제어하기 위한 안테나 배열 가중치 벡터를 적용한 후, 이를 모두 합산하여 안테나 배열이 수신한 최종 신호를 얻을 수 있다.
도 1b를 참고하면 X1부터 Xm까지 총 m개의 안테나가 수신한 신호에 가중치 w1부터 wm을 각각 적용하고, 이를 합산하여 최종 신호 Y를 얻는 과정을 볼 수 있다. 이처럼 안테나 배열 가중치 벡터를 사용하여 안테나 배열이 원하는 방향성 패턴 특성을 가지도록 빔 생성을 할 수 있다.
도 1c는 안테나 배열의 방향성 패턴 특성을 도시한 그래프의 일 예이다. 도 1c를 참고하면 0도부터 180도까지 어느 한 안테나 배열의 방향성 패턴 특성을 볼 수 있다. 도 1c에서는 각도 45도에서 최대 방사를 하고, 각도 72, 94, 120, 153도에서 영점(null)을 갖는다. 또한 HPBW(half power beam width)는 대략 30도 정도이다. 마지막으로 사이드 로브는 메인 빔의 피크보다 12dB 낮은 것을 볼 수 있다.
도 1a 내지 도 1c에서 설명한 것처럼 안테나 배열을 이용하면 특정 방향은 이득을 키우고 특정 방향은 이득을 줄일 수 있다. 이를 통해 간섭을 제거하고 대용량의 데이터를 송수신 할 수 있다. 이처럼 안테나 배열의 빔 생성을 위해서는 안테나 배열 가중치 벡터의 생성이 가장 중요하다.
특히 도 1c에서 볼 수 있듯이 특정 방향의 이득은 키우고 특정 방향의 이득은 줄이는 방식으로 빔 포밍(beam forming)을 하게 된다. 이때 방향은 안테나 배열의 기준점에서 기준 방향에 대하여 정의되는 기하학적 방향을 말한다. 이는 2차원 방향이거나 3차원 방향일 수 있다.
2차원 방향의 경우, 2차원 평면을 정의하는 좌표계의 단위벡터들을 사용하여 각각의 단위벡터 방향으로 투영되는 방향 코사인들을 이용하여 나타낼 수 있다. 그리고, 3차원 방향의 경우, 3차원 공간을 정의하는 좌표계의 단위벡터들을 사용하여 각각의 단위벡터 방향으로 투영되는 방향 코사인들을 이용하여 나타낼 수 있다.
또한, 2차원 평면에서 정의되는 2차원 방향성 단위 벡터를 이용하거나, 3차원 공간에서 정의되는 3차원 방향성 단위 벡터를 이용하여 표현할 수 있다. 이처럼 방향은 2차원 평면이나 3차원 공간에서 기준점이나 기준점에서 정의되는 기준 방향을 정의하는 방법에 따라 그 값이 다르게 표현될 수 있다.
예를 들면 2차원 방향의 경우, 수평각(또는 방위각) 및 상하각(또는 앙각) 중 하나일 수 있다. 그러나, 방향은 2차원 평면이나 3차원 공간에서 범위를 제한하여 정의할 수 있음은 물론이다. 예를 들면, 2차원 평면에서 수평각의 범위를 -60도에서 +60도까지로 제한할 수 있다. 이와 같은 방법으로 3차원 공간에서도 방향의 범위를 임의로 제한할 수 있다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 안테나 배열 패턴 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 1c에서 안테나 배열의 가중치 벡터를 이용하면 특정 방향의 이득은 키우고 특정 방향의 이득은 줄일 수 있음을 설명하였다. 이때 각 방향에 대해 빔 생성을 위한 안테나 배열 패턴의 목표값 또는 안테나 배열 패턴값이 만족해야 하는 제한 조건을 설정할 수 있는데 이를 이하 안테나 배열 패턴 조건이라 지칭한다.
도 2a를 참고하면 -60도부터 +60도까지의 범위에 대해서 10도 간격으로 목표로 하는 안테나 배열 패턴 조건을 수치로 기재한 표를 볼 수 있다. 이처럼 각 방향에 대해서 안테나 배열이 만족해야 하는 목표값을 달성하도록 안테나 배열 가중치 벡터를 생성할 수 있다.
이때 안테나 배열 패턴 조건은 실수 또는 복소수일 수 있다. 실수의 경우, 선형 단위(linear scale)이거나 대수 단위 (logarithmic scale)일 수 있다. 그리고 복소수인 경우, 크기와 위상으로 나타낼 수 있으며, 크기는 선형 단위(linear scale)이거나 대수 단위(logarithmic scale)로 나타낼 수 있다. 물론 도 2a의 예시 외에도 다른 형태로 안테나 배열 패턴 조건을 표현할 수 있다.
또한 안테나 배열 패턴 조건은 전 방향이 아닌 특정 방향에 대해서만 설정될 수도 있다. 예를 들면, 균등 선형 배열 구조의 안테나 배열은 -90도부터 +90도까지 사용할 수 있지만 도 2a와 같이 그 중에서 -60도부터 +60도에 대해서만 안테나 배열 패턴 조건을 설정할 수 있다.
또한 안테나 배열 패턴 조건은 균등한 방향 간격에 대해서 설정될 수도 있고, 불균등한 방향 간격에 대해서도 설정될 수 있다. 그 외에도 불연속적인 복수의 방향 구간에 대해서도 설정할 수 있다. 도 2a는 안테나 배열 패턴 조건을 설명하기 위한 일 예일 뿐 발명을 제한하고자 하는 것은 아니므로 안테나 배열 패턴 조건은 다양한 구간, 간격, 형태, 단위 등으로 표현될 수 있다.
이러한 안테나 배열 패턴 조건은 각 방향에 대해 도 2a와 같이 직접적으로 설정될 수도 있고, 다른 정보들을 바탕으로 간접적으로 설정될 수도 있다. 예를 들면, 1) 신호, 간섭, 영점 중 어느 하나의 방향 정보 또는 방향 영역 정보, 2) 신호, 간섭, 영점 중 어느 하나의 이득 정보 또는 이득 제한 정보, 3) 복수의 방향 영역에 대한 이득 정보 또는 이득 제한 정보, 4) 신호 대 간섭 잡음비(SINR)에 대한 정보 또는 신호 대 간섭 잡음비 제한 정보, 5) 안테나 배열 가중치에 대한 정보 또는 안테나 배열 가중치 제한 정보 중에서 적어도 하나를 이용하여 안테나 배열 패턴 조건을 간접적으로 설정할 수 있다.
여기서, 신호, 간섭, 영점 중 어느 하나의 방향 정보 또는 방향 영역 정보란 신호 방향, 간섭 신호 방향, 영점 방향, 신호 방향 영역, 간섭 신호 방향 영역, 영점 방향 영역 등을 말한다.
그리고 신호, 간섭, 영점 중 어느 하나의 이득 정보 또는 이득 제한 정보란 신호 방향의 이득 또는 신호 방향의 이득 제한 요소, 간섭 신호 방향의 이득 또는 간섭 신호 방향의 이득 제한 요소, 영점 방향의 영점 깊이(null depth) 또는 영점 방향의 영점 깊이 제한 요소, 신호 방향의 빔폭 또는 신호 방향의 빔폭 제한 요소, 영점 방향의 영점폭(null width) 또는 영점 방향의 영점폭 제한 요소, 신호 전력 또는 신호 전력 제한 요소, 간섭 신호 전력 또는 간섭 신호 전력 제한 요소, 잡음 신호 전력 또는 잡음 신호 전력 제한 요소, 신호 세기 또는 신호 세기 제한 요소, 간섭 신호 세기 또는 간섭 신호 세기 제한 요소 등을 말한다.
그리고 복수의 방향 영역에 대한 이득 정보 또는 이득 제한 정보란 방향 영역별 이득 또는 방향 영역별 이득 제한 요소, 신호 방향 영역별 이득 또는 이득 제한 요소, 간섭 신호 방향 영역별 이득 또는 이득 제한 요소, 영점 방향 영역별 이득 또는 이득 제한 요소 등을 말한다.
안테나 배열 패턴 조건을 직접적으로 설정하는 경우에는, 안테나 배열을 이용한 신호 송수신 장치의 사용자가 정보 입력 장치를 이용하여 직접 입력하거나 메모리에 저장된 데이터를 로드(load)하여, 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건을 직접 설정할 수 있다.
구체적인 예로는 사용자가 키보드(소프트웨어 키보드 포함), 터치 스크린 등과 같은 정보 입력 장치를 이용하여 시스템에 직접 입력하거나, 메모리에 저장되거나 파일 형태로 저장된 데이터를 로드하여, 그림 2와 같은 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건을 설정할 수 있다.
안테나 배열 패턴 조건을 간접적으로 설정하는 경우에는, 안테나 배열 패턴 조건을 설정하기 위한 정보를 이용하여 해당 정보들을 만족시키는 안테나 배열 패턴값을 안테나 배열 패턴 조건으로 설정할 수 있다.
이 경우, 시스템은 안테나 배열 패턴 조건의 설정을 위한 1) 신호, 간섭, 영점 중 어느 하나의 방향 정보 또는 방향 영역 정보, 2) 신호, 간섭, 영점 중 어느 하나의 이득 정보 또는 이득 제한 정보, 3) 신호 대 간섭 잡음 비 등을 이용하여 미리 정의된 함수를 적용하거나 미리 정의된 알고리즘, 미리 정의된 방법을 이용하여 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건을 자동으로 설정할 수 있다.
예를 들면, 방향 정보로서 신호 방향 및 간섭 신호 방향을 설정하고, 이득 정보로서 신호 방향 이득 제한 요소를 설정한 후에, 방향 정보와 이득 정보를 이용하여 신호 방향의 이득을 만족시키면서 간섭 신호 방향의 이득을 최소화하여 출력 신호의 전력을 최소화 하는 안테나 배열의 가중치 벡터를 생성할 수 있다. 그리고, 생성된 안테나 배열 가중치 벡터를 이용하여 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴값을 생성하고, 생성한 안테나 배열 패턴값을 안테나 배열 패턴 조건으로 설정할 수 있다.
구체적인 예를 들면, 신호의 방향이
Figure 112017075415969-pat00104
이고, 신호의 전력이
Figure 112017075415969-pat00105
이고, 신호의 안테나 배열 방향성 벡터를
Figure 112017075415969-pat00106
라고 가정하자. 또한, 간섭 신호1의 방향이
Figure 112017075415969-pat00107
이고, 간섭 신호1의 전력이
Figure 112017075415969-pat00108
이며, 간섭 신호1의 안테나 배열 방향성 벡터를
Figure 112017075415969-pat00109
라고 가정하자. 또한, 간섭 신호2의 방향이
Figure 112017075415969-pat00110
이고, 간섭 신호2의 전력이
Figure 112017075415969-pat00111
이고, 간섭 신호2의 안테나 배열 방향성 벡터
Figure 112017075415969-pat00112
라고 가정하자. 마지막으로, 잡음 신호의 전력이
Figure 112017075415969-pat00113
라고 정의하자.
이 경우, 수신 신호의 공분산 행렬을 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017075415969-pat00114
여기서, R은 수신 신호의 공분산 행렬을 나타내며, I는 단위 행렬이고, 윗 첨자 H는 공액 전치(conjugate transpose) 연산자이다.
이때 신호 방향의 이득이 1이 되도록 유지하면서, 즉 다시 말하면
Figure 112017075415969-pat00115
을 만족하도록 하면서, 수신 신호의 전력을 최소화하는 안테나 배열 가중치 벡터를 다음의 수학식 2에 의해 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017075415969-pat00116
여기서
Figure 112017075415969-pat00117
는 신호 성분을 제외한 간섭 신호들과 잡음 신호의 공분산 행렬을 나타내며,
Figure 112017075415969-pat00118
는 수신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터이다. 여기서 수학식2를 참조하면 다음과 같이 수학식 3을 정의할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017075415969-pat00119
이처럼 수학식 1 내지 수학식 3을 참고하면 안테나 배열 패턴 조건을 생성하기 위한 정보를 바탕으로 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 과정을 볼 수 있다. 다만 이는 발명의 이해를 돕기 위한 예시일 뿐이며, 발명을 제한하고자 하는 것은 아니므로 그 외에도 다양한 방법으로 안테나 배열 가중치 벡터를 생성할 수 있다.
여기서 안테나 배열 가중치 벡터가 생성되면, 생성된 안테나 배열 가중치 벡터를 이용하여 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴값을 생성할 수 있다. 예를 들면 복수의 방향을 N개로 가정하고
Figure 112017075415969-pat00120
로 나타내자. 이때 각 방향에 해당하는 안테나 배열 패턴값은 다음의 수학식 4와 같이 생성할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017075415969-pat00121
여기서,
Figure 112017075415969-pat00122
는 방향
Figure 112017075415969-pat00123
에 해당하는 안테나 배열 패턴값을 나타내며,
Figure 112017075415969-pat00124
는
Figure 112017075415969-pat00125
방향에 해당하는 안테나 배열 방향성 벡터를 나타내고,
Figure 112017075415969-pat00126
는 수신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터이다.
이때, 안테나 배열 패턴값으로
Figure 112017075415969-pat00127
를 이용할 수도 있으나, 이를 변형하여 이용할 수도 있다. 대표적인 변형으로는 다음 수학식 5 내지 수학식 6의 두 가지를 들 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112017075415969-pat00128
[수학식 6]
Figure 112017075415969-pat00129
이렇게 안테나 배열 패턴값을 생성한 후에는 이를 이용하여 안테나 배열 패턴 조건을 설정할 수 있다. 이를 수식으로 나타내면 다음의 수학식 7a 내지 7c와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 7a]
Figure 112017075415969-pat00130
[수학식 7b]
Figure 112017075415969-pat00131
[수학식 7c]
Figure 112017075415969-pat00132
여기서
Figure 112017075415969-pat00133
는
Figure 112017075415969-pat00134
방향에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건을 나타낸다. 이상으로 수학식 1 내지 수학식 7c를 통해서 1) 방향 정보로서 신호 방향 및 간섭 신호 방향을 설정하고, 2) 이득 정보로서 신호 방향 이득 제한 요소를 설정한 후에 안테나 배열 패턴 조건을 설정하는 과정을 살펴보았다.
물론 그 외에도 다양한 정보를 이용하여 안테나 배열 패턴 조건을 설정할 수 있다. 예를 들면, 방향 정보로서 신호 방향 영역을 설정하고, 이득 정보로서 신호 방향 영역을 포함한 방향 영역별 이득 제한 요소를 설정한 후에, 안테나 배열 패턴 조건을 설정할 수도 있다.
구체적인 예를 들면, -90도에서 -60도까지의 방향 영역에서는 전력 이득이 -50dB 이하이고, -30도에서 -20도까지의 방향 영역에서는 전력이득이 -70dB 이하로 가정하자. 그리고, -5도부터 +5도까지의 방향 영역에서는 전력이득이 -0.5dB 이상이며, +10도부터 +20도까지의 방향 영역에서는 전력이득이 -70dB 이하로 가정하자. 마지막으로, +60도에서 +90도까지의 방향 영역에서는 전력이득이 -50dB 이하가 되도록 설정할 수 있다.
이때, 각각의 방향 영역에서 영역별로 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴값들을 설정하고, 설정된 안테나 배열 패턴값들을 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건으로 설정할 수 있다.
보다 구체적으로는, -90도에서 -60도까지의 방향 영역에서는 -90도에서 -50dB, -80도에서 -50dB, -70도에서 -50dB, -60도에서 -50dB로 안테나 배열 패턴값을 설정할 수 있다. 그리고, -30도에서 -20도까지의 방향 영역에서는 -30도에서 -70dB, -27.5도에서 -80dB, -25도에서 -90dB, -22.5도에서 -80dB, -20도에서 -70dB로 안테나 배열 패턴값을 설정할 수 있다. 그리고, -5도에서 +5도까지의 방향 영역에서는 -5도에서 -0.5dB, -2.5도에서 0dB, 0도에서 0.5dB, +2.5도에서 0dB, +5도에서 -0.5dB로 안테나 배열 패턴값을 설정할 수 있다. 그리고, +10도에서 +20도까지의 방향 영역에서는 +10도에서 -70dB, +12.5도에서 -80dB, +15도에서 -90dB, +17.5도에서 -80dB, +20도에서 -70dB로 안테나 배열 패턴을 설정할 수 있다. 그리고 +60도에서 +90도까지의 방향 영역에서는 +60도에서 -50dB, +70도에서 -50dB, +80도에서 -50dB, +90도에서 -50dB로 안테나 배열 패턴값을 설정할 수 있다.
이를 표로 정리하면 도 2b와 같다. 도 2b에서 볼 수 있듯이 방향 영역 별로 제한 요소를 만족시킬 수 있는 안테나 배열 패턴값은 얼마든지 다양하게 있을 수 있다. 그리고 이러한 안테나 배열 패턴값을 안테나 배열 패턴 조건으로 설정할 수 있다.
이처럼 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴값 생성을 위한 정보들을 설정하고, 설정된 안테나 배열 패턴값 생성을 위한 정보들을 이용하여 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴값들을 생성하고, 생성된 안테나 배열 패턴값들을 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건들로 설정할 수 있다.
또한 안테나 배열 패턴값 생성을 위한 정보로부터 안테나 배열 패턴 조건을 설정하는 경우 외에도 시스템이 자체적으로 안테나 배열 패턴 조건을 설정할 수도 있다. 시스템이 자체적으로 안테나 배열을 이용하여 신호를 수신하고, 수신된 신호로부터 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하고, 생성된 안테나 배열 가중치 벡터를 이용하여 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴값을 생성하고, 생성된 안테나 배열 패턴값을 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건들로 설정할 수 있다.
예를 들면 송신부에서 미리 알려진 훈련 신호들을 전송하고, 수신부에서 안테나 배열을 이용하여 미리 알려진 훈련 신호에 해당하는 안테나 배열 신호를 수신하고, 수신된 안테나 배열 신호로부터 안테나 배열 수신 신호 벡터의 공분산 행렬을 추정하고, 또한 미리 알려진 훈련 신호와 수신된 안테나 배열 신호의 교차 상관 벡터를 구하여 안테나 배열 가중치 벡터를 생성할 수 있다.
이때 안테나 배열 가중치 벡터는 다음의 수학식 8과 같이 생성할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112017075415969-pat00135
여기서
Figure 112017075415969-pat00136
는 안테나 배열 수신 신호 벡터의 공분산 행렬이고,
Figure 112017075415969-pat00137
는 안테나 배열 수신 신호 벡터와 훈련 신호의 교차 상관 벡터이다. 공분산 행렬과 교차 상관 벡터의 생성이나 추정을 위한 방법에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 또한 이 외에도 시스템이 자체적으로 안테나 배열을 이용하여 신호를 수신하고 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 다른 방법들이 적용 가능함은 물론이다.
이상으로 안테나 배열 패턴 조건을 직접적으로 설정하거나, 간접적으로 설정하는 과정에 대해서 살펴보았다. 이렇게 안테나 배열 패턴 조건을 설정한 후에는 복수의 각 방향에 대해서 안테나 배열 패턴 조건을 만족시키는 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립한다.
예를 들면 수학식 7a에 주어진 안테나 배열 패턴 조건과 안테나 배열 방향성 벡터를 이용하여 다음의 수학식 9와 같이 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112017075415969-pat00138
여기서
Figure 112017075415969-pat00139
는 방향
Figure 112017075415969-pat00140
에 해당하는 안테나 배열 방향성 벡터이며,
Figure 112017075415969-pat00141
는 안테나 배열 가중치 벡터를 나타낸다. 마찬가지로 수학식 7b와 수학식 7c에 기초하여 각각 다음의 수학식 10 및 수학식 11과 같은 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112017075415969-pat00142
[수학식 11]
Figure 112017075415969-pat00143
이하 발명의 이해를 돕기 위해 수학식 9을 위주로 설명을 계속할 것이나, 이는 수학식 10이나 수학식 11에도 동일하게 적용이 가능하다. 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립한 후에는 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각에 적용할 생성 방정식 가중치를 설정하는 과정이 필요하다.
여기서 생성 방정식 가중치란 복수의 방향에 대해 각각 수립한 안테나 배열 패턴 생성 방정식의 양변에 곱하는 값을 말한다. 생성 방정식 가중치를 안테나 배열 패턴 생성 방정식 양변에 곱하더라도 안테나 배열 패턴 생성 방정식의 등호에는 영향이 없다. 대신 복수의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 이용하여 안테나 배열 가중치 벡터를 구할 때, 생성 방정식 가중치를 이용하면 신호 세기가 크게 감쇄되는 영점에 대한 정보를 보다 잘 반영할 수 있다.
복수의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 이용하여 안테나 배열 가중치 벡터를 구할 때, 주로 최소 자승법(Least Square Method)을 이용하여 각각의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 만족하는 안테나 배열 가중치 벡터를 찾게 되는데, 영점의 경우 그 값이 작기 때문에 안테나 배열 가중치 벡터에 잘 반영이 안 되는 경우가 많다.
이때 특정 방향에 대해서 영점에 관한 조건이 걸려 있는 경우 해당 특정 방향의 안테나 배열 패턴 생성 방정식에 영점에 관한 조건이 잘 반영되도록, 설정한 생성 방정식 가중치를 안테나 배열 패턴 생성 방정식의 양변에 곱하면, 추후 최소 자승법으로 안테나 배열 가중치 벡터를 구할 때 해당 특정 방향의 영점에 관한 조건을 보다 잘 반영되게 할 수 있다.
이를 위한 과정들을 살펴보면 다음과 같다. 우선 생성 방정식 가중치는 안테나 배열 패턴 조건에 기초하여 생성할 수 있다. 예를 들면 안테나 배열 패턴 조건을 입력으로 하는 함수를 이용하여 생성 방정식 가중치를 생성할 수 있다. 이때, 경우에 따라서는 안테나 배열 패턴 조건을 이용할 수 있다.
예를 들면, 방향
Figure 112017075415969-pat00144
에 해당하는 설정된 안테나 배열 패턴 조건이
Figure 112017075415969-pat00145
라고 하자. 이때, 기저값으로
Figure 112017075415969-pat00146
를 사용하면, 방향
Figure 112017075415969-pat00147
에 해당하는 생성 다항식 가중치
Figure 112017075415969-pat00148
는 다음의 수학식 12와 같은 함수로 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112017075415969-pat00149
여기서,
Figure 112017075415969-pat00150
는 임의의 함수일 수 있다. 그리고
Figure 112017075415969-pat00151
는 안테나 배열 패턴 조건으로 실수 또는 복소수이다. 이때 임의의 함수
Figure 112017075415969-pat00152
는
Figure 112017075415969-pat00153
를 그대로 사용하거나 절대값을 취해서 사용할 수 있다.
예를 들면, 다음과 같은 다항식의 형태를 가질 수 있다. 다항식의 차수를
Figure 112017075415969-pat00154
이라고 하면,
[수학식 13a]
Figure 112017075415969-pat00155
[수학식 13b]
Figure 112017075415969-pat00156
여기서, c는 안테나 배열 패턴 조건이고, 다항식의 계수
Figure 112017075415969-pat00157
는 임의의 실수이거나 복소수 일 수 있다. 이하 다른 특별한 설명이 없으면 상수 “c”는 안테나 배열 패턴 조건
Figure 112017075415969-pat00158
를 간단히 표현한 것으로 한다.
또한 안테나 배열 패턴 조건을 생성 방정식 가중치로 매핑(mappging)시키는 함수
Figure 112017075415969-pat00159
는 안테나 배열 패턴 조건을 기저값으로 하는 임의의 지수값을 갖는 거듭제곱 함수를 이용할 수 있다.
예를 들면, 방향
Figure 112017075415969-pat00160
에 해당하는 설정된 안테나 배열 패턴 조건이
Figure 112017075415969-pat00161
라고 하자. 이때, 기저값으로
Figure 112017075415969-pat00162
를 사용하면, 두 개의 지수값들에 의해 결정되는 방향
Figure 112017075415969-pat00163
에 해당하는 생성 방정식 가중치
Figure 112017075415969-pat00164
는 다음의 수학식 14a 또는 수학식 14b와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 14a]
Figure 112017075415969-pat00165
[수학식 14b]
Figure 112017075415969-pat00166
여기서 c는 안테나 배열 패턴 조건이고, 지수값
Figure 112017075415969-pat00167
,
Figure 112017075415969-pat00168
는 임의의 실수값을 가질 수 있으며, 계수
Figure 112017075415969-pat00169
는 임의의 실수이거나 복소수 일 수 있다. 이처럼 다양한 형태로 생성 방정식 가중치를 만들기 위한 함수
Figure 112017075415969-pat00170
를 설정할 수 있다. 수학식 13a 내지 수학식 13b의 경우에는 생성 방정식 가중치
Figure 112017075415969-pat00171
는
Figure 112017075415969-pat00172
의 다항식 함수 형태였으나, 수학식 14a 내지 수학식 14b의 경우에는
Figure 112017075415969-pat00173
는
Figure 112017075415969-pat00174
의 지수함수 형태이다.
또한, 수학식 14a 내지 수학식 14b에서는 지수값이 2개인 경우만 예시하였으나, 그 외에도 지수값의 개수는 2개 외에 임의의 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 지수값이 1개인 경우를 가정해 볼 수 있다. 즉 수학식 14a 내지 수학식 14b의 특별한 형태로, 항이 하나인 경우를 가정해 볼 수 있다. 이를 수학식으로 표현하면 다음의 수학식 15a 내지 수학식 15b와 같다.
[수학식 15a]
Figure 112017075415969-pat00175
[수학식 15b]
Figure 112017075415969-pat00176
여기서, c는 안테나 배열 패턴 조건이고, 지수값
Figure 112017075415969-pat00177
는 임의의 실수값을 가질 수 있으며, 계수
Figure 112017075415969-pat00178
는 임의의 실수 이거나 복소수일 수 있다.
또한, 수학식 15a 내지 수학식 15b의 보다 특별한 경우로 지수값이 음의 지수값을 갖는 경우를 가정해 볼 수 있다. 이를 수학식으로 표현하면 다음의 수학식 16a 내지 16b와 같다.
[수학식 16a]
Figure 112017075415969-pat00179
[수학식 16b]
Figure 112017075415969-pat00180
여기서 c는 안테나 배열 패턴 조건이고, 지수값
Figure 112017075415969-pat00181
는
Figure 112017075415969-pat00182
일 수 있으며, 특히,
Figure 112017075415969-pat00183
이거나,
Figure 112017075415969-pat00184
이거나,
Figure 112017075415969-pat00185
일 수 있다. 즉 안테나 배열 패턴 조건의 제곱의 역수나(-2), 역수나(-1), 제곱근의 역수(-1/2)일 수 있다. 이처럼 생성 방정식 가중치를 역수의 형태로 생성하게 되면 영점의 정보를 보다 잘 반영할 수 있다.
예를 들면 특정 방향에 대해서 간섭을 제거하기 위해서 해당 방향의 이득을 영점으로 설정한다고 가정해보자. 이 경우 안테나 배열 패턴 조건으로 이득이 0이 설정되는 것은 아니고 실제로는 10-9 등과 같이 매우 작은 값으로 안테나 배열 패턴 조건을 설정하게 된다.
이러한 안테나 배열 패턴 조건으로 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하여, 최소 자승법 등으로 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하게 되면, 영점으로 설정한 방향은 안테나 배열 패턴 조건이 너무 작기 때문에 안테나 배열 가중치 벡터에 잘 반영이 안 되게 된다.
이러한 경우 안테나 배열 패턴 조건의 역수로 생성 방정식 가중치를 적용하게 되면, 10-9의 역수인 109이 안테나 배열 패턴 생성 방정식의 양변에 곱해지게 되므로 해당 방향에서 영점의 특성을 보다 잘 나타내는 안테나 배열 가중치 벡터를 생성할 수 있다.
그렇기 때문에 생성 방정식 가중치를 만들기 위한 함수
Figure 112017075415969-pat00186
는 지수 함수 형태일 수 있으며, 특히 기저값으로
Figure 112017075415969-pat00187
를 사용하면서, 지수는 음의 지수값을 갖는 형태일 수 있다.
이렇게 생성 방정식 가중치를 각각의 방향에 대해 생성한 후에는 안테나 배열 패턴 생성 방정식의 양변에 생성 방정식 가중치를 곱하여서 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립한다. 즉 복수의 방향 각각에 대해 수립된 안테나 배열 패턴 생성 방정식의 양변에 생성 방정식 가중치를 곱한 새로운 수식을 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식이라고 칭한다.
여기서, 복수의 방향들을 다음과 같은
Figure 112017075415969-pat00188
개의 방향들,
Figure 112017075415969-pat00189
로 나타내자. 이때 복수의 방향들 각각에 해당하는 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식은 다음의 수학식 17a 내지 수학식 17c와 같다.
[수학식 17a]
Figure 112017075415969-pat00190
[수학식 17b]
Figure 112017075415969-pat00191
[수학식 17c]
Figure 112017075415969-pat00192
안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수학식으로 표현한 수학식 9와 비교해 보면, 수학식 17a에서는 양변에 생성 방정식 가중치인
Figure 112017075415969-pat00193
가 곱해진 것을 볼 수 있다. 이렇게 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 얻은 후에는, 이를 이용하여 안테나 배열 가중치 벡터를 구할 수 있다.
안테나 배열 가중치 벡터를 구하는 과정은 수학식 17a에서 얻은 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식의 양변에 각 방향에 해당하는 안테나 배열 가중치 벡터 생성을 위한 방향성 벡터를 곱한다. 이를 수학식으로 표현하면 다음의 수학식 18과 같다.
[수학식 18]
Figure 112017075415969-pat00194
수학식 18에 주어진
Figure 112017075415969-pat00195
개의 방정식들을 만족하는 안테나 배열 가중치 벡터를 구하기 위하여 수학식 18을 다음의 수학식 19와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 19]
Figure 112017075415969-pat00196
여기서
Figure 112017075415969-pat00197
이며,
Figure 112017075415969-pat00198
이다. 이를 이용하면 안테나 배열 가중치 벡터
Figure 112017075415969-pat00199
는 다음의 수학식 20과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 20]
Figure 112017075415969-pat00200
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법의 순서도이다.
이상으로 수학식 1 내지 수학식 20의 과정을 통해서, 안테나 배열의 가중치 벡터를 생성하는 방법에 대해서 살펴보았다. 이를 순서도로 표시하면 도 3a와 같다. 우선 M개의 안테나를 포함한 안테나 배열에서 N개의 방향에 대해 각각 N개의 안테나 배열 패턴 조건을 설정한다(S1100). 그리고, N개의 안테나 배열 패턴 조건을 각각 만족하는 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립한다(S1200).
그리고, N개의 생성 방정식 가중치를 설정하고(S1300), N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 양변에 N개의 생성 방정식 가중치를 각각 곱하여, N개의 변형된 안테나 배열 생성 방정식을 생성한다(S1400). 마지막으로, 변형된 안테나 배열 생성 방정식을 이용하여 M차원의 안테나 배열 가중치 벡터를 구한다(S1500).
이 과정에서 안테나 배열 패턴 조건을 설정하는 단계(S1100) 이전에, 안테나 배열 패턴값을 설정하기 위한 정보들을 설정하고(S1010), 이를 이용하여 안테나 배열 패턴값을 설정한 후에(S1020), 안테나 배열 패턴값을 안테나 배열 패턴 조건으로 설정할 수 있다. 이에 대해서는 도 2b에서 이미 설명하였다.
본 발명에서 제안하는 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법을 이용하면 안테나 배열 패턴 조건으로부터 안테나 배열의 가중치 벡터를 생성할 수 있기 때문에 다양하게 응용이 가능하다. 특히 주파수 분할 전이중(FDD; frequency division duplexing) 시스템에서 채널 상태 정보에 대한 피드백이 없어도 안테나 배열 가중치 벡터를 생성할 수 있어서 통신의 효율을 높일 수 있다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법을 주파수 분할 전이중 시스템에 적용한 경우의 순서도이다.
도 4a를 참고하면, 안테나 배열을 이용하는 주파수 분할 전이중(FDD: frequency division duplexing) 방식의 통신 시스템에서, 제1 반송파 주파수를 사용하여 통신하는 제1 방향 통신 링크의 신호를 수신하고, 제1 방향 통신 링크 수신 신호에 기초하여 제1 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를 생성한다(S2010).
그리고, 생성된 제1 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를 이용하여 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값을 생성한다(S2020). 그리고 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값을 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴 조건으로 설정한다(S2030). 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴 조건으로부터 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 과정은 도 3a에서 이미 설명하였다.
도 4a의 과정을 보다 자세히 설명하면, 제1 반송파 주파수를 사용하는 제1 방향 통신 링크의 방향성 벡터
Figure 112017075415969-pat00201
는 다음의 수학식 21과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 21]
Figure 112017075415969-pat00202
여기서
Figure 112017075415969-pat00203
은 제1 반송파 주파수이고,
Figure 112017075415969-pat00204
는 제2 반송파 주파수이다. 그리고
Figure 112017075415969-pat00205
는 도 1a에서 볼 수 있듯이 안테나 사이의 간격이고,
Figure 112017075415969-pat00206
는 안테나 배열에 수직인 방향을 기준으로 정의된 방향이고, 상수
Figure 112017075415969-pat00207
는 빛의 속도이다.
마찬가지로 제2 반송파 주파수를 사용하는 제2방향 통신링크의 방향성 벡터
Figure 112017075415969-pat00208
는 다음의 수학식 22와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 22]
Figure 112017075415969-pat00209
이러한 시스템에서 제1 반송파 주파수를 사용하여 통신하는 제1 방향 통신 링크의 신호를 수신하고, 제1 방향 통신 링크 수신 신호에 기초하여 제1 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하고, 생성된 제1 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터에 기초하여 제2 반송파 주파수를 이용하여 통신하는 제2 방향 통신 링크의 제2 방향 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 방법은 다음과 같은 단계들을 포함할 수 있다.
먼저 시스템은 제1 방향 통신 링크의 신호를 수신하고, 제1 방향 통신 링크 수신 신호에 기초하여 안테나 배열을 이용한 제1 방향 통신 링크 신호의 수신을 위한 제1 방향 안테나 배열 가중치 벡터를 생성할 수 있다(S2010). 구체적인 제1 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터의 생성 방법은 무수히 많이 존재하며 본 발명에서는 생략하기로 한다.
이때, 생성된 제1 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를 안테나 배열을 이용한 제2 방향 통신 링크의 송신을 위한 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터의 생성에 이용할 수 있다.
이를 위하여 본 발명에서는 먼저 제1 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터에 기초하여 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터 생성을 위한 복수의 방향들 각각에 해당하는 목표하는 안테나 배열 패턴 조건들을 설정한다(S2030).
다양한 방법이 존재하지만 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건들은 제1 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를 이용하여 복수의 방향들 각각에 해당하는 제1 방향 통신 링크 신호 수신을 위한 안테나 배열 패턴값들을 생성하고(S2020), 생성된 제1 방향 통신 링크 신호 수신을 위한 안테나 배열 패턴값을 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터 생성을 위한 복수의 방향들 각각에 해당하는 목표하는 안테나 배열 패턴 조건들로 설정한다(S2030).
따라서, 먼저 제1 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를
Figure 112017075415969-pat00210
이라고 나타내고, 이를 이용하여 다음과 같이 제1 방향 통신 링크 신호 수신을 위한 안테나 배열 패턴값을 생성할 수 있다.
복수의 방향들을 다음과 같은
Figure 112017075415969-pat00211
개의 방향들,
Figure 112017075415969-pat00212
로 나타내자. 복수의 방향들 각각에 해당하는 제1 방향 통신 링크 신호 수신을 위한 안테나 배열 패턴값은 다음의 수학식 23a 내지 수학식 23c와 같다.
[수학식 23a]
Figure 112017075415969-pat00213
[수학식 23b]
Figure 112017075415969-pat00214
[수학식 23c]
Figure 112017075415969-pat00215
이때, 수학식 23a 내지 수학식 23c에서 구한 안테나 배열 패턴값을 다음과 같이 제2 방향 통신 링크 신호 송신을 위한 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터 생성을 위한 안테나 배열 패턴 조건들로 설정할 수 있다.
[수학식 24a]
Figure 112017075415969-pat00216
[수학식 24b]
Figure 112017075415969-pat00217
[수학식 24c]
Figure 112017075415969-pat00218
여기서
Figure 112017075415969-pat00219
는 방향
Figure 112017075415969-pat00220
에 해당하는 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터 생성을 위한 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건을 나타낸다. 그리고
Figure 112017075415969-pat00221
는 방향
Figure 112017075415969-pat00222
에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이다.
Figure 112017075415969-pat00223
은 방향
Figure 112017075415969-pat00224
에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
Figure 112017075415969-pat00225
은 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터이다.
다음으로 복수의 방향들 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건들을 만족시키는 복수의 방향들 각각에 해당하는 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터 생성을 위하여 다음과 같은 안테나 배열 패턴 생성 방정식들을 수립한다.
[수학식 25a]
Figure 112017075415969-pat00226
[수학식 25b]
Figure 112017075415969-pat00227
[수학식 25c]
Figure 112017075415969-pat00228
여기서
Figure 112017075415969-pat00229
은 방향
Figure 112017075415969-pat00230
에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이다. 그리고,
Figure 112017075415969-pat00231
는 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를 나타낸다.
이처럼 수학식 25a 내지 수학식 25c를 통하여 제2 방향 통신 링크 신호 송신을 위한 제2 방향 안테나 배열 가중치 벡터를 얻을 수 있다. 하지만 수학식 25a 내지 수학식 25c에 기초한 방법은 만족스러운 결과를 주지 못한다.
이는 수학식 25a 내지 수학식 25c의 각각의 방정식의 비중이 크게 다르기 때문이다. 이를 보완하기 위하여 본 발명에서는 수학식 25a 내지 수학식 25c에 주어진 각각의 방정식들이 원하는 방향이나 방향 영역에서 원하는 만큼의 비중을 가질 수 있도록 각각의 방정식에 생성 방정식 가중치를 부여한다.
생성 방정식 가중치를 부과하는 방법과 생성 방정식 가중치의 다양한 종류 등은 이미 앞에서 언급되었으므로 여기서는 생성 방정식 가중치의 정의와 본 발명에서 사용하는 특정한 생성 방정식 가중치를 정의하고 부과하는 데 한정하여 기술한다.
수학식 25a 내지 수학식 25c의 각각의 안테나 배열 패턴 생성 방정식에 생성 방정식 가중치를 부과하는 방법은 각각의 방향에 해당하는 생성 방정식 가중치를 설정하고 이를 수학식 25a 내지 수학식 25c의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각의 양변에 곱하여 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 것으로 완료된다.
그 과정은 도 4b에 도시된 순서도와 같다.
먼저 복수의 방향들을 다음과 같은
Figure 112017075415969-pat00232
개의 방향들,
Figure 112017075415969-pat00233
로 나타내자. 이때 수립되는 복수의 방향들 각각에 해당하는 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식은 다음의 수학식 26a 내지 수학식 26c과 같다(S2600).
[수학식26a]
Figure 112017075415969-pat00234
[수학식 26b]
Figure 112017075415969-pat00235
[수학식 26c]
Figure 112017075415969-pat00236
여기서
Figure 112017075415969-pat00237
는 방향
Figure 112017075415969-pat00238
에 해당하는 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건이고,
Figure 112017075415969-pat00239
는 방향
Figure 112017075415969-pat00240
에 해당하는 제2 방향 통신 링크의 생성 방정식 가중치를 나타낸다. 그리고
Figure 112017075415969-pat00241
는 방향
Figure 112017075415969-pat00242
에 해당하는 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이고,
Figure 112017075415969-pat00243
은 방향
Figure 112017075415969-pat00244
에 해당하는 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
Figure 112017075415969-pat00245
은 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터이다.
본 발명에서는 안테나 배열 패턴 조건들 자체가 영점 근처 등 특정한 방향에서는 매우 작은 값을 가지므로 해당하는 방정식 자체의 비중이 낮아 안테나 배열 패턴 조건이 요구하는 패턴 특성을 반영하지 못하는 결과를 초래하므로, 이를 극복하여 영점 특성 등을 제대로 표현하기 위하여 안테나 배열 패턴 조건의 절대값의 역수(또는 역수의 제곱이나 제곱근)에 기초한 생성 방정식 가중치를 설정하고 있다(S2500).
본 발명에서 주요하게 고려하는 생성 방정식 가중치는 다음과 같은 다섯 가지 형태로 정의할 수 있다.
[수학식 27a]
Figure 112017075415969-pat00246
[수학식 27b]
Figure 112017075415969-pat00247
[수학식 27c]
Figure 112017075415969-pat00248
[수학식 27d]
Figure 112017075415969-pat00249
[수학식 27e]
Figure 112017075415969-pat00250
여기서 계수
Figure 112017075415969-pat00251
는 실수 또는 복소수인 임의의 상수이다.
마지막 단계로 수립된 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식들을 이용하여 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 단계는 수학식 26에서 수립된 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식들을 이용하여 다음과 같이 생성할 수 있다(S2700).
먼저 각 방향에 해당하는 수학식 26의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식의 양변에 각 방향에 해당하는 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 방향성 벡터를 곱한다. 이를 수학식으로 표현하면 다음의 수학식 28과 같다.
[수학식 28]
Figure 112017075415969-pat00252
수학식 28에 주어진
Figure 112017075415969-pat00253
개의 방정식들을 만족하는 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를 구하기 위하여 수학식 28을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 29]
Figure 112017075415969-pat00254
여기서
Figure 112017075415969-pat00255
이며,
Figure 112017075415969-pat00256
이다. 이때 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터
Figure 112017075415969-pat00257
는 다음과 같이 생성할 수 있다.
[수학식 30]
Figure 112017075415969-pat00258
다만, 지금까지 설명한 내용은 복수의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식들을 이용하여 제2 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 한 가지 예일 뿐이며, 이 이외에도 다른 방법을 사용할 수 있음은 물론이다.
이와 같은 방법으로 안테나 배열을 이용하는 주파수 분할 전이중(FDD: frequency division duplexing) 방식의 통신 시스템에서, 제1 반송파 주파수를 사용하여 통신하는 제1 방향 통신 링크의 신호를 수신하고, 상기 제1 방향 통신 링크 수신 신호에 기초하여 상기 제1 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하고, 생성된 제1 방향 통신 링크 안테나 배열 가중치 벡터에 기초하여 제2 반송파 주파수를 이용하여 통신하는 제2 방향 통신 링크의 제2 방향 안테나 배열 가중치 벡터를 생성할 수 있다.
이상으로 본 발명에서 제안하는 안테나 배열 가중치 벡터 생성 방법과 이를 주파수 분할 전이중 방식의 통신 시스템에 적용하는 경우에 대해서 설명하였다. 이와 같은 방법을 구현하기 위한 장치의 구성에 대해서는 도 5에서 보다 자세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 배열의 가중치 벡터 생성 장치의 구성도이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 배열 가중치 벡터 생성 장치(100)는 안테나 배열 패턴 생성 방정식 수립부(110), 생성 방정식 가중치 설정부(120), 안테나 배열 패턴 생성 방정식 변형부(130) 및 안테나 배열 가중치 벡터 생성부(140)을 포함할 수 있다.
안테나 배열 패턴 생성 방정식 수립부(110)는 M개의 안테나를 포함한 안테나 배열에서 N개의 방향에 대해 각각 N개의 안테나 배열 패턴 조건을 설정하고, N개의 안테나 배열 패턴 조건을 각각 만족하는 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립한다.
생성 방정식 가중치 설정부(120)는 복수의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 이용하여 안테나 배열 가중치 벡터를 구할 때, 신호 세기가 크게 감쇄되는 영점에 대한 정보를 보다 잘 반영할 수 있도록 N개의 생성 방정식 가중치를 설정한다. 이때 생성된 생성 방정식 가중치는 안테나 배열 패턴 생성 방정식 변형부(130)에서 이용한다.
안테나 배열 패턴 생성 방정식 변형부(130)는 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 양변에 N개의 생성 방정식 가중치를 각각 곱하여, N개의 변형된 안테나 배열 생성 방정식을 생성한다. 이때 생성 방정식 가중치를 안테나 배열 패턴 생성 방정식 양변에 곱하더라도 안테나 배열 패턴 생성 방정식의 등호에는 영향이 없다.
안테나 배열 가중치 벡터 생성부(140)는 변형된 안테나 배열 생성 방정식을 이용하여 M차원의 안테나 배열 가중치 벡터를 구한다. 이와 같은 과정을 통해 안테나 배열을 이용한 통신 장치의 제어 신호의 송수신 절차 및 제어 신호의 종류를 감소시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (20)

  1. 안테나 배열 가중치 벡터 생성 장치가, 안테나 배열을 이용한 빔 생성의 목표 조건인 N개의 방향 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건을 만족시키도록, 상기 안테나 배열에 대해 상기 N개의 방향 각각에 해당하는 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 단계;
    상기 안테나 배열 가중치 벡터 생성 장치가, 상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각에 적용될 N개의 생성 방정식 가중치를 설정하는 단계;
    상기 안테나 배열 가중치 벡터 생성 장치가, 상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각의 양변에 상기 설정된 N개의 생성 방정식 가중치를 적용하여 상기 N개의 방향 각각에 해당하는 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 단계; 및
    상기 안테나 배열 가중치 벡터 생성 장치가, 상기 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식에 기초하여 상기 안테나 배열을 구성하는 M개의 안테나에 적용될 M차원의 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 단계를 포함하는,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 N개의 생성 방정식 가중치를 설정하는 단계는,
    상기 안테나 배열 패턴 조건에 기초하여 상기 생성 방정식 가중치를 설정하는 것을 특징으로 하는,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 생성 방정식 가중치는,
    다음의 수학식 12를 이용하여 설정하는 것이고,
    [수학식 12]
    Figure 112017075415969-pat00259

    여기서,
    Figure 112017075415969-pat00260
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00261
    에 해당하는 상기 생성 방정식 가중치이고,
    Figure 112017075415969-pat00262
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00263
    에 해당하는 상기 안테나 배열 패턴 조건이며 실수 또는 복소수이고,
    Figure 112017075415969-pat00264
    는 상기 안테나 배열 패턴 조건을 입력으로 하는 임의의 함수인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 함수
    Figure 112017075415969-pat00265
    는 다음의 수학식 13a 또는 수학식 13b에 의한 다항식 함수의 형태이고,
    [수학식 13a]
    Figure 112017075415969-pat00266

    [수학식 13b]
    Figure 112017075415969-pat00267

    여기서, c는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고,
    n은 상기 다항식의 차수이고,
    계수
    Figure 112017075415969-pat00268
    는 실수 또는 복소수인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 함수
    Figure 112017075415969-pat00269
    는 안테나 배열 패턴 조건 또는 그 절대값을 기저값으로 갖는 다음의 수학식 14a 또는 수학식 14b에 의한 거듭제곱 함수의 형태이고,
    [수학식 14a]
    Figure 112017075415969-pat00270

    [수학식 14b]
    Figure 112017075415969-pat00271

    여기서, c는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고,
    n은 상기 거듭제곱 함수의 항의 수이고,
    계수
    Figure 112017075415969-pat00272
    는 실수 또는 복소수이고,
    지수
    Figure 112017075415969-pat00273
    는 실수인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 함수
    Figure 112017075415969-pat00274
    는 안테나 배열 패턴 조건 또는 그 절대값을 기저값으로 갖는 다음의 수학식 15a 또는 수학식 15b에 의한 거듭제곱 함수의 형태이고,
    [수학식 15a]
    Figure 112017075415969-pat00275

    [수학식 15b]
    Figure 112017075415969-pat00276

    여기서, c는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고,
    계수
    Figure 112017075415969-pat00277
    는 실수 또는 복소수이고,
    지수
    Figure 112017075415969-pat00278
    는 실수인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지수
    Figure 112017075415969-pat00279
    는 음의 실수인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지수
    Figure 112017075415969-pat00280
    는
    Figure 112017075415969-pat00281
    인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지수
    Figure 112017075415969-pat00282
    는 -2, -1, -1/2 중에서 어느 하나인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 배열 패턴 조건은,
    1) 신호, 간섭, 영점 중 어느 하나의 방향 정보 또는 방향 영역 정보, 2) 신호, 간섭, 영점 중 어느 하나의 이득 정보 또는 이득 제한 정보, 3) 복수의 방향 영역에 대한 이득 정보 또는 이득 제한 정보, 4) 신호 대 간섭 잡음비(SINR)에 대한 정보 또는 신호 대 간섭 잡음비 제한 정보, 5) 안테나 배열 가중치에 대한 정보 또는 안테나 배열 가중치 제한 정보 중에서 적어도 하나를 이용하여 설정되는 것인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식은 다음의 수학식 9 또는 수학식 10 또는 수학식 11에 의해 수립되는 것이고,
    [수학식 9]
    Figure 112018042012619-pat00283

    [수학식 10]
    Figure 112018042012619-pat00284

    [수학식 11]
    Figure 112018042012619-pat00285

    여기서,
    Figure 112018042012619-pat00286
    는 방향
    Figure 112018042012619-pat00287
    에 해당하는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고,
    Figure 112018042012619-pat00288
    은 방향
    Figure 112018042012619-pat00289
    에 해당하는 안테나 배열 방향성 벡터이고,
    Figure 112018042012619-pat00290
    은 상기 안테나 배열 가중치 벡터인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식은 다음의 수학식 17a 또는 수학식 17b 또는 수학식 17c에 의해 수립되는 것이고,
    [수학식 17a]
    Figure 112018042012619-pat00291

    [수학식 17b]
    Figure 112018042012619-pat00292

    [수학식 17c]
    Figure 112018042012619-pat00293

    여기서,
    Figure 112018042012619-pat00294
    는 방향
    Figure 112018042012619-pat00295
    에 해당하는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고,
    Figure 112018042012619-pat00296
    는 방향
    Figure 112018042012619-pat00297
    에 해당하는 상기 생성 방정식 가중치이고,
    Figure 112018042012619-pat00298
    은 방향
    Figure 112018042012619-pat00299
    에 해당하는 안테나 배열 방향성 벡터이고,
    Figure 112018042012619-pat00300
    은 상기 안테나 배열 가중치 벡터인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 배열 가중치 벡터는 다음의 수학식 20에 의하고,
    [수학식 20]
    Figure 112018042012619-pat00301

    여기서,
    Figure 112018042012619-pat00302
    이고,
    Figure 112018042012619-pat00303
    이고,
    Figure 112018042012619-pat00304
    는 방향
    Figure 112018042012619-pat00305
    에 해당하는 상기 안테나 배열 패턴 조건이고,
    Figure 112018042012619-pat00306
    는 방향
    Figure 112018042012619-pat00307
    에 해당하는 상기 생성 방정식 가중치이고,
    Figure 112018042012619-pat00308
    은 방향
    Figure 112018042012619-pat00309
    에 해당하는 안테나 배열 방향성 벡터이고,
    Figure 112018042012619-pat00310
    은 상기 안테나 배열 가중치 벡터인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    제1 방향 통신 링크의 신호에 기초하여 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하고, 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터를 이용하여 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값을 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건으로 설정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 방향 통신 링크에 대해 상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 단계와 상기 N개의 생성 방정식 가중치를 설정하는 단계와 상기 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 단계 및 상기 M차원의 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 단계를 수행하는 것인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값은 다음의 수학식 23a 또는 수학식 23b 또는 수학식 23c에 의해 생성되는 것이고,
    [수학식 23a]
    Figure 112017075415969-pat00311

    [수학식 23b]
    Figure 112017075415969-pat00312

    [수학식 23c]
    Figure 112017075415969-pat00313

    여기서,
    Figure 112017075415969-pat00314
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00315
    에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이고,
    Figure 112017075415969-pat00316
    은 방향
    Figure 112017075415969-pat00317
    에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
    Figure 112017075415969-pat00318
    은 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건은 다음의 수학식 24a 또는 수학식 24b 또는 수학식 24c에 의해 설정되는 것이고,
    [수학식 24a]
    Figure 112017075415969-pat00319

    [수학식 24b]
    Figure 112017075415969-pat00320

    [수학식 24c]
    Figure 112017075415969-pat00321

    여기서,
    Figure 112017075415969-pat00322
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00323
    에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건이고,
    Figure 112017075415969-pat00324
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00325
    에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이고,
    Figure 112017075415969-pat00326
    은 방향
    Figure 112017075415969-pat00327
    에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
    Figure 112017075415969-pat00328
    은 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴 생성 방정식은 다음의 수학식 25a 또는 수학식 25b 또는 수학식 25c에 의해 수립되는 것이고,
    [수학식 25a]
    Figure 112017075415969-pat00329

    [수학식 25b]
    Figure 112017075415969-pat00330

    [수학식 25c]
    Figure 112017075415969-pat00331

    여기서,
    Figure 112017075415969-pat00332
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00333
    에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건이고,
    Figure 112017075415969-pat00334
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00335
    에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이고,
    Figure 112017075415969-pat00336
    은 방향
    Figure 112017075415969-pat00337
    에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
    Figure 112017075415969-pat00338
    은 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제2 방향 통신 링크의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식은 다음의 수학식 26a 또는 수학식 26b 또는 수학식 26c에 의해 수립되는 것이고,
    [수학식 26a]
    Figure 112017075415969-pat00339

    [수학식 26b]
    Figure 112017075415969-pat00340

    [수학식 26c]
    Figure 112017075415969-pat00341

    여기서,
    Figure 112017075415969-pat00342
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00343
    에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 목표하는 안테나 배열 패턴 조건이고,
    Figure 112017075415969-pat00344
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00345
    에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 생성 방정식 가중치이고,
    Figure 112017075415969-pat00346
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00347
    에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이고,
    Figure 112017075415969-pat00348
    은 방향
    Figure 112017075415969-pat00349
    에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
    Figure 112017075415969-pat00350
    은 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터는 다음의 수학식 30에 의하고,
    [수학식 30]
    Figure 112017075415969-pat00351
    ,
    여기서,
    Figure 112017075415969-pat00352
    이고,
    Figure 112017075415969-pat00353
    이고,
    Figure 112017075415969-pat00354
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00355
    에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 생성 방정식 가중치이고,
    Figure 112017075415969-pat00356
    는 방향
    Figure 112017075415969-pat00357
    에 해당하는 상기 제1 방향 통신 링크의 안테나 배열 패턴값이고,
    Figure 112017075415969-pat00358
    은 방향
    Figure 112017075415969-pat00359
    에 해당하는 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 방향성 벡터이고,
    Figure 112017075415969-pat00360
    은 상기 제2 방향 통신 링크의 안테나 배열 가중치 벡터인,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 방법.
  20. 안테나 배열을 이용한 빔 생성의 목표 조건인 N개의 방향 각각에 해당하는 안테나 배열 패턴 조건을 만족시키도록, 상기 안테나 배열에 대해 상기 N개의 방향 각각에 해당하는 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 안테나 배열 패턴 생성 방정식 수립부;
    상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각에 적용될 N개의 생성 방정식 가중치를 설정하는 생성 방정식 가중치 설정부;
    상기 N개의 안테나 배열 패턴 생성 방정식 각각의 양변에 상기 설정된 N개의 생성 방정식 가중치를 적용하여 상기 N개의 방향 각각에 해당하는 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식을 수립하는 안테나 배열 패턴 생성 방정식 변형부; 및
    상기 N개의 변형된 안테나 배열 패턴 생성 방정식에 기초하여 상기 안테나 배열을 구성하는 M개의 안테나에 적용될 M차원의 안테나 배열 가중치 벡터를 생성하는 안테나 배열 가중치 벡터 생성부를 포함하는,
    안테나 배열의 가중치 벡터 생성 장치.
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