KR102314602B1 - 안테나 장치 및 그 빔포밍 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치는 단일 RF 체인을 구비한 안테나 장치에 있어서, 전방향을 N 개의 섹터로 나누어 섹터 스윕을 수행하고, 각 섹터별로 상기 단일 RF 체인을 통해 수신한 수신 신호를 합성하고 합성신호의 이득을 계산하는 합성기; 상기 합성신호의 이득 크기를 판별하는 비교기; 및 상기 비교기의 이득 크기 비교 결과에 따라 빔포밍을 수행하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

안테나 장치 및 그 빔포밍 방법{Antenna apparatus and method for beam forming thereof}

본 발명은 안테나 장치 및 그 빔포밍 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 RF(Radio Frequency) 기반 안테나에서의 빔포밍 기술에 관한 것이다.

스마트 기기의 보급과 멀티미디어 서비스의 증가로 인하여 모바일 서비스 트래픽이 폭증하고 있으며 이에 따라 통신시스템의 용량의 증대가 요구된다. 무선통신 시스템의 성능을 향상시키기 위한 여러 가지 방안이 연구되고 있는데 그 중에 하나가 빔포밍 기법이다. 빔포밍 기법은 모든 방향으로 전파가 방사되는 omni 안테나와는 달리 방향에 따라 안테나 이득을 다르게 설정해서 무선 구간의 성능향상을 얻고자 하는 기법이다.

빔포밍 안테나를 사용하면 송신단 측면에서는 특정 방향으로 안테나 이득을 높여서 전파를 집중해서 방사하거나 특정방향으로 전파를 방사하지 않도록 널(null)을 형성함으로써 수신단의 수신신호 품질이 높아지도록 한다. 또한 수신단 측면에서도 수신 방향에 따라 선택적으로 전파를 수신함으로써 원하는 신호를 키우고 간섭을 줄임으로써 무선링크의 품질을 향상시킨다.

이러한 빔포밍 기법을 통하여 공간 재사용(spatial reuse)에 따른 용량 증대, 동일 주파수를 사용하는 인접 노드간 간섭 제거, 동일한 송신전력을 사용하여도 통달 거리가 증가하는 등의 효과를 얻을 수 있다. 이러한 빔포밍 기능을 구현하기 위해서는 방향에 따라 안테나 이득을 제어할 수 있는 빔포밍 안테나가 필요한데 여기에는 주로 여러 개의 안테나가 어레이 형태로 구성된 스마트 안테나가 사용된다.

그러나 이러한 어레이 안테나의 여러 개의 RF(Radio Frequency) 체인을 사용해야 하기 때문에 부피가 크고 전력소모가 크다는 단점이 있어서 이동 단말에는 적용이 어렵고 주로 기지국에 사용되었다. 이동단말에 적용하기 위한 빔포밍 안테나로는 단일 RF 기반의 SPA(Switched Parasitic Antenna) 또는 ESPAR(Electronically Steerable Passive arrary Radiator) 안테나가 제안되었다.

SPA나 ESPAR는 하나의 액티브 안테나와 여러 개의 패시브 안테나로 구성되는데 액티브 안테나는 RF단과 연결되고 여러 개의 패시브 안테나는 on/off 스위치 또는 가변 저항 소자와 연결된다. 패시브 안테나의 스위치나 가변 저항의 저항값을 조정함으로써 액티브 안테나와 패시브 안테나의 상호연결(mutual coupling)을 이용하여 지향성 빔이 형성되고 이를 통하여 빔포밍 효과를 얻게 된다. 이러한 단일 RF기반의 빔포밍 안테나는 하나의 RF 체인으로 구성되기 때문에 전력소모가 적고 크기와 부피가 작아서 이동 단말에 적용이 용이할 것으로 기대된다.

한편, 다중경로 무선 채널 환경에서는 무선 채널의 페이딩(fading) 현상을 극복하기 위하여 여러 가지 다이버시티(Diversity) 기법이 사용된다. 이것은 N개의 어레이 안테나를 사용하여 독립적인 페이딩을 겪는 동일한 신호를 수신해서 이를 신호처리 기법을 통하여 합성(combining)하는 방법이다. 특히 수신단에서 적용하는 수신 다이버시티 기법으로 SC(Selection Combining), MRC(Maximum Ratio Combining), EGC(Equal Gain Combining)등이 있다. SC는 N개의 수신 안테나 중에서 가장 신호품질(SINR)이 좋은 안테나 하나를 선택하여 수신하는 것이고, MRC의 경우 수신 안테나별로 리액턴스값을 설정하고 이 리액턴스값이 채널 매트릭스(matrix)에 대하여 매치 필터(matched filter)와 같은 형태가 되도록 이득과 위상을 조절함으로써 최적 SINR을 얻을 수 있는 기법이다.

EGC는 MRC 기법에서 이득(gain)을 상수로 고정시키고 위상(phase)만을 조정하는 방법이다. SC는 복잡도가 가장 낮으나 성능 또한 가장 낮다. MRC가 가장 좋은 성능을 보이지만 EGC가 복잡도에 비하여 MRC에 근접하는 성능을 보이는 것으로 알려져 있다.

이러한 수신 다이버시티 기법을 적용하기 위해서 종래에는 N개의 어레이안테나를 사용하여 신호를 수신하고 각 안테나 별로 RF 체인이 장착되어서 각각 독립적으로 신호처리가 가능한 구조로 수신기를 구성해야 했다. 따라서 앞서 기술한 단일 RF 기반 안테나 구조에서는 RF 체인이 하나이므로 다중 경로 수신 신호를 합성할 수 없다. 그러므로 신호가 다중경로로 수신되더라도 그 중에서 하나의 경로를 선택하여 해당 방향으로 단일 빔을 형성하고 신호를 수신하여야 한다.

이러한 이유로 종래에는 단일 RF 기반 안테나 구조에서는 단일 빔을 사용한 빔포밍을 주로 적용하고 멀티 빔을 이용한 빔포밍이 사용되지 않고 있다.

특허공개번호 KR 2014-0030316호

본 발명의 실시예는 여러 개의 RF 체인을 사용해서 어레이 안테나를 구성해야만 가능했던 다중 경로 수신 다이버시티 효과를 단일 RF 체인을 사용한 안테나에서 구현이 가능하도록 한 안테나 장치 및 그 빔포밍 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치는 단일 RF 체인을 구비한 안테나 장치에 있어서, 전방향을 N 개의 섹터로 나누어 섹터 스윕을 수행하고, 각 섹터별로 상기 단일 RF 체인을 통해 수신한 수신 신호를 합성하고 합성신호의 이득을 계산하는 합성기; 상기 합성신호의 이득 크기를 판별하는 비교기; 및 상기 비교기의 이득 크기 판별 결과에 따라 빔포밍을 수행하는 제어기를 포함할 수 있다.

상기 합성기는, 각 섹터에 대한 수신 신호의 크기와 위상 정보를 측정하여, 상기 합성신호의 이득을 계산할 수 있다.

또한 상기 비교기는, 상기 합성신호의 이득이 최대가 되는 섹터를 판별할 수 있다.

또한 상기 제어기는, 상기 합성신호의 이득이 최대가 되는 섹터를 통해 신호를 수신 또는 송신하도록 빔포밍을 수행할 수 있다.

상기 합성기는, 상기 섹터 간의 수신신호의 위상차가 작으면 상기 합성 신호의 이득이 증가하고 상기 수신신호의 위상차가 크면 상기 합성 신호의 이득이 감소하는 특징을 이용하여 합성신호의 이득을 계산할 수 있다.

상기 합성기는 전방향을 N개의 섹터로 나누고 상기 섹터와 동일한 빔 폭을 갖는 섹터 빔을 생성하여 각 섹터에 대해 수신신호를 측정할 수 있다.

상기 비교기는,

(수학식 1)

(s1, s2는 각 섹터로부터 수신되는 수신신호의 크기, θ는 두 신호간의 위상차를 의미함) 상기 합성신호에 대해 상기 수학식과 같은 이득 조건을 만족하는지를 판별할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치의 빔포밍 방법은 단일 RF 체인을 포함하는 안테나 장치의 빔포밍 방법에 있어서, 전방향을 N 개의 섹터로 나누고 섹터 스윕(sector sweep)을 수행하는 단계; 각 섹터에 대하여 수신신호를 측정하는 단계; 상기 각 섹터별 수신신호에 대해 신호를 합성하고 합성신호의 이득을 계산하는 단계; 상기 합성신호의 이득크기를 판별하는 단계; 및 상기 이득크기에 따라 섹터를 선택하여 빔포밍을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 수신신호를 측정하는 단계는, 상기 각 섹터에 대한 수신신호의 크기와 위상정보를 획득할 수 있다.

상기 합성신호의 이득을 계산하는 단계는 상기 각 섹터에 대한 수신 신호의 크기와 위상 정보를 이용하여 상기 합성신호의 이득을 계산할 수 있다.

또한, 상기 수신신호를 측정하는 단계는, 상기 각 섹터와 동일한 빔 폭을 갖는 섹터 빔을 생성하여 각 섹터에 대해 수신신호를 측정할 수 있다.

상기 합성신호의 이득크기를 판별하는 단계는, 상기 합성신호의 이득이 최대가 되는 섹터를 판별할 수 있다.

또한, 상기 빔포밍을 수행하는 단계는, 상기 합성신호의 이득이 최대가 되는 섹터를 통해 신호를 수신 또는 송신하도록 빔포밍을 수행할 수 있다.

또한 상기 합성신호의 이득을 계산하는 단계는, 상기 각 섹터 간의 수신신호의 위상차가 작으면 상기 합성 신호의 이득이 증가하고 상기 수신신호의 위상차가 크면 상기 합성 신호의 이득이 감소하는 특징을 이용하여 합성신호의 이득을 계산할 수 있다.

본 기술은 단일 RF 기반 안테나에서 다중 경로 신호를 동시에 수신해서 합성하는 기능을 적용하여 다이버시티의 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단일 RF 기반 빔포밍 안테나로서 SPA(Switched Parasitic Antenna) 안테나의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단일 RF 기반 빔포밍 안테나로서 ESPAR(Electronically Steerable Passive Array Radiator) 안테나의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 빔포밍 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 섹터 스윕 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 경로 수신신호의 합성 시 합성신호 크기가 증가한 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 경로 수신신호의 합성 시 합성신호 크기가 감소한 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 섹터 스윕 및 빔 포밍 방법을 설명하기 위 한 도면이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 어레이 안테나에서 사용되는 수신 다이버시티에서와 같이 다중 경로 신호를 동시에 수신하여 합성하는 기능을 단일 RF 기반 안테나에 적용하여 빔포밍 기능을 수행하도록 하는 기술을 개시한다.

본 발명에서는 편의상 단일 RF기반의 ESPAR 안테나 구조를 기반으로 기술한다. 그러나 제시된 빔포밍 알고리즘은 멀티빔을 구현할 수 있는 다양한 단일 RF 기반의 빔포밍 안테나에 모두 적용이 가능하다. 또한 설명의 명료성을 위하여 2D 빔포밍을 기준으로 기술한다. 즉 앙각(elevation angle)은 90도로 고정하고 방위각(azimuth angle)에 대하여 빔포밍을 수행한다고 가정한다. 그러나 본 발명에서 제시하는 방안은 3D 빔포밍에도 적용이 가능하다. 본 발명에서 제시하는 절차는 송신 및 수신 빔포밍에서 모두 적용이 가능하나 여기서는 수신 빔포밍을 기준으로 설명하기로 한다.

이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단일 RF 기반 빔포밍 안테나로서 SPA 안테나의 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 단일 RF 기반 빔포밍 안테나인 SPA(Switched Parasitic Antenna) 는 단일 액티브 안테나(active element; 10), 복수개의 기생 소자(parasitic element;20), 액티브 안테나(110)에 연결되는 RF 체인(30), 복수개의 기생 소자(20)에 각각 연결되어 기생 소자의 값을 조정하는 복수개의 스위칭소자 SW를 구비한다.

액티브 안테나(10)는 안테나의 중앙에 구비되고, 복수개의 기생 소자(20)는 액티브 안테나(10)를 중심으로 주변에 위치한다.

RF 체인(30)은 등가 저항(R1)과 등가 전원 소스(31)로 모델링되고, 저항 R1과 전원소스(31)는 액티브 소자(110)와 접지전압단 사이에 구비된다.

스위칭 소자 SW는 기생소자(20)와 동일한 개수로 구비되어 각 기생소자(20)의 값을 조정한다. 즉, 스위칭소자 SW의 리액턴스값이 커지면 해당 기생소자(20)는 디렉터(director)로 동작하고 작아지면 리플렉터(reflector)로 동작하게 된다.

따라서 N개의 기생소자(20)로 구성되는 안테나의 경우 2^N-1개의 빔패턴을 생성시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단일 RF 기반 빔포밍 안테나로서 ESPAR 안테나의 예시도이다.

본 발명의 실시예에 따른 단일 기반 빔포밍 안테나(ESPAR)는 단일 액티브 안테나(active element; 40), 복수개의 기생 소자(parasitic element;50), 액티브 안테나(40)에 연결되는 RF 체인(60), 복수개의 기생 소자(50)에 각각 연결되어 기생 소자의 값을 조정하는 복수개의 리액턴스소자(70)를 구비한다.

액티브 안테나(40)는 안테나의 중앙에 구비되고, 복수개의 기생 소자(50)는 액티브 안테나(40)를 중심으로 주변에 위치한다.

RF 체인(60)은 등가 저항(R1)과 등가 전원 소스(31)로 모델링되고, 저항 R2과 전원소스(61)는 액티브 소자(40)와 접지전압단 사이에 구비된다.

리액턴스 소자(70)는 기생소자(50)와 동일한 개수로 구비되어 각 기생소자(50)의 값을 조정한다. 즉, 리액턴스소자(70)의 리액턴스값이 커지면 해당 기생소자(50)는 디렉터(director)로 동작하고 작아지면 리플렉터(reflector)로 동작하게 된다.

따라서 이러한 기생 소자들(120)의 리액턴스값에 의하여 하나의 방사 방사패턴(radiation pattern)이 형성되고 이것이 빔포밍을 위한 빔 패턴이 된다. 그러므로 ESPAR 안테나에서의 빔포밍 알고리즘은 적절한 빔패턴을 찾고 이 빔패턴을 형성하기 위한 리액턴스값을 찾는 작업이라고 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치의 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치는 안테나(100), RF 체인(110), 기저대역 프로세서(120), 메모리(130), 신호 합성기(140), 비교기(150), 제어기(160)를 포함한다.

안테나(100)는 신호를 수신 또는 송신한다.

RF 체인(110)은 안테나(100)로부터 수신한 신호를 디지털 신호로 변환한다.

기저대역 프로세서(120)는 신호 처리를 수행한다.

메모리(130)는 신호 처리 정보를 저장한다.

신호 합성기(140)는 전방향을 n개의 섹터로 나누고 섹터 스윕(sector sweep)을 행한 후 각 섹터에 대하여 수신 신호 크기와 위상정보를 획득한다. 이때, 섹터 스윕은, 전방향을 도 5와 같이 8개의 섹터로 구분했다고 가정한 경우 첫번째 섹터부터 8번째 섹터까지 스위핑을 수행하여 신호의 세기 및 위상을 측정한다. 이에, 신호 합성기(140)는 획득한 신호 크기와 위상정보를 이용하여 각 섹터별 수신신호에 대한 합성 신호를 계산한다.

도 8에서는 8개의 섹터로 나뉘어진 경우에 섹터 스윕(sector sweep)을 통하여 다중 경로 수신신호를 측정하고 수신 신호 중 합성 조건을 검사하여 가장 이득이 큰 수신신호가 있는 섹터로 빔포밍을 수행하는 절차를 도식적으로 나타내고 있다. 이때, 섹터 스윕을 통하여 수신 신호의 SINR과 RSSI를 측정하면 신호와 간섭의 세기를 계산할 수 있다. 도 8의 예에서는 섹터 스윕를 통하여 s1, s4, s7에서 다중경로 신호가 수신되는 것을 측정함을 도시한다.

비교기(150)는 합성된 신호 중 가장 큰 이득을 얻을 수 있는 섹터를 판별한다. 도 8을 참조하면, 합성 조건을 이용하여 s1과 s4를 합성할 때 가장 이득이 높다고 판단하여 해당 섹터 s1, s4로 빔포밍을 수행하는 것을 보여준다.

제어기(160)는 비교기(150)에 의해 판별된 섹터로 신호가 수신되도록 빔포밍을 수행한다. 즉 제어기(160)는 비교기(150)의 결과에 따라 안테나(100)의 리액턴스소자 또는 스위칭소자를 제어하여 빔포밍을 수행한다. 예를 들어, 섹터 1번과 섹터 4번으로 수신되는 신호의 합성에 의한 이득이 큰 경우, 섹터 1번과 섹터 4번으로 빔이 형성되도록 리액턴스 소자 또는 스위칭소자를 제어한다.

이와 같이 본 발명은 단일 RF 기반 안테나에서 섹터 스윕을 통해 얻어진 섹터별 수신 신호 정보를 단순히 비교하여 SINR이 가장 높은 섹터에 대하여 단일 빔을 형성하는 기존의 방식과 달리, 본 발명은 섹터별 수신 신호를 측정하고 수신신호를 합성하여 합성된 신호가 합성 이득 조건에 부합하는지 검사하여 가장 좋은 수신 신호를 얻을 수 있도록 멀티 빔을 형성한다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 안테나 빔포밍 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.

신호 합성기(140)는 전 방향을 N개의 섹터로 나누고 섹터 스윕을 수행한다(S101). 도 5를 참조하면 섹터 스윕은 N개의 섹터들에 대해 순차적으로 스윕을 수행한다.

즉, 섹터 스윕을 하기 위해 도 5과 같이 먼저 전체 방사 방향을 N개의 섹터로 나누고 섹터와 동일한 빔 폭(beam width)을 갖는 섹터빔(sector beam)을 생성하여 각 섹터(sector)에 대하여 수신 신호를 측정한다. 이때, 수신 신호의 측정이란, 수신 신호의 크기와 위상을 측정하는 것을 의미한다. 이렇게 측정된 위상을 통해 단일 RF 기반 안테나에서 합성하고자 하는 신호의 도래각(DOA)을 파악할 수 있다.

신호 합성기(140)는 각 섹터에 대해 수신신호의 크기와 위상정보(방위각)를 획득한다(S102).

신호 합성기(140)는 획득한 신호 크기와 위상정보를 이용하여 각 섹터별 수신신호에 대한 합성 신호를 계산한다(S103).

그 후 비교기(150)는 합성된 신호 중 가장 큰 이득을 얻을 수 있는 섹터를 판별한다(S104).

제어기(160)는 비교기(150)에 의해 판별된 섹터로 신호가 수신되도록 빔포밍을 수행한다(S105).

이와 같이 본 발명은 전방향에 대해 다중 경로 신호를 측정하고 각 신호의 크기와 위상 정보로부터 어떤 신호들을 합성할지를 파악하여 합성했을 때 최대 이득이 되는 신호를 합성하여 합성된 신호가 합성 이득 조건에 부합하는지를 검사하여 가장 좋은 수신 신호를 얻을 수 있도록 멀티빔을 형성함으로써 가장 좋은 수신 신호를 얻을 수 있도록 한다.

즉, 섹터 스윕(sector sweep)을 통해서 각 다중 경로 수신 신호의 방위각을 구하고 이 중에서 RF단에서 합쳐졌을 때 가장 신호세기가 커지는 경우를 검사해서 해당 수신 신호가 들어오는 섹터로 빔을 형성하도록 빔포밍을 수행함으로써, 다중 경로 수신 신호의 위상차가 특정 조건을 만족할 경우, 각 수신 신호 별로 이득과 위상을 제어하지 않더라도 신호 합성에 의한 이득을 얻음으로써 무선 채널의 품질을 높여서 채널 용량을 증대시킬 수 있다.

이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다중 경로 수신신호의 합성 시 합성신호의 크기의 변화를 설명하기로 한다.

단일 RF 기반 안테나를 통해서 다중 경로로 수신되는 신호들을 합성하기 위해서는 먼저 어느 방향(DOA: Direction of Arrival)에서 신호가 수신되는지 알아야 한다. 수신 신호의 방향을 알게 되면, 해당 방향으로 빔이 형성되도록 기생소자의 리액턴스값을 조절하면 된다. 그런데 종래의 어레이 안테나와는 달리 단일 RF기반 안테나에서는 RF단에서 여러 수신 신호들이 단순히 합쳐지기 때문에 종래와 같이 각각의 신호의 이득이나 위상을 조절할 수 없다.

따라서 각 신호들을 단순히 RF단에서 합성했을 때 이득이 있는지 없는지를 미리 검사해 보아야 한다. 이를 위해 두 신호의 합성을 벡터로 나타내면 도 6 및 도 7과 같다. 두 신호 s1과 s2를 합성했을 때 이득이 있으려면 s1+s2의 크기가 기존 신호(s1, s2)의 크기보다 커야 한다. 도 6에서와 같이 두 신호의 위상차가 작으면 이득이 발생할 가능성이 높고, 도 7에서와 같이 위상차가 클수록 이득이 발생할 가능성이 적어진다. 두 수신 신호를 s1과 s2라 하고 두 신호의 위상차를 θ라고 할때, s1+s2의 크기는 아래 삼각 공식에 의해 구해진다.

따라서 두 신호를 합성해서 이득이 생길 조건은 아래 수학식 2와 같다.

상기 수학식 2를 풀면 아래 수학식 3과 같은 합성신호의 이득 조건을 얻을 수 있다.

모든 섹터에 대하여 수신 신호 측정을 하는데 N개의 섹터 중에서 2개 이상의 섹터로부터 수신신호가 측정된다고 하면 위의 수학식 3에서 주어진 조건에 의하여 합성 신호의 이득 조건을 검사하고 조건이 만족하면 해당 섹터들로 멀티 빔을 형성하는 빔포밍을 수행한다.

본 발명에서는 2개의 다중 경로 신호에 대하여 기술하였으나 3개 이상의 다중 경로 신호에 대해서도 동일한 방법으로 합성을 수행할 수 있다. 3개의 다중 경로 수신신호의 경우 먼저 2개를 합성했을 때의 합성 신호를 구하고 이 신호와 나머지 하나의 신호를 합성함으로써 얻어진다. 이렇게 최종적으로 얻어진 합성 신호에 대하여 수학식 3의 이득 조건을 만족하는지 검사한다. 만일 M개의 섹터 중에서 다중 경로 신호가 측정된다면 2개부터 M개까지의 수신신호를 합성하는 경우를 생각할 수 있다. 따라서 아래 수학식 4와 같이 신호 합성 개수를 계산할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 단일 RF 기반 안테나에서 빔포밍을 통하여 수신 다이버시티 효과를 얻기 위한 방안으로서, 전방향에 대해 다중 경로 신호를 측정하고 각 신호의 크기와 위상 정보로부터 어떤 신호들을 합성할지를 파악하여 합성에 의해 가장 큰 이득을 얻을 수 있는 섹터를 판별하여 해당 섹터로 빔포밍을 수행한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

1. 단일 RF 체인을 구비한 안테나 장치에 있어서,
   전방향을 N 개의 섹터로 나누고, 상기 섹터와 동일한 빔 폭을 갖는 섹터 빔을 생성하고, 상기 섹터 빔을 사용하여 섹터 스윕을 수행함으로써 각 섹터에 대해 수신 신호를 측정하고, 각 섹터별로 상기 단일 RF 체인을 통해 측정된 상기 수신 신호를 합성하고 합성신호의 이득을 계산하는 합성기;
   상기 합성신호의 이득 크기를 판별하는 비교기; 및
   상기 비교기의 이득 크기 비교 결과에 따라 빔포밍을 수행하는 제어기;
   를 포함하는 안테나 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 합성기는,
   각 섹터에 대한 수신 신호의 크기와 위상 정보를 측정하여, 상기 합성신호의 이득을 계산하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 비교기는,
   상기 합성신호의 이득이 최대가 되는 섹터를 판별하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제어기는,
   상기 합성신호의 이득이 최대가 되는 섹터를 통해 신호를 수신 또는 송신하도록 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 합성기는,
   상기 섹터 간의 수신신호의 위상차가 작으면 상기 합성 신호의 이득이 증가하고 상기 수신신호의 위상차가 크면 상기 합성 신호의 이득이 감소하는 특징을 이용하여 합성신호의 이득을 계산하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 비교기는,
   (수학식 1)
   

   

   
   (s1, s2는 각 섹터로부터 수신되는 수신신호의 크기, θ는 두 신호간의 위상차를 의미함)
   상기 합성신호에 대해 상기 수학식과 같은 이득 조건을 만족하는지를 판별하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
8. 단일 RF 체인을 포함하는 안테나 장치의 빔포밍 방법에 있어서,
   전방향을 N 개의 섹터로 나누고 섹터 스윕(sector sweep)을 수행하는 단계;
   각 섹터와 동일한 빔 폭을 갖는 섹터 빔을 생성하여 각 섹터에 대해 수신 신호를 측정하는 단계;
   상기 각 섹터별 수신 신호에 대해 신호를 합성하고 합성신호의 이득을 계산하는 단계;
   상기 합성신호의 이득크기를 판별하는 단계; 및
   상기 이득크기에 따라 섹터를 선택하여 빔포밍을 수행하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치의 빔포밍 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 수신신호를 측정하는 단계는,
   상기 각 섹터에 대한 수신신호의 크기와 위상정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치의 빔포밍 방법.
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 합성신호의 이득을 계산하는 단계는,
    상기 각 섹터에 대한 수신신호의 크기와 위상 정보를 이용하여 상기 합성신호의 이득을 계산하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치의 빔포밍 방법.
11. 삭제
12. 청구항 8에 있어서,
    상기 합성신호의 이득크기를 판별하는 단계는,
    상기 합성신호의 이득이 최대가 되는 섹터를 판별하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치의 빔포밍 방법.
13. 청구항 8에 있어서,
    상기 빔포밍을 수행하는 단계는,
    상기 합성신호의 이득이 최대가 되는 섹터를 통해 신호를 수신 또는 송신하도록 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치의 빔포밍 방법.
14. 청구항 8에 있어서,
    상기 합성신호의 이득을 계산하는 단계는,
    상기 각 섹터 간의 수신신호의 위상차가 작으면 상기 합성 신호의 이득이 증가하고 상기 수신신호의 위상차가 크면 상기 합성신호의 이득이 감소하는 특징을 이용하여 합성신호의 이득을 계산하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치의 빔포밍 방법.
    

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