KR19990013271A

KR19990013271A - 다중빔 배열 안테나의 빔선택방법 및 그를 이용한 송수신 장치

Info

Publication number: KR19990013271A
Application number: KR1019970073901A
Authority: KR
Inventors: 최승원
Original assignee: 최승원
Priority date: 1997-07-05
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 1999-02-25
Also published as: KR100292040B1

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야

다중빔 배열 안테나의 빔선택방법 및 그를 이용한 송수신 장치

2. 발명이 해결하고자 하는 과제

각각의 단말이 어떤 빔에 해당되는지를 정확히 판별하기 위해, 각 단말의 움직이는 속도에 대응할 수 있는 정도로 빠르게 수행하여 이동통신과 같은 시변환 신호환경에 그 적용이 적절한 다중빔 배열 안테나의 빔선택방법 및 그를 이용한 송수신 장치를 제공함.

3. 발명의 해결방법의 요지

수신된 신호를 가지고 배열 안테나의 수신 신호 벡터(x)를 형성하고; 이득백터들로처리(yi = w_i ^Hx )하여 각각의 협각빔으로 수신한 배열 안테나의 출력 수신신호를 생성하고; 신호분별기로 커버범위 내의 모든 단말로 부터 수신된 신호를 처리하여 각각의 단말 신호를 분리 추출하며; 각 단말에 대한 수신신호 중에서 크기가 가장 큰 것을 선택함.

4. 발명의 중요한 용도

CDMA, TDMA, 및 FDMA 방식을 사용하는 신호환경의 기지국 안테나 배열 설계에 이용된다.

Description

본 발명은 배열 안테나(array antenna)를 이용하는 기술에 관한 것으로, 특히 하나의 섹터를 여러 개의 협각빔으로 나누어 커버하는 다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법 및 그를 이용한 송수신장치에 관한 것이다.

종래의 경우는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 이동통신 기지국 등에서는 단일 빔으로 해당 섹터 전체를 거의 같은 이득값으로 커버하도록 하는 기지국 시스템을 이용하고 있었기 때문에, 동일 섹터 내에 있는 여타의 단말기 신호에 의해 모든 단말들의 신호가 상호 간섭되는 문제점이 있었다.

또한, 도 1b와 같이 소정범위의 섹터를 여러개의 협각빔으로 나누어 커버하도록 함으로써 단말기들간의 상호간섭을 대폭 감소시키려는 방안이 제시되기도 하였으나, 각각의 단말에 대하여 해당되는 협각빔을 간단하고도 정확히 선택해 내는 방법과 통신이 단절되지 않도록 통화채널을 적절히 스위칭해주는 적절한 방법이 제시되지 않았기 때문에, 도 1b와 같은 협각빔 형태의 안테나 시스템을 실제 구현함에 있어서는 많은 문제가 따랐다.

예컨대, 도 1b에 도시한 바와 같이 이동단말이 처음에는 협각빔 #1이 커버범위에 있다가 빔 #2 → 빔 #1 → 빔 #2 → 빔 #3 커버범위로 이동하는 경우에 있어서, 처음에는 협각빔 1#로 통신을 수행하다가 단말의 위치 변화에 따라 알맞은 협각빔 영역으로 정확히 스위칭해 주어야, 위에서 언급한 다중 협각빔을 이용한 간섭 감쇄의 효과와 함께 원활한 통신을 이룰 수 있게 된다. 그러나, 종래에는 이동단말의 움직임에 따라, 정확하게 해당 협각빔 커버범위로 스위칭해주는 기술이 제시되어 있지 않아, 상기한 바와 같은 다중 협각빔 기지국을 이용하는 효과를 완전하게 누릴 수 없었다.

최근들어, 이동통신 등 여러 가지 무선통신에 대한 급속한 수요의 증가가 이루어지고 있는데, 상기한 바와 같은 종래 기술의 한계상 그러한 급속한 수요의 증가에 부응할 수 없기 때문에, 무선 통신 시스템에서의 새로운 통신품질 및 통신용량 증대 방안이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하고 시대적 요구에 부응하기 위해 안출된 것으로서, 배열 안테나(array antenna) 구조를 채용하되 기존의 경우에 단일 안테나 소자가 커버하던 하나의 넓은 섹터범위를 세분하여 다수의 배열 안테나 소자들의 협각빔에 의해 분담되도록 하고, 기지국에서 각 단말과의 통신을 수행함에 있어서, 각 단말의 움직이는 속도에 대응할 수 있는 정도로 빠르게 각 단말에 대하여 올바른 협각빔을 스위칭하기 위하여 각각의 단말이 어떤 빔에 해당되는지를 정확히 판별함으로써, 이동통신과 같은 시변환 신호환경에 그 적용이 적절한 다중빔 배열 안테나의 빔선택방법 및 그를 이용한 송수신 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1a는 섹터 전체를 단일빔으로 커버하는 종래의 경우를 설명하는 개념도,

도 1b는 본 발명에 따라 하나의 섹터를 여러 개의 협각빔으로 나누어 커버하는 경우를 설명하는 개념도,

도 2는 본 발명에 의한 다중빔 배열 안테나는 이용하는 수신 장치의 제 1 실시예 구성도,

도 3a는 상기 제 1 내지 제 3 실시예의 수신장치에 이용되는 CDMA 신호환경을 고려한 신호분별기의 구성 예시도,

도 3b는 상기 제 1 내지 제 3 실시예의 수신장치에 이용되는 TDMA 신호환경을 고려한 신호분별기 설명도,

도 3c는 상기 제 1 내지 제 3 실시예의 수신장치에 이용되는 FDMA 신호환경을 고려한 신호분별기의 구성 예시도,

도 4는 상기 제 1 내지 제 3 실시예의 수신장치에 이용되는 최대크기 선택기의 구성 예시도,

도 5는 상기 도 3의 CDMA용 신호분별기가 상기 도 2의 제 1 실시예 수신 장치에 적용된 경우를 나타낸 예시도.

도 6은 본 발명에 의한 다중빔 배열 안테나를 이용하는 수신 장치의 제 2 실시예 구성도,

도 7은 본 발명에 의한 다중빔 배열 안테나를 이용하는 수신 장치의 제 3 실시예 구성도,

도 8은 본 발명에 의한 다중빔 배열 안테나를 이용하는 송신 장치의 제 1 실시예 구성도,

도 9는 본 발명에 의한 다중빔 배열 안테나를 이용하는 송신 장치의 제 2 실시예 구성도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1, 85, 97 : 안테나 소자2 : 수신기

3, 82 : 곱셈기4, 83, 94 : 덧셈기

5 : 신호분별기6 : 최대크기 선택기

7 : 저잡음증폭 및 중간주파천이기

8, 93 : 위상지연소자(PS)81, 92 : 디멀티플렉서

84, 91 : 송신기95 : 주파수 고역 천이기

96 : 증폭기

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법에 있어서, 각각의 안테나 소자에 수신된 신호를 주파수 저역천이 및 복조하여 배열 안테나의 수신 신호벡터(x)를 형성하는 단계; 상기 수신 신호백터(x)를 공지의 빔형성 방법으로 결정된 소정의 이득벡터들(w₁, w₂, ......w_N)로 처리(x와의 Euclidean inner product, 즉, y_i= w_i ^Hx)하여 각각의 협각빔으로 수신한 배열 안테나의 출력 수신신호(y₁, y₂,......, y_N)를 생성하는 단계; 해당 신호 환경에 따라 설계된 신호분별기로 커버범위 내의 모든 단말로 부터 수신된 신호를 처리하여 각각의 단말 신호를 분리 추출하는 단계; 및 수신 안테나 배열에서 각 단말에 대한 수신신호의 다수(N, 단 N은 2 이상의 자연수임) 개의 후보 중에서 크기가 가장 큰 것을 선택하는 단계를 포함하는 다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법을 제공한다.

또한, 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치에 있어서, 다수의 안테나 소자; 상기 다수의 안테나 소자들에 수신되는 신호를 입력받아 주파수 저역 천이 및 복조하는 신호 수신 수단; 상기 다수의 안테나 소자들이 전체 커버범위를 나누어 분담하도록 그 값이 미리 정해진 다수의 복소 이득벡터를 곱하기 위한 다수의 곱셈 수단; 상기 곱셈 수단들의 출력을 더하여 수신 출력 신호 (y)를 제공하는 다수의 덧셈 수단; 상기 각각의 수신출력 신호로 부터 단말기 각각의 신호를 추출하기 위한 다수의 신호분별 수단; 및 상기 신호분별 수단의 출력의 세기를 비교하여 각 단말에 대한 수신신호의 다수(M, 단 M은 2 이상의 자연수임)개의 후보 중에서 적어도 하나의 신호를 선택하여 출력하는 최대크기 선택 수단을 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치를 제공한다.

또한, 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치에 있어서, 다수의 안테나 소자; 상기 다수의 안테나 소자들이 전체 커버범위를 나누어 분담하도록 공지의 신호처리 기술로 그 값이 미리 정해진 다수의 위상지연벡터를 가하는 다수의 위상지연수단; 상기 위상지연 수단들의 출력을 더하여 수신 출력 신호(y)를 제공하는 다수의 덧셈 수단; 상기 덧셈 수단의 출력신호를 입력받아 주파수 저역 천이 및 복조하는 다수의 수신 수단; 상기 각각의 수신 수단의 출력(y)으로 부터 단말기 각각의 신호를 추출하기 위한 신호분별 수단; 및 상기 신호분별 수단의 출력의 세기를 비교하여 각 단말에 대한 수신신호의 다수(M, 단 M은 2 이상의 자연수임) 개의 후보중에서 적어도 하나의 신호를 선택하여 출력하는 최대크기 선택 수단을 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치를 제공한다.

또한, 다중빔 배열 안테나를 이용한 신호 송신 방법에 있어서, 송신하기 위한 신호(S_m: m=1, 2,...M)는 다수 (N, 단 N은 2 이상의 자연수임)의 빔 중에서 수신시에 최대크기 선택 수단에서 출력한 콘트롤 신호를 이용하여 1대 N 디멀티플렉서(demultiplexer)의 어느 한 출력단을 결정하는 단계; 상기 디멀티플렉서에 의해 선택된 복소이득 벡터로 송신하고자 하는 신호(S_m)를 위상변위시키는 단게; 및 상기 위상 변위된 각 요소의 상응하는 송신신호를 더한 후, 공지의 송신절차를 거쳐서 각각의 안테나 소자에서 송출하는 단계를 포함하는다중빔 배열 안테나를 이용한 송신 방법을 제공한다.

또한, 다중빔 배열 안테나를 이용한 신호 송신 방법에 있어서, 송신하기 위한 신호(S_m: m=1, 2,...M)는 공지의 송신 신호 처리 절차를 거친 후, 다수(N, 단 N은 2 이상의 자연수임의 빔 중에서 최대크기 선택 수단에서 출력한 콘트롤 신호를 이용하여 1 대 N 디멀디플렉서(demultiplexer)의 어느 한 출력단을 결장하는 단계; 상기 디멀티플렉서에 의해 선택된 위상지연 벡터로 송신하고자 하는 신호(S_m)를 위상변위시키는 단계; 및 상기 위상변위된 각 요소의 상응하는 송신신호를 더한 후, 주파수 고역천이 및 증폭하여 각각의 안테나 소자를 통해 송출하는 단계를 포함하는 다중빔 배열 안테를 이용한 송신 방법을 제공한다.

참고적으로, 배열 안테나는 다수의 안테나 소자(antenna element)를 포함하는 장치로서, 소정의 배열원칙에 따라 각 안테나 소자가 배열되며, 각각의 안테나 소자에 원하는 만큼의 위상지연을 가함으로써 송신 혹은 수신시의 빔패턴을 조정할 수 있는 것으로, 이와 관련한 기본 기술은 이미 본원 출원인에 의해, 1996년 특허 출원 제893호(1996. 1. 17), 1996년 특허출원 제12171호(1996. 4. 18), 1996년 특허출원 제12172호(1996. 4. 18), 1996년 특허출원 제17931호(1996. 5. 25) 및 1996년 특허출원 제25377호(1996. 6.28)로 출원되었다.

특히, 본 발명은 기지국 배열 안테나의 빔패턴을 적절히 조정하는 기술을 제공하되 위의 선출원 발명기술보다 간단한 구성 및 제어과정을 요하는 기술을 제공하는 것이다.

배열 안테나를 이용하여 빔패턴을 조정하는 방ㅂ버은, 앞서 언급한 바와 같이, 안테나 소자에 적절한 위상지연을 가함으로써 실현될 수 있는데, 안테나 소자에 위상지연을 가하는 방안은 크게 두가지로 나누어 생각할 수 있다.

첫 번째 방법은, 각 안테나 소자의 신호에 위상지연소자를 사용하여 원하는 만큼의 위상(ψ)을 직접 지연시키는 것인데, 이는 통상 높은 주파수 대역, 예컨대, 반송 주파수 대역(carrier frequency band), 혹은, 경우에 따라서는 중간 주파수 대역(intermediate frequency band)에서 수행된다.

두 번째 방법은 기저대역(base band)에서 수행되는 것으로써, 송신 혹은 수신하고자 하는 각 신호의 인페이즈(in-phase)성분과 쿼드레쳐(quadrature) 성분을 분리 추출하여 얻은 복소신호에 원하는 위상지연(ψ)을 멱지수(exponent)로 하는 복소이득(e^jψ)을 곱하는 방법이다.

그런데, 위의 두 가지 방법은 결국 수학적으로는 등가적인 것으로써 동일한 효과와 결과를 얻는다. 다만, 위의 첫 번째 방법은 위상지연 소자를 사용하므로, 해상도(resolution)가 위상지연 소자의 해상도에 의해 제한되는 약점이 있으며 또한 소자의 가격이 상대적으로 비싸서, 복소이득을 곱하는 두 번째 방법이 주로 이용된다. 물론, 본 발명에도 위의 두가지 방법이 모두 적용될 수 있음은 자명하다.

배열 안테나를 이용하여 기지국이 송수신 빔패턴을 조정하는 기술을 실제로 구현하는 방안은 크게 두가지로 나누어 생각할 수 있다.

첫 째는 기지국내의 각 단말을 추적하는 빔패턴을 만드는 방안이고, 둘 째는 여러 개의 고정된 협각 빔패턴(narrow beam pattern)을 만들어 여러 개의 협각 빔 패턴 중에서 각 단말에 해당되는 빔을 선택하는 방안이다.

본 발명은 이중에서 두 번째 방안에 관한 기술을 제공하고 있다. 즉, 도 1b에 도시한 바와 같이 한 개의 셀(여기서는 편의상 하나의 셋터를 고려하고 있음)을 여러개(도 1a와 도 1b에서는 세 개를 고려하고 있음)의 협각 빔으로 커버하는 기지국을 생각해 보자.

어떤 단말이 도 1b에서 예시한 바와 같이 이동할 경우, 빔#1 → 빔#2 → 빔 #1 → 빔 #2 → 빔 #3의 순으로 스위칭을 해주면, 해당되는 빔에 있지 않은 여타 단말로부터의 간섭을 대폭 감쇠시킬 수 있다.

즉, 커버범위를 여러 개의 협각 빔으로 나누어 커버하도록 하여, 목표 단말의 신호를 수신할 때에는 해당되는 협각빔을 선택하여 수신하므로써, 여타 협각빔의 커버범위에 있는 단말로 부터의 간섭을 감쇠시킬 수 있다는 것이 본 발명의 근본적인 착성이다.

이와 같은 안테나 시스템은 도 1a와 같은 기존의 안테나 시스템에 비교하면, 빔선택 스위칭이 완벽하고 각 협각빔의 사이드 로브(side lobes)의 영향을 무시한다면, 간섭 신호 전력면에서 3배(세 개의 협각빔으로 나누어 처리할 경우임)의 이득을 볼 수 있을 것이다. 따라서, 이 경우에는 최대 3배의 용량증대를 얻을 수 있다.

각 안테나 소자의 신호에 위상지연을 가하여 배열 안테나의 빔을 형성하는 방법에 관한 기본적인 이론은 앞에서 소개된 본원 출원인에 의한 선출원의 내용에 잘 소개되어 있으므로 본 발명에서는 도 1b에서와 같이 3개의 안테나 소자로 3개의 협각빔을 형성하는 배열 안테나에서의빔형성 원리를 간략히 소개하기로 한다.

실제적인 설계를 위하여 우리나라의 표준 섹터인 아지무스(azimuth) 각도가 120˚인 섹터를 고려해 보자, 즉, 안테나는 수평방향(azimuth)으로 120˚의 범위를 커버해야 한다.

따라서, 3개의 협각빔은 각각 40˚씩을 커버해야 한다.(물론, 실제의 경우에서는 약간의 중복 커버가 필연적이지만, 실명의 편리상 중복커버되는 사항은 생략하기로 함)우선 빔#1을 만들기 위해서는 중심으로부터 -40˚가 기울어져야 하므로 각 안테나 소자의 신호에 가해져야 할 위상지연은 각각 [0 πsin40˚, 2πsin40˚]으로 된다.

혹은, 앞에서 언급한 바와 같이 각 안테나 소자의 신호에 굡해져야 할 이득값은 [ 1 e^jπsin40˚e^j2πsin40˚]이 된다. 마찬가지 원리로 도 1b에 나타나 있는 3개의 빔, 즉 빔#1, 빔#2, 그리고 빔#3를 만들기 위해서는 각각 다음과 같은 이득 벡터가 필요하다.

= [1 e^jπsin40˚e^j2πsin40˚]= 빔#1을 만들기 위한 이득벡터

= [ 111]= 빔#2를 만들기 위한 이득벡터

=[e^-jπsin40˚e^-j2πsin40˚]= 빔#3를 만들기 위한 이득벡터

위에서 살펴 본 바와 같이 협각 다중빔을 만드는 것 자체는 이미 이론적으로 잘 알려 있다. 즉, 120˚의 커버범위에서 3개의 협각빔을 만드는 경우에는 위에 소개된,,를 그대로 이용할 수 있다.

그런, 협각빔을 제공하는 배열 안테나 시스템을 실제고 기지국용 안테나 시스템에 구현하기 위해서는, 각각의 단말이 어떤 빔에 해당되는지를 정확히 판별하여야 하며, 이와같은 판별은 각 단말의 움직이는 속도에 대응할 수 있는 정도로 빠르게 이루어져야 이동통신과 같은 시변환 신호환경에 적용할 수 있다.

본 발명의 공헌은 다음과 같이 정리할 수 있다:

우선 첫째로, 위와 같이 여러 개의 협각빔을 아용하는 기지국의 배열 안테나 시스템에 있어 각 단말이 어떤 빔에 속해 있는지를 정확하고 빠르게 판별하여 해당되는 빔을 각 단말에 정확히 스위칭 시켜 주는 방안을 제공한다.

그리고 둘째로, 위와 같이 정확하고 빠른 빔 판별법을 이용하여, 다중 협각빔을 사용하는 기지국용 송수신 장치를 제공한다.

또한, 본 발명이 제공하는 또 하나의 큰 공헌으로서 위에서 언급한 이득벡터들의 위상 배열 방식을 들 수 있다.

즉, 이는 이득벡터의 기준위상을 어느 안테나 소자에 맞춰야 할 것인가에 관한 사항인데, 종전 사용에 수신시에는 위상이 제일 늦은 신호가 유기되는 안테나의 신호위상을, 그리고 송신시에는 위상이 제일 빠른 신호가 송신되는 안테나의 신호위상을 기준안테나로 설정하는 방안이 제시되어 있었으나, 본 발명에서는 송수신 모두에서 동일하게 안테나 배열의 정중앙 위치에서의 신호위상을 기준 위상으로 하는 방안을 제지한다.

위에서와 같이, 안테나배열의 정중앙 위치에서의 신호위상을 기준 위상으로 하는 방안에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

안테나 소자의 개수에 관계없이 입사각 θ.방향으로 협각빔을 만들기 위해서는 인접한 안테나 소자간의 위상차이가.이어햐 한다.(단, d는 인접 안테나 소자간 거리, λ는 사용신호의 반송주파수에서의 파장 임)

그런데, 각 인타네 소자간에 위상차는 상대적인 값이므로 여러 가지 경우를 고려할 수 있다.

예를 들어, 두 인접안테나 소자간에 10˚만큼의 위상차이를 주기 위해서는, 한개의 안테나에 x˚의 위상을 주고 다른 한개에 x˚+10˚를 주면 된다. 따라서, 두 개의 안테나간에 10˚의 위상차를 주는 경우의 수는 x의 값을 어떻게 주느냐에 따라 무수히 많다. 이러한 문제는 어느 안테나 소자의 신호를 기준 위상으로 삼느냐 하는 것을 결정해야 해결된다.

상기 기준위상에 관련된 문제의 해결책으로서 본 발명의 바람직한 일실시예에서는, 안테나 배열의 정 중앙위치에서의 신호의 위상을 기준 위상으로 정하는 방안을 제시한다.

앞으로 예로든 세 개의 안테나 소자로 입사각 40˚방향으로 협각빔을 만드는 경우를 고려해보자.

입사각 40˚로 협각빔을 만들기 위해서는, 인접 안테나간의 위상 차이가이여햐 하므로인 선형안테나 배열인 경우에는 π Sin 40˚만큼의 위상차를 주어야 한다.

그런데, 안테나 배열의 정 중앙 위치를 기준 위상으로 정하기 위해서는 상기 빔#1, 빔#2, 빔#3를 만들기 위한 이득벡터는 각각

= [1 e^-jπsin40˚e^jπsin40˚]

= [ 111]

=[e^jπsin40˚e^-jπsin40˚]

가 되어야 한다.

즉, 안테나 배열의 정 중앙에 위치한 안테나소자(이 경우는 두 번째 안테나임)에 가하는 이득벡터는 실수이어야 한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 일실시예에서 제시하는 기준 위상을 고려하면 앞에서 언급한 이득벡터,,대신에(=e^-jπsin40 ),(=),(=e^jπsin40˚ )를 사용하여야 한다. 여기서,,,의 정 중앙요소는 모두 실수이므로, 안테나 배열이 정중앙에 위치한 안테나 소자에 유기되는 신호의 위상이 송수신에 다른 안테나 소자의 신호에 기준이 됨을 알 수 있다.

그런데, 본 발명의 바람직한 일실시예에서 제시하는 대로 안테나 배열의 정중앙에 안테나소자를 기준 안테나로 삼는 것에 문제가 있는 경우가 있다.

즉, 선형 안테나 배열의 경우에, 안테나 갯수가 짝수이면 배열이 정중앙에는 안테나 소자가 존재하지 않는다. 이 경우에는 안테나배열의 정중앙에 안테나 소자가 있는 것으로 가상하여, 그 가상의 안테나소자에 유기될 신호의 위상을 기준으로 하면 된다.

예컨대, 안테나 소자가 4개인 경우를 고려해 보자.

위에서 언급한 기준 위상에 관한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 제안기술에 의하면,인 등간격 안테나 배열인 경우, 입사각 θ.로 협각빔을 설정하려면 다음과 같은 이득 벡터를 사용해야 한다.

위에서 언급한 내용을 종합해 보면, 안테나 배열에서 기준 위상을 올바르게 설정하기 위해서, 이득벡터의 각 요소를 복소평면의 벡터로 표시한다면, 이득벡터의 각 요소벡터들을 벡터합(vector sum)한 결과가 반드시 실수가 되어야 함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 제시하는 기준 위상 결정법은 다음과 같이 요약할 수 있다.

주어진 안테나 배열의 정중앙 위치에서 위상이 기준위상이 되며, 이와 같이 안테나 배열이 정중앙 위치에서의 위상을 기준 위상으로 한다는 것은, 결국, 협각빔을 만들기 위해서는 모든 이득 벡터(ω)는(단, Φ_R는 이득벡터의 R번째요소의 위상으로써,=[e^jΦ ₁ e^jΦ ₂…e^jΦ _N] 임)의 조건을 만족해야 한다.

위와 같이 기준 위상이 결정되도록 이득벡터를 정규화하면 안테나 배열이 형태에 관계없이 항상 올바른 이득벡터를 얻을 수 있게 된다.

또 다른 경우로서, 예를들어 원형 안테나 배열인 경우에, 기준 위상은 원형배열의 중심점에서의 위상이 된다.

또한, 안테나 소자간의 거리가 등간격이 아닌 경우, 혹은, 앞의 설명에서는 예시하고 있지 않지만 이득 벡터의 각 요소의 크기가 서로 다른 경우에도 위의 본 발명의 바람직한 일실시예에서 제시하는 기술을 이용하여 올바른 기준위상을 항상 적절히 결정할 수 있다.

결과적으로, 이러한 모든 경우를 고려하여 올바른 기준 위상을 제시하는 이득 벡터의 조건을 다음과 같이 일반화할 수 있다.

(단, 윗첨자 *는 복소공액을 나타내며, WR는 이득벡터의 R번째 요소로서,=[w₁, w₂, …w_N]임).

윗식은이 실수가 되어야 함을 의미하고 있다.

섹터 내의 각각의 단말에 대하여, 여러개의 협각빔 중 어떤 빔을 선택하여 스위칭해야 하는가를 알기 위하여, 도 1b를 다시한번 고려해 보자.

처음에 단말이 빔#1의 커버 범위 내에 있을 때는 당연히 빔#1으로 그 단말의 신호를 수신하여야 여타 빔으로 수신했을 때보다 큰 수신전력을 얻을 수 있다. 단말이 움직임에 따라서 해당되는 빔으로 수신한 신호가 여타의 빔으로 수신한 신호보다 더 세게 된다.

따라서, 본 발명에서는 협각빔을 선별하는 기본적인 원리를 수신신호의 크기에 맞추고자 한다. 즉, 매 샘플링 주기마다 각각의 빔으로 수신한 신호의 크기를 비교하여 가장 큰 수신전력을 제공하는 빔으로 해당 단말을 수신하는 방법을 채택하는 것이다. 또한, 송신은 동일 시간대의 수신시에 판별한 비과 동일한 빔을 이용하여 송신하다.

그런데, 수신신호의 세기를 비교할 때에는 신호환경에 따라 정확한 수신을 마친 후에 그 크기를 비교하여야 한다. 즉, 각각의 협각빔으로 수신한 신호는 그 협각빔의 커버범위에 있는 모든 단말의 신호를 포함하고 있으므로 각각의 협각빔의 수신신호로부터 단말신호 각각을 추출하는 단계가 포함되어야 한다.

이제, 도 2, 6, 7을 고려해 보자.

섹터 내에 총 M개의 단말이 있고 기지국의 배열안테나는 모두 N개의 안테나 소자를 가지고 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 커버해야 하는 범위를 어느 정도(reasonably accurately, or, with an acceptable accuracy) 정확히 커버하는 안테나 소자를 사용할 경우, 공지의 빔형성기술을 사용하여 N 개의 이득벡터를 쉽게 구하여 요구되는 커버범위를 여러개이 협각으로 나누어 커버하는, 예컨대 도 1b와 같이 3개이 협각빔으로 나누어 커버하는, N 개의 협각빔을 형성할 수 있다.

도 2는 N 개의 이득벡터를 이용하여 N 개의 협각빔을 형성하는 기지국을 도시하고 있다.

한편, 도 6과 도 7은 N 개의 위상지연 벡터를 이용하여 N 개의 협각빔을 형성하는 기지국을 도시하고 있다.

그러나, 위의 세 개의 시스템은 수학적으로는 모두 등가이고 다만 배열빔을 형성하는 소자가 다를 뿐이다.

따라서, 본 발명의 설명은 도 2에 초점을 맞추어 보다 상세히 설명하고, 나머지 실시예인 도 6과 도 7은 동일한 이론으로 해석이 가능하므로 간략히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 의한 다중빔 배열 안테나를 이용하는 수신 장치의 제 1 실시예 구성도이다. 그리고 도면에서, 1은 안테나 소자, 2는 수신기, 3은 곱셈기, 4는 덧셈기, 5는 신호분별기, 6은 최대크기 선택기를 각각 나타낸 것이다.

도 2의 실시예에서는 N 개의 안테나 소자로 구성되어 있는 안테나 배열에서 N 개의 이득벡터를 이용하여 커버범위를 N 개의 협각범위로 나누어 커버하고 있다.

즉, 다음과 같이 N 개의 이득벡터의 값을 위에서 언급한 공지의 빔형성 이론을 이용하여 결정하여 도2에서 사용하는 것이다:

w₁= [w_1,1w_1,2... w_1,N],

w₂= [w_2,1w_2,2... w_2,N],

........................................,

w_N= [w_N,1w_N,2... w_N,N].

본 발명에서 N 개의 안테나 소자로 이루어진 배열 안테나로 N 개의 협각빔을 형성하는 기술이 소개되고 있지만 그러한 빔을 형성하는 기술 자체는 당해분야에서 이미 공지된 기술이며, 본 발명의 요지는그러한 공지의 신호처리 기술을 이용하여 형성한 협각빔을 각각의 단말신호에게 어떻게 선별하여 주는가와 또 그 선별기술을 이용하여 배열 안테나 시스템을 구현하는가에 있다.

마찬가지로, 공지의 신호처리기술을 이용하여 N 개의 안테나 소자로 이루어진 배열 안테나로 N 개보다 작은 갯수의 협각빔을 형성하여 송수신에 이용되도록 할 수도 있는데, 이러한 기술은 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 극히 용이하게 구현 가능하므로, 그에 대한 설명을 생략한다.

결국, 본 발명에서는 각 단말을 위하여 어떻게 협각빔을 선별하는가와, 그 선별 기술을 이용한 송수신 장치가 주된 논의 대상이 된다.

도 2에서와 같이 N 개의 이득벡터(w₁, w₂, ... w_N)를 이용하여 제 1(b)와 같이 N 개의 협각빔을 형성할 수 있다. 마찬가지로 도 6과 도 7에서 보인 바와 같이, N 개의 위상지연 벡터를 이용하여 N 개의 협각빔을 형성하므로써 전체 커버범위를 N 개의 협각으로 나누어 커버하는 배열 안테나 장치를 만들 수 있다.

위에서 언급한 바대로 각 안테나 소자는 전체의 커버범위를 만족할 만한 성능으로 커버하는 소자라고 가정한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 협각빔으로 수신한 배열 안테나의 출력 수신신호를 각각 y₁, y₂..., y_N라 하면 i번째 빔으로 수신한 신호 y_i는 다음과 같이 표시된다.

단, w_i,n는 i번째 빔을 형성하기 위한 n번째 안테나 소자에 곱해지는복소이득이고, 윗첨자 *는 복소공액이며, w는 이득벡터를 x는 각 안테나 소자에서 수신된 신호를 주파수 저역 천이 및 복조 등의 수신과정을 거쳐 얻은 수신 신소벡터를 나타내고, 윗첨자 H는 Hermitian 연산자를 나타낸다. 또한, 굵은 글자는 소문자인 경우에는 벡터를, 대문자인 경우에는 행렬을 의미한다.

본 발명에서 배열 안테나 시스템을 설계하는 것은 결국 각 안테나 소자에 곱해질 복소이득(도 6이나 도 7의 경우에는 위상지연값임)을 결정하는 것이므로, 많은 경우에 x를 배열 안테나의 입력 수신 신호벡터라 하고, y를 배열 안테나의 출력이라 한다.

식 (1)에서 수신신호 x에는 커버범위에서 송신하고 있는 모든 단말기의 신호가 포함되어 있다. 따라서, 여러개의 빔으로 수신한 수신 출력신호 y₁, y₂, ..., y_N각각은 커버범위 내의 모든 단말 신호를 포함하고 있으므로 기지국에서는 각각의 단말 신호를 분리추출하여야 한다.

본 발명은, 각각의 단말 신호를 분리추출함에 있어, 각각의 단말 신호를 어떤 빔으로 수신한 수신출력신호로 부터 추출할 것인가를 신속 정확하게 분별해 내는데에 그 주안점을 두고 있따. 즉, m번째 단말로부터 송신된 신호를 S_m이라 하면 이 신호 S_m을 N개의 빔 중에서 어떤 빔으로 수신할 것인가를 판단하여야 한다. 물론, m 번째 단말이 위치한 곳을 커버하는 빔으로 수신하여야 한다.

그리고, 본 발명은 m번째 단말이 위치한 곳을 커버하는 빔이 바로 m 번째 단말이 송신한 신호 S_m을 가장 세게 수신하는 빔이라는 점에 착안하여, 이하에서 설명되는 바와 같이, 새롭고 효과적인 방법으로 각 단말신호의 추출을 신속 정확하게 분별해내도록 한다.

본 명세서에서 yi는 i번째 빔으로 수신한 배열 안테나의 출력신호이다. 도 2, 6, 7에서 여러 개이 협각 빔으로 수신한 배열 안테나의 출력 신호 y₁, y₂, ..., y_N을 생성한 후에는, 위에서 언급한 바대로, 각각의 단말로 부터 송신호 신호에 대하여, 어떤 빔으로 수신한 신호를 선택하여야 하는지를 결정하여야 한다.

이를 위하여 본 발명에서 제공하는 빔선택 기술을 다음과 같이 정리할 수 있다:

첫째, 신호환경에 알맞게 미리 정한 수신장치 및 복소이득 벡터 혹은 위상지연 벡터를 이용하여 각각의 빔으로 수신한 신호 y₁, y₂, ..., y_N를 생성한다.

둘째, 수신 출력신호 각각을 신호분별기에 따로따로 입력하여 각 협각빔으로 수신한 신호를 각각의 단말신호별로 분리한다.

마지막으로, 각각의 단말 신호에 대하여 각 협각빔으로 수신한 수신 출력신호의 크기를 비교하여 크기가 가장 큰 신호를 선택하여 해당 단말의 수신 신호로 정한다.

기지국에서 신호를 송신할 때에는 수신시에 판별한 협각빔을 이용하여 동일 시간에는 수신과 송신의 방향이 일치하게 한다. 이를 위하여 상기 최대크기 선택기의 출력단은 두 개로 되어 있는데, 하나는 위에서 언급한 N개의 협각빔으로 수신한 신호 중 최대크기의 신호이고 다른 하나는 그 최대크기의 신호가 몇 번째 빔에서 수신되었는지를 가리키는 콘트롤 신호이다. 이 콘트롤 신호는 송신시에 협각빔을 선택하는 콘트롤 신호로 사용된다. 이 콘트롤 신호의 좀 더 자세한 쓰임세는 도 8 및 도 9의 설명란에서 상세히 소개된다.

이하, 첨부된 도 2 내지 도 9에 도시된 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

복소 이득벡터를 이용하는 구현기술

본 구현기술은 복소 이득벡터를 사용하여 협각빔을 형성하는 경우로서, 도 2는본 구현기술에 의한 다중빔 배열 안테나를 이용하는 수신 장치의 제 1 실시예 구성도이다.

도면에서, w_i,j는 i (i = 1, 2 ... N)번째 빔의 j (j = 1, 2 ... N)번째 웨이트(가중치), S_i,_m은 i ( = 1, 2 ... N)번째 빔으로 수신한 m (m = 1, 2, ... M) 번째 단말신호, y_i는 i 번째 빔으로 수신한 수신신호, x_n은 n번째 안테나 소자로 수신한 수신신호를 각각 나타낸 것이다.

본 실시예에서 제안되는 수신 장치는 도면에 도시한 바와 같이, 다수의 안테나 소자(1)들과, 상기 다수의 안테나 소자(1)들에 유기되는 신호에 대하여 주파수 저역 천이 및 복조 등을 수행하는 다수의 신호 수신기(2)와, 상기 다수의 신호 수신기(2)에 의해 각각 출력되는 다수의 수신신호(x₁, x₂, ... x_N)들이, 커버범위를 나누어 커버하도록 공지의 신호처리 기술로 그 값이 미리 정해진 다수의 복소이득벡터(w₁ ^*, w₂ ^*, ... w_N ^*)들의 각 요소들에 대해 각각 곱해지도록 하기 위한 다수의 곱셈기(3)와, 상기 다수의 곱셈기 출력들을 빔 별로 모아 더하므로써 각각의 빔에 대한 수신 출력 신호(y₁, y₂, ... y_N)를 제공하는 다수의 덧셈기(4)와, 상기 각각의 수신 출력 신호(y₁, y₂, ... y_N)로 부터 단말기 각각의 신호를 추출하기 위한 상기 덧셈기에 상응하는 수의 신호분별기(5)와, 상기 신호분별기의 출력의 세기를 비교하여 상기 단말기 각각으로 부터 송신된 신호를 재생하기 위한 최대크기 선택기(6)로 구비하고 있다.

그리하여, 각각의 안테나 소자에서 수신된 신호가 주파수 저역천이 및 복조등의 통상적인 수신절차를 거쳐 배열 안테나의 수신 신호벡터 x를 형성한 후, 위에서 언급한 바와 같이, 공지의 빔형성 기술로 결정된 이득벡터들(w₁ ^*, w₂ ^*, ... w_N ^*)로 처리(x와의 Euclidean inner product, 즉, y_i= w_i ^Hx)되어 각각의 협각빔으로 수신한 배열 안테나의 출력 수신신호(y₁, y₂, ... y_N)를 이루게 되는 것이다.

본 실시예에 따른 수신 장치에서, i 번째 빔으로 수신한 수신 출력신호(y_i)는 해당 신호환경에 맞게 설계제작된 신호분별기(5)로 입력된다. 상기 신호분별기(5)는 커버범위 내의 모든 단말로 부터 수신된 신호를 처리하여 각각의 단말 신호를 분리 추출하는 장치이다.

따라서, 도 3a에 도시되어 있는 바와 같이, CDMA의 경우에는 각 단말의 코드 시퀀스(code sequence) q_m(단, m=1, 2, ...M)와 상호상관(cross correaltion)시키는 M(커버범위 내의 단말 개수임)개의 상호상관기로 구성되어 있다.

또한, 도 3b에 도시된 바와 같이 신호환경이 TDMA인 경우에는 한 프레임 기간(T_F: frame preiod)동안 M개의 신호를, 동기를 맞추어, 각각의 버스트 기간(T_B: burst period)동안에 해당되는 단말의 신호를 샘플링하는 커뮤테이터(communitator)가 신호분별기를 형성한다.

마찬가지로 원리로, 도 3c에 도시된 바와 같이 신호환경이 FDMA 인 경우에는 각각의 단말에 할당된 반송파에 중심주파수가 맞추어진 M개의 대역통과 여파기(BPF:band pass filter)가 신호분별기를 이루게 된다. 도면에서 f_m은 m(m=1,2, ... M)번째 단말기에서 할당된 반송주파수이고, f_c,m은 m번째 단말기에 할당된 대역통과 여파기(BPF)의 중심주파수를 각각 나타낸 것이다.

따라서, 각각의 단말로 부터 송신되어 N개의 협각빔으로 수신된 신호들은 각각 신호 분별기에 의하여 각각의 단말신호로 분별되는데, 각각의 단말 신호들을 어느 협각빔으로 수신된 신호가 가장 센가를 판별하여 가장 큰 신호를 선택하게 되는 것이다.

즉, i 번째 빔으로 수신한 배열 안테나의 출력신호 y_i(i = 1, 2, ... N)는 신호환경이 CDMA, TDMA, 혹은 FDMA인가에 따라서 각각 M개의 상호상관기(cross correlator), 코뮤테이터(commutator), 혹은 대역통과 여파기(BPF)로 구성된 신호분별기로 입력된다.

그리하여, 각 단말 신호마다 빔#1으로 수신한 신호, 빔#2로 수신한 신호, ..., 빔#N으로 수신한 신호로 구분되어, 각각의 단말신호마다 N개의 후보를 얻게된다.

예를 들어, m 번째 단말로 부터 송신된 신호 S_m을 수신할 때에는 도 2, 6, 7, 및 도 4에 도시된 바와 같이, 빔#1으로 수신한 신호인 S_1,m와, 빔#2로 수신한 신호인 S_2,m와, ...빔#N으로 수신한 신호인 S_N,m등 N개의 후보를 얻게 된다.

그런데, 앞에서 언급한 바와 같이, 만일 어떤 단말이 빔#i 의 커버범위 내에서 신호를 송신하였다면 당연히 i 번째 빔으로 수신한 S_i,m이 가장 크기가 크다. 따라서, 수신 안테나 배열에서는 각 단말에 대한 수신신호 N개의 후보 중에서 크기가 가장 큰 것을 선택하면 된다.

결론적으로 본 발명에서는 S_1,m와 S_2,m와, ... S_N,m의 N개의 후보 중에서 크기가 가장 큰 S_i,m을 수신출력으로 선택하는 것이다.

그런데, 다중 경로가 존재하는 신호환경에서는 두 개 이상의 통신경로가 존재하며 다수의 협각빔으로 수신한 신호가 모두 상당히 센 경우가 있다. 이런 경우에는 협각빔을 선택함에 있어 수신된 신호를 해당 신호환경(CDMA, TDMA, FDMA)에 따라서, 위에서 언급한 방법으로 각각 적절히 신호분별을 하고 나서, 각 협각빔에서 수신한 신호의 최종 크기가 미리 정한 소정수치보다 큰 다수의 신호들을 모두 선택하며 그 선택된 신호들을 더한 후에 그 결과 신호를 이용하는 방법도 가능하다.

도 4a는 M개의 수신신호에 대해서 각각 얻게 되는 N개 후보를 선택하는 최대 크기 선택기(6)를 도시하고 있다.

최대크기 선택기는, 최대크기의 수신신호와 함께, 기지국에서 송신시에 수신시의 빔과 동일시간에는 동일한 빔을 사용하게하기 위하여 수신시에 몇번째 빔이 선택되었는지를 알리기 위한 콘트롤 신호를 출력한다.

또한, 도 4b는 각 협각빔에서 수신한 신호의 최종 크기가 미리 정한 소정수치보다 큰 다수의 신호들을 모두 선택하여 더한 후에 그 결과 신호를 이용하는 경우의 최대크기 선택기(6)를 예시하고 있다.

이 경우의 최대크기 선택기는 도면에 도시된 바와 같이, N개의 협각빔중 p번째와 q번째의 신호세기가 서로 비숫한 정도로 큰 경우에 그 두 신호를 모두 선택하는 최대크기 선택부(6a)와, 상기 최대크기 선택부(6a)에 의해 선택된 신호 모두를 더하여 출력하는 신호합산부(6b)를 구비한다. 이때 상기 최대크기 선택부(6a)로 부터 출력되는 콘트롤 신호는 선택된 모든 신호(p,q)에 대하여 출력된다.

도 5는 상기 도 3a의 CDMA용 신호분별기와 도 4의 최대크기 선택기가 상기 도 2의 제 1 실시예 수신 장치에 적용된 경우를 나타낸 예시도이다.

도 8은 본 발명에 의한 다중빔 배열 안테나를 이용하는 송신 장치의 제 1 실시예 구성도로서, 복소이득 벡터로 여러 개의 협각빔을 형성하여 기지국에서 M개의 단말로 신호를 송신하기 위한 장치이다.

도면에 도시한 바와 같이 각각의 단말에 (예를 들어, m 번째 단말에) 보내기 위한 신호 Sm (m = 1, 2, ..., M)은 여러개(본 실시예에서는 안테나 소자의 개수와 동일한 N개를 고려하고 있으나, 반드시 그렇게 제한을 받는 것은 아님)의 협각빔 중 하나를 택하여 송신하게 된다.

본 발명에서는 여러 개의 협각빔 중, 동일시간의 수신모드에서 사용된 빔과 동일한 빔을 사용하도록 하고 있다. 왜냐하면, 수신시에 최대크기를 제공하는 빔으로 수신하기 때문에, 수신시 사용되었던 빔을 동일시간에 사용하면 해당 단말을 커버하고 있는 빔으로 올바르게 송신할 수 있기 때문이다. 이를 위하여, 수신시 최대 크기 선택기로 부터 최대 크기를 제공하는 빔을 입력받도록 수신시에 상기 최대크기 선택기는 최대 수신전력을 제공하는 빔을 콘트롤 신호로 출력하도록 되어 있다.

수신시와 마찬가지로, 여러 개의 협각빔은 공지의 신호처리 기술로 미리 설정된 복소 이득 벡터들로 형성되어 커버범위를 나누어 커버하도록 정해진다.

상기한 바와 같은, 복소 이득벡터를 이용하는 첫번째 구현기술에 의거하여 기지국에서 m번째 단말에 신호를 송신하는 과정은 다음과 같이 정리할 수 있다. 그리고, M개의 단말에 동시에 신호를 송신하는 것은 아래의 과정을 독립적으로 M개의 송신신호에 대해 수행하면 된다.

첫째, 송신하기 위한 신호 S_m(m = 1, 2, ..., M)은 여러개(본 발명의 실시예에서는 N 개를 고려 하고 있음)의 빔 중에서 수신시에 최대크기 선택기에서 출력한 콘트롤 신호를 이용하여 1-to-N 디멀티플렉서(demultiplexer)의 출력단을 결정한다. 이때, 결정된 출력단은 수신시 결정한 협각빔과 동일한 빔을 택하게 된다.

둘째, N 개의 빔 중에서 선택된 협각빔으로 S_m을 송신하기 위하여, 상기 1-to-N 디멀티플렉서에 의해 선택된 복소이득 벡터로 송신하고자하는 신호 S_m을 위상변이시킨다.

마지막으로, 상기 위상천이된 각각의 송신신호를 알맞게 더한 후, 변조, 주파수 고역천이, 및 증폭 등의 공지의 송신절차를 거쳐서 각각의 안테나 소자에서 전송한다.

위상지연벡터를 이용하는 구현기술

위상지연벡터를 사용하여 협각빔을 형성하는 본 구현기술은 도 6 및 도 7에서 바람직한 실시예로서 예시되어 있다.

도 6은 본 발명에 의한 다중빔 배열 안테나를 이용하는 수신 장치의 제 2 실시예 구성도이다.

본 구현기술에서 제공되는 수신 장치는, 다수의 안테나 소자(1)들과, 상기 다수의 안테나 소자(1)들에 유기되는 신호에 대하여 각각 저잡음 증폭 또는 중간주파수천이를 수행하는 다수의 저잡음 증폭 및 중팍주파수천이기(7)와, 상기 다수의 저잡음 증폭 및 중간주파수천이기(7)에 의해 각각 출력되는 다수의 수신신호(x₁, x₂, ... x_N)들이, 커버범위를 나누어 커버하도록 공지의 신호처리 기술로 그 값이 미리 정해진 다수의 위상지연벡터(Φ₁, Φ₂, ... Φ_N)들의 각 요소들에 의해 위상 지연되도록 하는 다수의 위상지연소자(PS: phase shifter)(8)들과, 상기 위상지연 소자들의 출력들을 빔 별로 모아 더하므로써 각각의 빔에 대한 수신 출력 신호(y₁, y₂, ... y_N)를 제공하는 다수의 덧셈기(4)와, 상기 다수의 덧셈기(4)의 상응하는 출력단에 각각 연결되어 주파수 저역 천이 및 복조 등을 수행하는 다수의 수신기(2)와, 상기 각각의 수신기의 출력 신호(y₁, y₂, ... y_N)로 부터 단말기 각각의 신호를 추출하기 위한, 상기 수신기에 상응하는 수의 신호분별기(5)와, 상기 신호분별기의 출력의 세기를 비교하여 단말기 각각으로 부터 송신된 신호를 재생하기 위한 다수의 최대 크기 선택기(6)로 구비하고 있다.

그리하여, 각각의 안테나 소자에서 수신된 신호는 다수의 저잡음 증폭소자 혹은 중간주파수 천이소자(7)를 거쳐 커버범위를 나누어 커버 하도록 공지의 신호 처리 기술로 그 값이 미리 정해진 상기 다수의 위상지연벡터의 벡터값대로 신호를 위상지연 시키기 위한 상기 다수의 위상지연소자(PS: phase shifter)(8)를 통과 한후, 상기 위상지연 소자들의 출력을 더하여 출력 수신신호(y)를 제공하는 상기 다수의 덧셈기(4)를 거치면 각각의 협각빔으로 수신한 배열 안테나의 출력 수신신호(y₁, y₂, ... y_N)를 이루게 된다. 상기 배열 안테나의 출력 수신 신호들은 상기 신호 분별기(5)로 입력되어 이 후의 모든 신호흐름은 상기 도 2의 신호분별기의 이후단의 작동내용과 동일하다.

도 7은 본 발명에 의한 다중빔 배열 안테나를 이용하는 수신 장치의 제 3 실시예 구성도로서, 모든 신호 흐름은 상기 도 6의 경우와 동일하며, 단지 상기 도 6에서는 각 안테나 소자에 유기된 신호를 중간주파수 대역으로 주파수 천이한 후 위상지연을 수행하는데 반하여, 본 도 7에서는 협각빔 형성을 위한 위상지연을 각각의 수신 신호의 반송주파수 대역에서 직접 수행하는 점이 다를 뿐이다.

도 3a 내지 도 3c는 신호분별기를 나타낸 것으로서, 그 사용 목적 및 제반 특징은 상기 첫 번째 구현기술의 경우와 동일하다.

즉, 각각의 협각빔으로 수신한 신호를 신호환경을 고려한 수신 장치 (CDMA의 경우는 상호상관기, TDMA의 경우는 각 단말신호와 동기된 샘플링장치, FDMA의 경우는 각 단말신호의 반송주파수로 튜닝된 대역통과 여파기)를 거친 후, 각 단말신호를 분별해 내는 장치이다. 하나의 배열 안테나를 이용한 수신 장치에서 필요한 신호분별기의 개수는 협각빔의 개수와 동일하며, 신호분별기마다 각각의 협각빔으로 수신한 출력 수신신호( y_i)를 입력으로 하고, 위에서 언급한 대로, 해당 신호환경에 따른 수신장치(CDMA의 경우는 상호상관기, TDMA의 경우는 각 단말신호와 동기된 샘플장치, FDMA의 경우는 각 단말신호의 반송주파수로 튜닝된 대역통과 여파기를 커버범위의 단말기의 갯수만큼 구비하여, 각 신호분별기는 M개의 출력단을 제공한다.

도 4a 및 도 4b는 최대크기 선택기로써, 앞서 언급한 첫 번째 구현기술의 경우와 동일한 목적으로 사용된다. 즉, 각 단말의 신호를 각각의 협각빔으로 수신한 결과의 크기를 비교하여 가장 큰 것을 선택하는 장치이다.

상기 최대 크기선택기는 N개의빔으로 수신한 신호 중 가장 크기가 센것을 선택하고 또, 기지국에서 신호를 송신 할 때에는 동일 시간대의 수신시와 같은 빔을 사용하기 위하여 몇번째 신호를 선택하였는지를 콘트롤 신호로서 출력한다. 또한, 다중신호환경에서는 앞서 언급한 도 4b와 같이, 하나의 신호를 수신할 때 두개 이상의 협각빔을 동시에 선택하도록 하며, 그 선택된 신호들을 더한 후에 출력하여 이용되도록 할 수도 있다.

본 두번째 구현기술에서도 어느 특정한 신호환경, 예컨대 CDMA를 고려하여, 도 5과와 같은 배열 안테나 장치를 용이하게 구성할 수 있다. 다만 도 5에서 첫 번째 구현예만을 고려한 이유는, 앞서 언급한 바와 같이 위상지연 소자를 사용하는 것보다는 복소 이득벡터를 이용하여 소프트웨어적으로 신호를 처리하는 것이 여러가지로 유리하기 때문이다.

도 9는 위상지연 벡터로 여러 개의 협각빔을 형성하여 기지국에서 M개의 단말로 신호를 송신하기 위한 배열 안테나 장치이다.

빔형성을 위하여 복소이득 벡터 대신에 위상지연 벡터를 사용하는 것을 제외하면, 앞서 언급하였던 도 8의 경우와 동일한 목적과 기능을 갖는다. 두 번째 구현예에 의거하여 기지국에서 m번째 단말에 신호를 송신하는 과정은 다음과 같이 정리할 수 있다.

따라서, M개의 단말에 동시에 신호를 송신하는 것은 아래의 과정을 독립적으로 M개 송신신호에 대해 수행하면 된다.

첫째, 송신하기 위한 신호 S_m(m = 1, 2, ..., M)은 변조, 주파수 고역천이 등의 공지의 송신 절차를 거친 후(이를 S_m이라 하자), 여러개 본 발명에서는 N개를 고려하고 있음)의 빔 중에서 수신시에 최대크기 선택기에서 출려간 콘트롤 신호를 이용하여 1-to-N 디멀티플렉서(demultiplexer)의 출력단을 결정한다. 이 때, 결정된 출력단은 수신시 결정한 협각빔과 동일한 빔을 택하게 된다.

둘째, N개의 빔 중에서 선택된 협각빔으로 S_m을 송신하기 위하여, 상기 1-to-N 디멀티플렉서에 의해 선택된 위상지연 벡터로 송신하고자하는 신호 S_m을 위상변이 시킨다.

마지막으로, 상기 위상천이된 각각의 송신신호를 알맞게 더한 후, 주파수 고역천이, 혹인 증폭 등의 공지의 송신철차를 거쳐서 각각의 안테나 소자에서 전송한다. 단, 이 과정에서 각 안테나 소자에서의 증폭절차 전에 주파수 고역천이 과정이 중복될 수도 있다.

그리고, 전술한 바와 같은 본 발명은, 코드분할 다중접속(CDMA: Code Division Multiple Access) 방식의 이동통신 환경의 기지국 설계에 적합하게 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 시분할 다중접속(TDMA : Time Division Multiple Access)방식, 또는 주파수분항 다중접속 (FDMA: Frequency Division Multiple Access))방식을 사용하는 신호환경에서의 기지국 설계에도 용이하게 적용할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면은 그것으로 권리범위를 한정하기 위해 제시된 것이 아니라 단지 본 발명의 기술요지를 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위해 제시된 것이며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하므로, 그러한 여러가지 치환물, 변형물 및 변경물도 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

위와 같이 여러 개의 협각빔을 사용하는 기지국의 배열 안테나 시스템에 있어 각 단말이 어떤 빔에 속해 있는지를 정확하고 빠르게 판별하여 해당되는 빔을 각 단말에 정확히 스위칭 시켜주며, 이와 같이 정확하고 빠른 빔판별법을 이용하여 다중 협각빔을 사용하는 기지국용 안테나 배열을 용이하게 구현할 수 있도록 한다.

Claims

다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법에 있어서,

각각의 안테나 소자에 수신된 신호를 주파수 저역천이 및 복조하여 배열 안테나의 수신 신호벡터(x)를 형성하는 제 1 단계;

상기 수신 신호백터(x)를 소정의 이득벡터(w₁, w₂, ......w_N)로 처리하여 각각의 협각빔으로 수신한 배열 안테나의 출력 수신신호(y₁, y₂,......, y_N)를 생성하는 제 2 단계;

해당 신호 환경에 따라 설계된 신호분별기로 커버범위 내의 모든 단말로 부터 수신된 신호를 처리하여 각각의 단말 신호를 분리 추출하는 제 3 단계;및

수신 안테나 배열에서 각 단말에 대한 수신신호의 다수(N, 단 N은 2 이상의 자연수임) 개의 후보 중에서 적어도 하나의 신호를 선택하는 제 4 단계

를 포함하는 다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법.
청구항 1에 있어서,

상기 제 2 단계의 출력 수신신호(y₁, y₂,......, y_N)는 상기 수신 신호벡터(x)와 상기 소정의 이득벡터(w₁, w₂, ......w_N)르 유클리디언 내적(Euclidean inner product)한 것(y_i= w_i ^Hx)임을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법.
청구항 1에 있어서,

상기 제 4 단계는 상기 다수(N)개의 후보중에서 크기가 가장 큰 신호를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법.
청구항 1에 있어서,

상기 다수(N)개의 후보중에서 다수의 신호가 소정 레벨이상으로 수신되는 경우, 상기 제 4 단계에서 상기 소정 레벨이상의 수신신호를 모두 선택하는 것을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법.
청구항 4에 있어서,

상기 제 4 단계에서 선택된 모든 수신신호를 더하여 출력하는 제 5 단계를 더 포함하는 다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법.
청구항 1에 있어서,

상기 기준안테나 소자는,

상기 이득벡터의 값을 기준 안테나 소자의 신호위상이 변하지 않도록 정해진 것을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법.
청구항 6에 있어서,

상기 기준안테나 소자는,

상기 안테나 배열의 정중앙에 위치하고 있는 안테나소자인 것임을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법.
청구항 6에 있어서, 상기 기준안테나 소자는, 상기 안테나 배열의 정중앙에 위치한 안테나 소자가 없는 경우에 상기 안테나 배열의 정중앙에 가상의 안테나 소자가 위치하는 것으로 가정하고, 그 가상 안테나 소자의 신호 위상을 기준 위상으로 정한 것임을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나의 빔 선택방법.
다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치에 있어서,

다수의 안테나 소자;

상기 다수의 안테나 소자들에 수신되는 신호를 입력받아 주파수 저역 천이 및 복조하는 신호 수신 수단;

상기 다수의 안테나 소자들이 전체 커버범위를 나누어 분담하도록 그 값이 미리 정해진 다수의 복소 이득벡터를 곱하기 위한 다수의 곱셈 수단;

상기 곱셈 수단들의 출력을 더하여 수신 출력 신호 (y)를 제공하는 다수의 덧셈 수단;

상기 각각의 수신출력 신호로 부터 단말기 각각의 신호를 추출하기 위한 다수의 신호분별 수단; 및

상기 신호분별 수단의 출력의 세기를 비교하여 각 단말에 대한 수신신호의 다수(M, 단 M은 2 이상의 자연수임)개의 후보 중에서 적어도 하나의 신호를 선택하여 출력하는 최대크기 선택 수단

를 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 9에 있어서,

상기 신호분별 수단은, CDMA 신호 환경을 위하여 각 단말의 코드 시퀀스(code sequence) q_m(단, m=1, 2, ...M)와 상호상관시키기 위한 상호 상관기를 구비하되, 상기 커버범위 내의 단말개수(M)에 상응하는 개수의 상호 상관기를 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 9에 있어서,

상기 신호분별 수단은 TDMA 신호 환경을 위하여, 한 프레임 기간(frame preiod)동안 상기 단말개수(M)에 상응하는 수의 신호에 대해, 동기를 맞추면서, 각각의 버스트 기간(burst period) 동안에 해당되는 단말의 신호를 샘플링하는 커뮤테이터(communitator)를 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구한 9에 있어서,

상기 신호분별 수단은, FDMA 신호 환경을 위하여, 각각의 단말에 할당된 채널의 반송파에 중심주파수가 맞추어진 대역통과 여파기(BPF:band pass filter)를 구비하되, 상기 커버범위 내의 단말개수(M)에 상응하는 개수의 대역통과 여파기(BPF)를 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 9에 있어서,

상기 최대크기 선택 수단은, 최대크기의 수신신호와 함께, 기지국에서 송신시에 수신시의 빔과 동일시간에는 동일한 빔을 사용하도록 하기 위하여 수신시에 몇번째 빔이 선택되었는지를 알리기 위한 콘트롤 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 13에 있어서,

상기 최대크기 선택 수단은, 상기 다수(M)의 후보중에서 크기가 가장 큰 신호를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 13에 있어서,

상기 최대크기 선택 수단은, 상기 다수(M)개의 후보중에서 다수의 신호가 소정 레벨이상으로 수신되는 경우, 상기 소정 레벨이상의 수신신호를 모두 선택하는 것을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 15에 있어서,

상기 최대크기 선택 수단에서 선택됨 모든 수신신호를 더하여 출력하는 신호합산수단

을 더 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 9에 있어서,

상기 곱셈 수단에 가해지는 이득벡터의 값은 기준 안테나 소자의 신호 위상이 변하지 않는 값으로 정한 것임을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 17에 있어서,

상기 기준안테나 소자는,

상기 안테나 배열이 정중앙에 위치하고 있는 안테나소자로 정한 것임을 특징으로 하는 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 17에 있어서,

상기 기준안테나 소자는,

상기 안테나 배열의 정중앙에 위치한 안테나 소자가 없는 경우에 상기 안테나 배열의 정중앙에 가상의 안테나 소자가 위치하는 것으로 가정하고, 그 가상 안테나 소자의 신호 위상을 기준 위상으로 정한 것임을 특징으로 하는 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치에 있어서,

다수의 안테나 소자;

상기 다수의 안테나 소자들이 전체 커버범위를 나누어 분담하도록 공지의 신호처리 기술로 그 값이 미리 정해진 다수의 위상지연벡터를 가하는 다수의 위상지연 수단;

상기 위상지연 수단들의 출력을 더하여 수신 출력 신호(y)를 제공하는 다수의 덧셈 수단;

상기 덧셈 수단의 출력신호를 입력받아 주파수 저역 천이 및 복조하는 다수의 수신 수단;

상기 각각의 수신수단의 출력(y)으로 부터 단말기 각각의 신호를 추출하기 위한 신호분별 수단; 및

상기 신호분별 수단의 출력의 세기를 비교하여 각 단말에 대한 수신신호의 다수(M, 단 M은 2 이상의 자연수임)개의 후보 중에서 적어도 하나의 신호를 선택하여 출력하는 최대크기 선택 수단

을 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 20에 있어서,

상기 다수의 안테나 소자의 상응하는 안테나 소자에 각각 연결된 다수의 저잡음 증폭 및 중간 주파수천이 수단

을 더 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 20 또는 청구항 21에 있어서,

상기 신호분별 수단은, CDMA 신호 환경을 위하여 각 단말의 코드 시퀀스(code sequence) q_m(단, m=1, 2, ...M)와 상호상관시키기 위한 상호 상관기를 구비하되, 상기 커버범위 내의 단말개수(M)에 상응하는 개수의 상호 상관기를 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 20 또는 청구항 21에 있어서,

상기 신호분별 수단은 TDMA 신호 환경을 위하여, 한 프레임 기간 동안 상기 단말개수(M)에 상응하는 수의 신호에 대해, 동기를 맞추면서, 각각의 버스트 기간 동안에 해당되는 단말의 신호를 샘플링하는 커뮤테이터를 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 20 또는 청구항 21에 있어서,

상기 신호분별 수단은, FDMA 신호 환경을 위하여, 각각의 단말에 할당된 채널의 반송파에 중심주파수가 맞추어진 대역통과 여파기(BPF)를 구비하되, 상기 커버범위 내의 단말개수(M)에 상응하는 개수의 대역통과 여파기(BPF)를 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 20 또는 청구항 21에 있어서,

상기 최대크기 선택 수단은, 최대크기의 수신신호와 함께, 기지국에서 송신시에 수신시의 빔과 동일시간에는 동일한 빔을 사용하도록 하기 위하여 수신시에 몇번째 빔이 선택되었는지를 알리기 위한 콘트롤 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 25에 있어서,

상기 최대크기 선택 수단은, 상기 다수(M)의 후보중에서 크기가 가장 큰 신호를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 25에 있어서,

상기 최대크기 선택수단은, 상기 다수(M)개의 후보중에서 다수의 신호가 소정 레벨 이상으로 수신되는 경우, 상기 소정 레벨이상의 수신신호를 모두 선택하는 것을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 27에 있어서,

상기 최대크기 선택 수단에서 선택된 모든 수신신호를 더하여 출력하는 신호합산수단

을 더 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 20 또는 청구항 21에 있어서,

상기 위상지연 수단에 가해지는 위상지연벡터의 값은 기준 안테나 소자의 신호 위상이 변하지 않는 값으로 정해진 것임을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 29에 있어서,

상기 기준안테나 소자는,

상기 안테나 배열의 정중에 위치하고 있는 안테나소자로 정한 것임을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
청구항 30에 있어서,

상기 기준안테나 소자는,

상기 안테나 배열의 정중앙에 위치한 안테나 소자가 없는 경우에 상기 안테나 배열이 정중에 가상의 안테나 소자가 위치하는 것으로 가정하고, 그 가상 안테나 소자의 신호 위상을 기준 위상으로 정한 것임을 특징으로 하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 수신 장치.
다중빔 배열 안테나를 이용한 신호 송신 방법에 있어서,

송신하기 위한 신호 (S_m:m = 1, 2, ..., M)은 다수(N, 단 N은 자연수임)의 빔 중에서 최대크기 선택 수단에서 출력한 콘트롤 신호를 이용하여 1 대 N 디멀티플렉서(demultiplexer)의 어느 한 출력단을 결정하는 단계;

상기 디멀티플렉서에 의해 선택된 복소이득 벡터로 송신하고자하는 신호(S_m)를위상변이시키는 단계; 및

상기 위상변위된 각 요소의 상응하는 송신신호를 더한 후, 공지의 송신절차를 거쳐서 각각의 안테나 소자에서 송출하는 단계

를 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 송신 방법.
다중빔 배열 안테나를 이용한 신호 송신 방법에 있어서,

송신하기 위한 신호 S_m(m = 1, 2, ..., M)는 공지의 송신 신호 처리 절차를 거친 후, 다수(N, 단 N은 자연수임)의 빔 중에서 최대크기 선택 수단에서 출력한 콘트롤 신호를 이용하여 1 대 N 디멀티플렉서의 어느 한 출력단을 결정하는 단계;

상기 디멀티플렉서에 의해 선택된 위상지연 벡터로 송신하고자하는 신호(S_m)를위상변이시키는 단계; 및

상기 위상변위된 각 요소의 상응하는 송신신호를 더한 후, 주파수 고역천이 및 증폭하여 각각의 안테나 소자를 통해 송출하는 단계

를 포함하는 다중빔 배열 안테나를 이용한 송신 방법.