KR20000012806A - method for shaping a beam and system for performming the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An adaptive beam forming method for adding against binary data of receipt radio wave and controlling radio frequency transmit-receive signal integer and a digital beam former are provided to prevent channel interference and sustain optimum receipt state. CONSTITUTION: The adaptive beam forming method for adding against binary data of receipt radio wave and controlling radio frequency transmit-receive signal integer comprises: a step converting analog signal input from plural antennas(110a-110n) into digital signal; a step processing said receipt signals to generate initial adding value; a step operating sequential updated adding values generated in each sample period; a step comparing the initial adding value with the updated adding value, then correcting the adding value; and a step controlling amplifying units(120a-120n), band pass filtering units(130a-130n) and converting units(140a-140n) by the data formed by the new adding value.

Description

수신 전파의 이진 데이터에 대한 가중과 라디오주파수 송수신 신호 정수의 조정을 병행하는 적응 빔 성형 방법과 디지털 빔 성형기{method for shaping a beam and system for performming the same}Adaptive beam shaping method and digital beam shaping machine which combines weighting of binary data of received radio waves and adjustment of radio frequency transmission / reception signal constants {method for shaping a beam and system for performming the same}

본 발명은 수신 전파의 이진 데이터에 대한 가중과 라디오주파수(RF) 송수신 신호 정수의 조정을 병행하는 적응 빔 성형 방법과 디지털 빔 성형기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an adaptive beamforming method and a digital beamformer that combines weighting of binary data of received radio waves and adjustment of radio frequency (RF) transmission and reception signal constants.

일반적으로, 1,2세대의 이동 통신 기지국에서는 기지국으로부터 통신 서비스가 유효한 일정 거리까지 전 방향적인 빔의 방사 패턴을 갖추기 위하여 3-섹터형의 철탑 구조와 다수의 방사소자들을 가지고 있지만, 전파의 전파 경로 상에 놓여있는 방해물들이나 악천후로 인하여 열악한 수신 상태를 보임은 물론, 이동체의 송신 주파수가 그 이동속도에 따라 주파수 천이를 유발하는 도플러 효과를 보여주게 된다.In general, the first and second generation mobile communication base stations have a three-sector steel tower structure and a plurality of radiating elements in order to have an omnidirectional beam radiation pattern up to a certain distance from which the communication service is available. In addition to poor reception due to obstacles or bad weather on the path, the Doppler effect of the transmission frequency of the moving body causes a frequency shift according to the moving speed.

이러한 현상은 휴대폰 사용자들로 하여금 1) 혼신, 2) 반향, 3) 잡음, 4) 무단 호 단절과 같은 서비스의 불량 상태를 경험하게 하고, 기지국의 시스템 성능에 악영향을 줌으로써 기지국의 효율을 떨어뜨리고 수명을 단축시키며, 음성 서비스를 비롯하여 멀티미디어 전송 서비스까지 포함하는 고품질의 서비스를 제공하기가 어렵다. 또한, 기지국 당 유효 방사 범위의 확대를 위하여 철탑에 고정되어 있는 안테나 소자를 하향으로 약간 기울임으로써 추가적인 공사가 따르게 됨과 동시에 적절한 빔의 범위와 방향성을 확보하기 위하여 방사 전계 강도의 측정이나 시스템 파라미터의 조정에도 추가적인 노력이 들어간다. 더군다나, CDMA 방식을 채용하고 있는 기지국에서는 단일 셀 내의 다수의 단말기들의 이동과 함께 Near-Far 효과에 의한 전력제어도 필요한 실정이고 별도의 간섭 제거기와 채널 등화기가 기지국의 복조과정에 사용되고 있다. 그러므로, 데이터나 멀티미디어 서비스등 고품질 서비스를 제공하고자 하는 차세대 이동 통신 기지국 시스템에서 필요로 하는 빔은 수신 환경의 열악한 링크 조건에 대항하여 항상 지향점과 일정 수준의 이득을 확보하기 위하여 디지털 빔 성형기를 필요로 하고 있다. 디지털 빔 성형기에 의하여 기지국 당 가입자 용량을 증대시키고, 통신의 품질을 향상시키며, 실효 방사 전력의 양을 증대시키고, 유효 빔 커버리지를 확대시키면서도 기지국당 비용은 크게 절감시킬 수 있다. 그런데, 데이터나 멀티미디어 전송 서비스까지 포함하는 고품질 서비스를 제공하고자 하는 차세대 이동 통신 기지국 시스템에서 사용되는 디지털 빔 성형기는 기존의 단일 시스템과는 달리 TDMA/CDMA 방식의 시스템이나 동기식/비동기식 시스템의 속성에 유연하고, 안테나 수의 증가나 감소에도 관계없이 확장성이 뛰어난 시스템의 구조를 갖으며, 시스템 버스를 채용하고 외부에 운영자의 서버까지 접속 가능한 시스템일 필요성이 있다.This phenomenon causes mobile phone users to experience poor service conditions such as 1) interference, 2) reflections, 3) noise, and 4) unauthorized disconnection, and decreases the efficiency of the base station by adversely affecting the system performance of the base station. Shortening the lifespan, it is difficult to provide high-quality services including voice services and multimedia transmission services. In addition, additional construction is required by slightly tilting the antenna element fixed to the tower in order to expand the effective radiation range per base station, and at the same time, measuring the radiated field strength or adjusting the system parameters to secure the proper beam range and direction. There is an additional effort. In addition, in the base station employing the CDMA method, the power control by the near-far effect is required along with the movement of a plurality of terminals in a single cell, and a separate interference canceller and a channel equalizer are used for the demodulation process of the base station. Therefore, the beam required by the next-generation mobile communication base station system to provide high quality services such as data and multimedia services always needs a digital beam former to secure a directing point and a certain level of gain against the poor link conditions of the receiving environment. Doing. Digital beam formers can significantly reduce the cost per base station while increasing subscriber capacity per base station, improving communication quality, increasing the amount of effective radiated power, and increasing effective beam coverage. However, unlike the conventional single system, the digital beam former is flexible in the properties of TDMA / CDMA system or synchronous / asynchronous system unlike the existing single system to provide high quality service including data or multimedia transmission service. In addition, there is a need for a system that has a highly scalable system structure regardless of the increase or decrease of the number of antennas, employs a system bus and can be connected to an operator's server externally.

본 발명은 상기와 같은 필요성을 충족시키기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은 차세대 이동 통신 기지국 시스템이 요구하는 무선 접속과 통신 품질을 충족하고 여러 가지 방식의 시스템 유형을 수용할 수 있으면서 다수의 위상 배열 안테나를 통하여 수신되는 신호들로부터 파악된 전파의 수신상태들을 가지고 불필요한 간섭 신호와 다중 경로 페이딩에 의한 다수의 크기가 불규칙한 반사 신호들을 제거함과 동시에 단말기들의 발신점에 대한 지향성 확보에 필요한 정보 추출과 빔 성형과 RF 파라미터의 조정 기능을 수행하는 디지털 빔 성형 방법을 제공하는 것이다.또한, 본 발명의 제 2 목적은 상기의 제 1 목적을 수행하는 시스템을 제공하는 것이다.The present invention has been invented to meet the above needs, and the first object of the present invention is to meet the wireless connection and communication quality required by the next generation mobile communication base station system and to accommodate various types of system types. Information necessary to secure directivity to the origin of the terminals while eliminating unnecessary interference signals and multiple irregularly reflected signals due to multipath fading with the received states of radio waves detected from signals received through the phased array antenna It is to provide a digital beam shaping method for performing extraction, beam shaping, and adjustment of RF parameters. A second object of the present invention is to provide a system for performing the first object.

도 1은 본 발명에 따른 디지털 빔 성형 시스템을 보여주기 위한 기능 구성도이다.1 is a functional block diagram for illustrating a digital beam forming system according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 디지털 빔 성형 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름선도이다.2 is a flow diagram for explaining the operation of the digital beam shaping system according to the present invention.

상기한 제 1 목적을 수행하기 위한 본 발명의 디지털 빔 성형방법은, 1) 다수의 안테나를 통하여 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계; 2) 처음 수신된 다수의 전파 신호들을 처리하여 초기 가중치를 생성하는 단계; 3) 초기 가중치 이후부터 다수의 안테나를 통하여 수신된 다수의 전파 신호들의 진폭 정수와 주파수 정수에 대하여 매 표본화 주기마다 산출되는 순시적인 실측값인 갱신 가중치를 연산하는 단계; 4) 갱신 가중치가 생성되면 초기가중치 및 갱신 가중치를 비교하여 갱신 가중치가 큰 경우에는 보정치를 감(-)해주고 갱신 가중치가 작은 경우에는 보정치를 가(+)해주는 가중치 보정을 수행하여 새로운 가중치를 생성하는 단계; 5) 생성된 새로운 가중치에 의하여 빔 성형한 데이터에 의하여 증폭부, 대역통과 여파부 및 변환부를 제어하여 채널간섭 방지 및 최적의 수신상태가 유지되도록 RF정수를 변환하는 단계를 포함한다. 또한, 상기한 제 2 목적을 수행하기 위한 본 발명의 디지털 빔 성형 시스템은, 1) 전자파를 송수신하는 안테나의 출력측에 각각 신호를 증폭하여 송수신하는 증폭부, 2) 송신 및 수신에 따라 적합한 신호대역을 통과시키기 위한 대역통과여파부 및 변환부 그리고, 3) 변환부에서 출력된 신호를 아날로그-디지탈 변환하기 위한 ADC부, 4) 디지털-아날로그변환하기 위한 DAC부로 구성되는 통신 시스템에 있어서, 신호 흐름을 따라 직렬형이나 병렬형의 신호 전달 구조를 갖추고 있으며, 5) 시스템을 구성하는 각 장치에 데이터를 전달하기 위한 시스템 버스; 상기 시스템 버스의 출력측에 접속되어 각 안테나에서 입력된 아날로그 신호가 상기 각 장치에서 디지털로 변환된 신호로 입력받아 다수의 신호들을 복조한 후, 진폭 오차와 주파수 오차들을 모아 순시 분포도를 만들고, 이어서 6) 빔 성형에 필요한 가중치 벡터를 생성하는 가중치 처리부; 7) 상기 가중치 처리부에서 출력된 가중치를 저장하고, 저장된 가중치와 후에 연속적으로 입력되는 데이터를 연산하여 RF 송수신 파라미터들의 조정에 필요한 데이터를 생성하는 빔 성형부; 8) 상기 빔 성형부에서 출력된 데이터를 시스템 버스를 통하여 전달받아 RF 송수신부를 구성하는 증폭부, 대역 통과 여파부 및 변환부의 동작을 제어하는 보정부; 그리고, 9) 시스템 버스의 출력측에 접속되어 시스템 버스의 동작 및 각 장치들의 상태를 점검하여 운영자 서버에 보고하고, 운영자의 조치를 따라 각 구성들의 동작을 제어하는 제어부로 구성된다.The digital beam shaping method of the present invention for performing the first object comprises the steps of: 1) converting an analog signal input through a plurality of antennas into a digital signal; 2) generating an initial weight by processing a plurality of initially received radio signals; 3) calculating update weights, which are instantaneous actual values calculated at every sampling period, for amplitude and frequency constants of the plurality of radio signals received through the plurality of antennas after the initial weights; 4) When the update weight is generated, compare the initial weight and the update weight, and create a new weight by performing weight correction to reduce the correction value (-) if the update weight is large and to add the correction value (+) if the update weight is small. Doing; 5) converting the RF constants to prevent channel interference and maintain an optimal reception state by controlling the amplifier, the bandpass filter, and the converter by the beam-formed data according to the generated new weights. In addition, the digital beam shaping system of the present invention for performing the second object, 1) an amplifying unit for amplifying and transmitting a signal on the output side of the antenna for transmitting and receiving electromagnetic waves, 2) a suitable signal band according to the transmission and reception 2. A communication system comprising: a band pass filter and a conversion unit for passing a signal; and 3) an ADC unit for analog-to-digital conversion of a signal output from the conversion unit, and 4) a DAC unit for digital-analog conversion. It has a serial or parallel signal transmission structure according to, 5) a system bus for transferring data to each device constituting the system; Connected to an output side of the system bus, an analog signal input from each antenna is input as a digitally converted signal from each device, and demodulated a plurality of signals, and then an amplitude distribution and a frequency error are collected to create an instantaneous distribution chart. A weight processor for generating a weight vector required for beam shaping; 7) a beam shaping unit for storing the weights outputted from the weight processing unit and calculating data for adjustment of RF transmission / reception parameters by calculating stored weights and data which are continuously inputted later; 8) a correction unit which controls the operation of an amplifier, a band pass filter, and a converter configured to receive the data output from the beam shaping unit through a system bus and constitute an RF transceiver; And 9) is connected to the output side of the system bus and checks the operation of the system bus and the status of each device to the operator server, and the control unit for controlling the operation of each component in accordance with the operator's action.

본 발명은 다수의 위상 배열 안테나를 통하여 수신되는 신호들로부터 파악된 전파의 수신상태들을 가지고 불필요한 간섭 신호와 다중 경로 페이딩에 의한 다수의 크기가 불규칙한 반사 신호들을 제거함과 동시에 단말기들의 발신점에 대한 지향성 확보에 필요한 정보 추출과 빔 성형과 조정 기능을 수행한다.The present invention has the reception states of radio waves from signals received through multiple phased array antennas, eliminates unnecessary interference signals and multiple irregularly reflected signals due to multipath fading, and at the same time, directs the origins of terminals. Performs information extraction, beam shaping and adjustment functions required for securing.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 첨부된 도면중 도 1은 본 발명에 따른 디지털 빔 성형 시스템을 보여주기 위한 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 디지털 빔 성형 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a block diagram illustrating a digital beam forming system according to the present invention, and FIG. 2 is a flowchart illustrating the operation of the digital beam forming system according to the present invention.

본 발명에 따른 디지털 빔 성형 시스템은 도 1에서 보는 바와 같이, 이동 통신 기지국에 λ/2의 간격으로 전체 모양이 선형이나 면형으로 배치되어 전자파를 송수신하는 안테나(110a-110n)의 출력측에 각각 증폭부(120a-120n)가 접속된다. 증폭부(120a-120n)는 안테나(110a-110n)로 송신되는 신호의 전력을 무선 접속 규격에 따라 증폭하는 고 출력 증폭기인 HPA부 및 안테나(110a-110n)에서 수신되는 신호의 전력 성분에서 잡음을 억압하면서 신호만 증폭하는 저잡음 증폭기인 LNA부로 이루어진다. 증폭부(120a-120n)의 출력측에는 안테나(110a-110n)를 통하여 출력되는 송신 신호 및 수신신호를 선택하여 출력시키기 위한 대역 통과 여파부(130a-130n)가 접속된다. 대역 통과 여파부(130a-130n)는 통신 채널 규격에 적합한 수신 신호 성분들만 통과시키는 대역 통과 여파기인 BPF(band pass filter) 및 통신 채널 규격에 적합한 송신 신호 대역외 발생한 성분들을 제거하는 대역 제거 여파기인 BRF(band rejection filter)로 이루어 진다. 대역 통과 여파부(130a-130n)의 출력측에는 송신 및 수신신호에 따라 주파수 대역을 변환하는 변환부(140a-140n)가 접속된다. 변환부(140a-140n)는 70MHz의 중간 주파수 송신 신호를 차세대 이동 통신 주파수 대역 신호로 상위 방향으로 체배하는 주파수 상향 변환기인 UPC 및 차세대 이동 통신 주파수 대역내 수신 신호를 70MHz의 하위 방향으로 체감하는 주파수 하향 변환기인 DNC로 이루어진다.As shown in FIG. 1, the digital beamforming system according to the present invention is arranged in a linear or planar shape at intervals of λ / 2 in a mobile communication base station and amplified at the output sides of the antennas 110a to 110n for transmitting and receiving electromagnetic waves, respectively. The parts 120a-120n are connected. The amplifiers 120a-120n are noises in the power components of the HPA unit and the signals received from the antennas 110a-110n, which are high output amplifiers that amplify the power of signals transmitted to the antennas 110a-110n according to a wireless connection standard. It consists of an LNA unit, which is a low noise amplifier that amplifies only the signal while suppressing the signal. Band-pass filters 130a-130n for selecting and outputting transmission and reception signals output through the antennas 110a-110n are connected to the output sides of the amplifiers 120a-120n. The band pass filters 130a to 130n are band pass filters that pass only received signal components that conform to the communication channel specification, and a band pass filter that removes components generated out of the transmission signal band conforming to the communication channel specification. It consists of a band rejection filter (BRF). To the output side of the band pass filter 130a-130n, converters 140a-140n for converting frequency bands in accordance with transmission and reception signals are connected. The converters 140a to 140n sense UPC, which is a frequency upconverter that multiplies a 70 MHz intermediate frequency transmission signal to a next generation mobile communication frequency band signal, and a frequency for receiving a received signal in the next generation mobile communication frequency band in a lower direction of 70 MHz. DNC, which is a down converter.

변환부(140a-140n)의 출력측에는 주파수 하향 변환기로부터 입력받은 아날로그 신호를 적절히 이득 조절한 후, 디지털 신호로 변환하여 데이터의 입출력 경로인 시스템 버스(bus)(170)로 출력하는 ADC(160a-160n) 및 시스템 버스(bus)(170)로부터 출력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하고 I-Q 채널을 합성하여 주파수 상향 변환기로 출력하는 변환기인 DAC(150a-150n)로 이루어진다. 시스템 버스(170)의 출력측에는 각 안테나(110a-110n)에서 입력된 아날로그 신호가 증폭부, 대역통과 여파부 변환부 및 ADC를 통하여 디지털로 변환된 신호를 시스템버스(170)를 통하여 입력받아 다수의 신호들을 복조한 후, 디지털 빔 성형을 하는 첫 과정에서 판정되는 진폭 오차와 주파수 오차들을 모아 순시 분포도를 만들고, 이어서 빔 성형에 필요한 가중치 벡터를 생성하는 가중치 처리부(190) 및 가중치 처리부(190)에서 출력된 가중치를 저장하고, 저장된 가중치와 후에 연속적으로 입력되는 데이터를 연산하여 RF 송수신 파라미터들의 조정에 필요한 데이터를 생성하는 빔 성형부(180)가 접속된다. 그리고, 시스템 버스(170)에는 가중치 처리부(190)의 연산에 의하여 빔성형부(180)에서 출력된 데이터로 RF 송수신부를 구성하는 증폭부(120a-120n), 대역 통과 여파부(130a-130n) 및 변환부(140a-140n)의 동작을 제어하는 보정부(220)가 접속된다.On the output side of the converters 140a-140n, an analog signal received from the frequency down converter is appropriately gain-controlled, and then converted into a digital signal and outputted to the system bus 170, which is an input / output path of data, to the ADC 160a-. 160n) and DACs 150a-150n, which are converters for converting digital signals output from the system bus 170 to analog signals and synthesizing the IQ channels and outputting them to the frequency upconverter. On the output side of the system bus 170, a plurality of analog signals inputted from each antenna 110a-110n are digitally received through the system bus 170 through an amplifier, a band pass filter, and an ADC. After demodulating the signals of the signal, the weight processor 190 and the weight processor 190 for generating an instantaneous distribution map by collecting the amplitude and frequency errors determined in the first process of digital beam shaping, and then generating a weight vector for beam shaping. The beam shaping unit 180 is connected to store the weights outputted from and to generate the data necessary for adjusting the RF transmission / reception parameters by calculating the stored weights and the data continuously input later. In addition, the system bus 170 includes amplifiers 120a-120n and band pass filter 130a-120n constituting an RF transceiver with data output from the beamforming unit 180 by the calculation of the weight processor 190. And a correction unit 220 for controlling the operations of the conversion units 140a-140n.

시스템 버스(170)의 출력측에는 시스템 버스(170)를 관장하면서 각 구성 보드들의 상태를 점검하여 운영자 서버(210)에 보고하고, 운영자의 조치를 따라 각 구성들의 동작을 제어하는 제어부(200)가 접속된다.On the output side of the system bus 170, the control unit 200 that manages the system bus 170, checks the status of each component board, reports it to the operator server 210, and controls the operation of each component according to the operator's action. Connected.

여기서, 시스템 버스(170)는 신호 흐름을 따라 직렬형이나 병렬형의 신호 전달 구조를 갖추고 있고 디지털 빔 성형 시스템을 구성하는 각 장치에 데이터를 전달한다. 이와 같은 구성을 지닌 본 발명에 따른 디지털 빔 성형장치의 상세한 동작을 첨부된 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.Here, the system bus 170 has a serial or parallel signal transmission structure along the signal flow, and transmits data to each device constituting the digital beam shaping system. The detailed operation of the digital beam forming apparatus according to the present invention having such a configuration will be described with reference to FIG. 2.

본 발명에 따른 디지털 빔 성형 시스템은 기존의 1, 2세대 이동 통신 서비스의 주류인 음성 전화외에도 데이터 전송 서비스와 멀티미디어 전송 서비스까지 다수의 단말기들에게 제공하는 차세대 이동 통신(IMT-2000) 기지국에 적합하도록 설계된다. 먼저, 도 1을 참조하여 단일 안테나가 아닌 다수의 방사 소자들을 반파장(λ/2)의 간격으로 배열함으로써 원거리의 전파 방사원에 대하여 일정한 위상차를 보유하도록 한 위상배열안테나(110a-110n)로부터 입력된 아날로그 신호는 증폭부(120a-120n)의 LNA부에서 전력 성분에서 잡음을 억압하면서 신호만 증폭하여 대역통과 여파부(130a-130n)에 입력된다. 대역통과 여파부(130a-130n)의 BPF부에서는 통신 채널 규격에 적합한 수신 신호 성분들만 통과시켜 변환부(140a-140n)에 입력시킨다. 변환부(140a-140n)의 DNC에서는 이동 통신 주파수 대역내 수신 신호를 70MHz의 하위 방향으로 체감하여 ADC(160a-160n)로 입력하고, ADC(160a-160n)를 통하여 디지털로 변환된 신호는 시스템 버스(170)에 출력된다. 또한, 시스템 버스(170)에서 출력되는 디지털 신호는 DAC(150a-150n)에서 아날로그 신호로 변환된 뒤 변환부(140a-140n)의 UPC에서 70MHz의 중간 주파수 송신 신호를 이동 통신 주파수 대역 신호로 상위 방향으로 체배하여 대역 통과 여파부(130a-130n)의 BRF에서 통신 채널 규격에 적합한 송신 신호 대역외 발생한 성분들을 제거하고 증폭부(120a-120n)로 입력된다. 증폭부(120a-120n)의 HPA부에서는 안테나(110a-110n)로 송신되는 신호의 전력을 무선접속규격에 따라 증폭하여 출력한다.The digital beamforming system according to the present invention is suitable for a next generation mobile communication (IMT-2000) base station that provides a plurality of terminals to data transmission service and multimedia transmission service in addition to voice telephone which is the mainstream of the existing first and second generation mobile communication service. It is designed to. First, referring to FIG. 1, a plurality of radiating elements, not single antennas, are arranged at intervals of half wavelength (λ / 2) to input from phased array antennas 110a-110n so as to maintain a constant phase difference with respect to a remote radioactive radiation source. The analog signal is amplified only by the LNA section of the amplifier 120a-120n while suppressing noise in the power component and is input to the band pass filter 130a-130n. The BPF section of the band pass filtering section 130a-130n passes only the received signal components conforming to the communication channel standard and inputs them to the converting section 140a-140n. The DNC of the converting units 140a to 140n senses the received signal in the mobile communication frequency band in a lower direction of 70 MHz and inputs it to the ADCs 160a to 160n, and the digitally converted signal through the ADCs 160a to 160n is a system. It is output to the bus 170. In addition, the digital signal output from the system bus 170 is converted into an analog signal in the DAC (150a-150n), and the intermediate frequency transmission signal of 70MHz in the UPC of the converter (140a-140n) as a mobile communication frequency band signal In order to multiply in the direction, components generated out of the transmission signal band conforming to the communication channel specification are removed from the BRFs of the band pass filter units 130a to 130n and input to the amplifiers 120a to 120n. The HPA section of the amplifying section 120a-120n amplifies and outputs the power of the signal transmitted to the antennas 110a-110n according to the wireless connection standard.

위와 같이 신호가 전달되는 이동 통신 기지국에서, 본 발명에 따른 디지털 빔 성형시스템은 간섭신호의 도래 방향이나 다중 경로 페이딩 신호의 도래 방향에 대하여 0점(Null of Beam)을 부가함으로써 안테나(110a-110n)로부터 방사되는 빔의 모양을 성형하게 된다.In the mobile communication base station to which the signal is transmitted as described above, the digital beamforming system according to the present invention adds a zero of a beam to the direction of the interference signal or the direction of the multipath fading signal. To shape the beam emitted from

다시 도 2를 참조하면, 상기에서 기술한 과정을 통하여 위상 배열 안테나(110a-110n)를 통하여 수신된 아날로그 신호는 디지털 신호로 변환된다(단계 S101-S102) 시스템 버스(170)를 통하여 안테나(110a-110n)를 통하여 수신된 디지털 신호를 입력받은 가중치 처리부(190)는 시스템에 전원이 인가된 후, 처음 수신된 다수의 전파 신호들을 처리하여 초기 가중치를 생성한다.(단계 S103) 즉, 초기 가중치는 처음 수신된 다수의 전파신호들의 상태로서 첫 번째 표본화 시점에서 진폭 정수와 주파수 정수에 대하여 각각 상향식 자승 평균 알고리즘의 처리과정을 통하여 산출되는 가중치로, 후에 입력되는 순시적 변동치들의 분포도를 판별하고 가중치를 갱신하는 기준값이 된다.Referring back to FIG. 2, the analog signals received through the phased array antennas 110a-110n through the above-described process are converted into digital signals (steps S101-S102) through the system bus 170. After the power is applied to the system, the weight processing unit 190 receiving the digital signal received through -110n generates the initial weight by processing the plurality of radio signals received for the first time (step S103). Is the state of the first received radio wave signal, and is the weight calculated through the process of bottom-up squared average algorithm for amplitude and frequency constants at the first sampling point. It becomes the reference value for updating.

초기가중치를 생성하고 난 다음 가중치 처리부(190)는 초기 가중치 이후부터 각각의 안테나(110a-110n)를 통하여 수신된 다수의 전파 신호들의 상태 변화에 대한 판정 값으로서 진폭 정수와 주파수 정수에 대하여 매 표본화 주기마다 상향식 자승 평균 알고리즘의 처리과정을 통하여 결과로서 산출되는 순시적인 실측값인 갱신 가중치를 연산하게 된다(단계 S104).After generating the initial weights, the weight processing unit 190 samples each amplitude and frequency constant as a determination value for the state change of the plurality of radio signals received through the respective antennas 110a-110n after the initial weight. For each period, an update weight which is an instantaneous measured value calculated as a result is calculated through a process of a bottom-up squared average algorithm (step S104).

갱신 가중치가 연산되면 아날로그-디지털 변환 과정에 존재하는 매 표본화 간격마다 이전 가중치와 현재 가중치를 비교하여 가중치 벡터의 진폭 오차와 주파수 오차의 크기를 +,0,-로 연산한 다음, 가로축을 각 안테나 소자로 세로축을 순시 가중치로 지정하여 구축하게 된다. 즉, 가중치 처리부(190)은 n개의 입력 버퍼로부터 매 주기마다 신호 값을 읽은 후, 평균값을 구하고, 다시 그 평균값을 중심으로 각 안테나(110a-110n)를 통하여 수신된 신호들의 순시 오차(평균값-실측값)를 구한 다음, 오차가 0인 실측값의 채널에는 평균 가중치 0.5를 할당하고, 가장 큰 -오차에는 최대 가중치 1을 할당하며, 가장 큰 +오차에는 최소 가중치 0을 할당하고, 나머지는 그 오차들을 정규화하여 산출된 값의 1/10을 가중치로 할당하는 방식으로 갱신 가중치 벡터를 생성하게 된다.When the update weight is calculated, the amplitude and frequency error of the weight vector are calculated as +, 0,-in each sampling interval in the analog-to-digital conversion process. The device is constructed by designating the vertical axis as the instantaneous weight. That is, the weight processor 190 reads signal values every cycle from n input buffers, obtains an average value, and then instantaneous errors (average values −) of signals received through the antennas 110a-110n based on the average values. And then assign an average weight of 0.5 to the channel of the error with zero error, assign a maximum weight of 1 to the largest-error, and assign a minimum weight of 0 to the largest + error. The update weight vector is generated by assigning weights to 1/10 of the calculated value by normalizing the errors.

가중치 처리부(190)에서는 갱신 가중치가 생성되면 초기가중치 및 갱신 가중치를 비교하여(단계 S105) 갱신 가중치가 큰 경우에는 보정치를 감(-)해주고 갱신 가중치가 작은 경우에는 보정치를 가(+)해주는 가중치 보정을 수행한다(단계 S106-S107) 즉, 가중치 처리부(190)은 각 채널에 대하여 생성된 가중치 벡터를 열(Row) 방향으로는 1워드의 데이터를 부여하고 행(Column) 방향으로는 고유한 순번을 부여하여 버퍼에 저장함으로써 하나의 저장 단위인 가중치 페이지를 생성한다. 생성된 가중치 페이지의 대표 값들을 10회 단위로 모아 재 평균을 계산할 때마다, 갱신 가중치값이 초기 가중치값보다 크면 (+) 부호를 부여하고, 적으면 (-)부호를 부여하여 생성되는 가중치에 1/100의 보정치를 갱신 가중치가 큰 경우에는 감(-)해주고 갱신 가중치가 작은 경우에는 가(+)해주는 동작을 수행하여 새로운 가중치를 생성한다.(단계 S108)When the update weight is generated, the weight processor 190 compares the initial weight and the update weight (step S105), and if the update weight is large, decreases the correction value (-) and adds the correction value (+) if the update weight is small. Correction is performed (steps S106 to S107), that is, the weight processing unit 190 gives data of one word in the row direction to the weight vector generated for each channel and is unique in the column direction. By assigning the sequence numbers and storing them in the buffer, a weighted page, which is one storage unit, is generated. Whenever the average value of the generated weighting page is collected in units of 10 times and the re-average is calculated, if the update weight value is greater than the initial weight value, a (+) sign is given and if it is less, a (-) sign is assigned to the weight generated. When the update weight is large, the correction value of 1/100 is reduced (-), and when the update weight is small, the operation is performed to generate a new weight (step S108).

가중치 처리부(190)의 처리결과 세로운 가중치가 생성되면 빔 성형부(180)는 가중치처리부(190)에서 처리된 가중치에 따라 안테나(110a-110n)로부터 방사되는 빔의 모양을 보정하는 데이터를 시스템 버퍼(170)를 통하여 보정부(220)에 출력하여 빔을 성형하는 동작을 수행하게 된다.(단계 S109-S130) 즉, 빔 성형부(180)는 가중치처리부(190)에서 디지털 변환된 신호들 중에서 신호 대역 내의 주파수 오차가 0인 신호들에 대해서 메모리 내의 안테나 수 n개만큼의 버퍼에 저장한 다음, 각 버퍼로부터 동시에 데이터를 인출하고, 그 인출된 데이터를 n개의 디지털 신호 처리기에 의하여 동시에 가중치 연산을 수행하여 출력된 가중치와 안테나(110a-110n)을 통하여 입력되는 데이터를 승산과 가산의 연속적인 연산 과정을 통하여 빔 성형을 위한 데이터를 시스템 버퍼(170)에 출력한다. 그리고, 빔 성형부(180)에서 시스템 버퍼(170)에 출력된 데이터에 의하여 보정부(220)는 증폭부(120a-120n), 대역통과 여파부(130a-130n) 및 변환부(140a-140n)를 제어하여 RF정수를 변환하게 된다. 즉, 빔 성형부(180)는 n개 안테나의 입력신호를 분석하여 기지국이 사용하는 셀 주파수에 대하여 인접하는 셀의 주파수나 전혀 다른 주파수의 이미지 성분들이 신호대역에 출현하는 스펙트럼을 추출한 다음, 그 스펙트럼이 10%를 초과한 값으로 검출된 채널에는 특별 가중치 0을 부여하도록 가중치 처리부(190)에 데이터를 출력하고, 보정부(220)에 신호를 출력하여 그 채널의 증폭부(120a-120n)의 RF정수를 조정하여 채널의 증폭부(120a-120n)에서 출력하는 송신 전력 증폭도를 1/10로 저감함으로써 채널 간섭을 일으키는 성분의 무선 접속이 이루어지지 못하도록 채널간섭을 방지하게 된다. 또한, 빔 성형부(180)에서 시스템 버퍼(170)에 출력된 데이터에 의하여 보정부(220)는 증폭부(120a-120n), 대역통과 여파부(130a-130n) 및 변환부(140a-140n)를 제어하여 송수신 전계 강도의 크기에 영향을 주는 송수신 증폭기의 증폭도와 이득을 각각 1/10의 단위로 올리거나 내리도록 정보를 생성하며, 변환부(140a-140n)와 대역 통과 여파부(130a-130n)의 반송 주파수와 신호 대역폭을 제어부(200)를 통하여 운용자 서버(210)에서 입력된 주파수 계획값에 따라 보정되도록 정보를 생성한다.When a new weight is generated as a result of the weight processing unit 190, the beam shaping unit 180 buffers data for correcting the shape of the beam radiated from the antennas 110a-110n according to the weight processed by the weight processing unit 190. An operation of shaping the beam is performed by outputting the correction to the correction unit 220 through 170. (S109-S130) In other words, the beam shaping unit 180 may perform the digital transformation of the signals converted by the weight processing unit 190. For signals with zero frequency error in the signal band, the number of antennas in the memory is stored in n buffers, and data is simultaneously extracted from each buffer, and the extracted data are simultaneously weighted by n digital signal processors. The data for beam shaping is output to the system buffer 170 through a continuous calculation process of multiplication and addition of the weighted value and data input through the antennas 110a-110n. The. In addition, the correction unit 220 may use the amplification unit 120a-120n, the band pass filter 130a-130n, and the conversion unit 140a-140n based on the data output from the beam shaping unit 180 to the system buffer 170. ) To convert RF constants. That is, the beam shaping unit 180 analyzes input signals of n antennas, extracts a spectrum in which image components of adjacent cells or completely different frequencies appear in the signal band with respect to the cell frequency used by the base station. Channels detected with a value exceeding 10% of the spectrum are outputted to the weight processor 190 so as to give a special weight of 0, and a signal is output to the corrector 220 to amplify parts 120a to 120n of the channel. By adjusting the RF constant, the transmission power amplification degree outputted from the amplification units 120a to 120n of the channel is reduced to 1/10 to prevent the channel interference so that the wireless connection of the component causing the channel interference cannot be made. In addition, the correction unit 220 according to the data output from the beam shaping unit 180 to the system buffer 170, the amplification unit (120a-120n), band pass filter (130a-130n) and the conversion unit (140a-140n) ) To generate information to increase or decrease the amplification and gain of the transmit / receive amplifier, which affects the magnitude of the transmit / receive electric field strength, in units of 1/10, respectively, and the converters 140a to 140n and the band pass filter 130a. The carrier frequency and the signal bandwidth of -130n) are generated to be corrected according to the frequency plan value input from the operator server 210 through the control unit 200.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 디지털 빔 성형 시스템은 기존의 제 1, 2세대 이동 통신 기지국을 가지고 약간의 시스템 변경만으로도 저 비용 하에서 구현될 수 있고, 위상 배열 안테나를 채용하는 신규의 제 3 세대 이동 통신 기지국의 경우에도 전파 환경의 악화에 구애받지 않고 항상 최적의 수신 상태를 유지하도록 구현됨으로써 복조 성능을 대폭적으로 향상시켜 기지국 당 가입자 용량을 증대시키고, 통신 품질을 개선하며, 실효 방사 전력의 양을 증대시키고, 유효 빔 커버리지를 확대시키면서도 기지국 당 비용은 크게 절감할 수 있는 효과들을 제공한다.As described above, the digital beamforming system according to the present invention can be implemented at low cost with a slight system change with existing first and second generation mobile communication base stations, and a new third generation mobile employing a phased array antenna. Even in the case of a communication base station, it is implemented to always maintain an optimal reception state regardless of the deterioration of the radio wave environment, thereby greatly improving demodulation performance, thereby increasing subscriber capacity per base station, improving communication quality, and improving the amount of effective radiated power. Increasing and extending effective beam coverage while providing significant cost savings per base station.

또한, 전 전자적으로 빔이 성형되면서 기지국의 RF 정수들이 조정됨으로서 시스템의 상태에 대한 감시와 제어까지 가능하게 되어 차세대 이동 통신 기지국 시스템의 신뢰성과 가용성를 함께 높일 수 있다. 이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.In addition, since the RF constants of the base station are adjusted as the beam is electronically formed, monitoring and control of the state of the system can be performed, thereby increasing the reliability and availability of the next generation mobile communication base station system. Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited thereto and may be improved or modified by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention.

Claims (7)

ⅰ) 다수의 안테나(110a-110n)를 통하여 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계;Iii) converting analog signals input through the plurality of antennas 110a-110n into digital signals; ⅱ) 상기 단계에서 처음 수신된 다수의 전파 신호들을 처리하여 초기 가중치를 생성하는 단계;Ii) processing the plurality of radio signals first received in the step to generate an initial weight; ⅲ) 초기 가중치 이후부터 상기 다수의 안테나(110a-110n)를 통하여 수신된 다수의 전파 신호들의 진폭 정수와 주파수 정수에 대하여 매 표본화 주기마다 산출되는 순시적인 실측값인 갱신 가중치를 연산하는 단계;Iii) calculating update weights, which are instantaneous actual values calculated at every sampling period, for amplitude and frequency constants of a plurality of radio signals received through the plurality of antennas 110a-110n after the initial weights; ⅳ) 상기 단계에서 갱신 가중치가 생성되면 초기가중치 및 갱신 가중치를 비교하여 갱신 가중치가 큰 경우에는 보정치를 감(-)해주고 갱신 가중치가 작은 경우에는 보정치를 가(+)해주는 가중치 보정을 수행하여 새로운 가중치를 생성하는 단계;갱신) When the update weight is generated in the above step, the initial weight and the update weight are compared, and if the update weight is large, the correction value is reduced (-), and if the update weight is small, the weight correction is performed to add the correction value (+). Generating a weight; ⅴ) 상기 단계에서 생성된 새로운 가중치에 의하여 빔 성형한 데이터에 의하여 증폭부(120a-120n), 대역통과 여파부(130a-130n) 및 변환부(140a-140n)를 제어하여 채널간섭 방지 및 최적의 수신상태가 유지되도록 RF정수를 변환하는 단계를 포함하는 수신 전파의 이진 데이터에 대한 가중과 RF송수신 신호 정수의 조정을 병행하는 적응 빔 성형 방법.Iii) Control the amplifiers 120a-120n, the band pass filters 130a-130n, and the converters 140a-140n according to the beam-formed data based on the new weights generated in the above step to prevent and optimize the channel interference. Converting the RF constant so that the reception constant of the received radio wave is weighted to the binary data of the received radio wave and adjusting the RF transmission / reception signal constant. 제 1 항에 있어서, 상기 ⅱ단계의 초기 가중치는 첫 번째 표본화 시점에서 진폭 정수와 주파수 정수에 대하여 각각 상향식 자승 평균 알고리즘의 처리과정을 통하여 산출되는 것을 특징으로 하는 수신 전파의 이진 데이터에 대한 가중과 RF송수신 신호 정수의 조정을 병행하는 적응 빔 성형 방법.2. The weighting of the binary data of the received radio wave according to claim 1, wherein the initial weights of step ii are calculated through a process of a bottom-up squared average algorithm for amplitude and frequency constants at the first sampling time. An adaptive beamforming method that adjusts the RF transmit / receive signal constants in parallel. 제 1 항에 있어서, 상기 ⅲ단계의 갱신 가중치는 상기 초기 가중치 이후부터 상기 안테나(110a-110n)를 통하여 수신된 다수의 전파 신호들의 진폭 정수와 주파수 정수에 대하여 매 표본화 주기마다 상향식 자승 평균 알고리즘의 처리과정을 통하여 산출되는 것을 특징으로 하는 수신 전파의 이진 데이터에 대한 가중과 RF송수신 신호 정수의 조정을 병행하는 적응 빔 성형 방법.2. The method of claim 1, wherein the update weight of step VII is a bottom-up squared average algorithm for each sampling period for amplitude and frequency constants of a plurality of radio signals received through the antennas 110a-110n after the initial weight. An adaptive beamforming method comprising the weighting of binary data of a received radio wave and an adjustment of an RF transmission / reception signal constant, which are calculated through a process. 제 1 항에 있어서, 상기 ⅳ단계는 각 채널에 대하여 생성된 가중치 벡터를 열방향으로는 1워드의 데이터를 부여하고 행방향으로는 고유한 순번을 부여하여 버퍼에 저장함으로써 하나의 저장 단위인 가중치 페이지를 생성하는 단계; 생성된 가중치 페이지의 대표값 들을 10회 단위로 모아 재 평균을 계산할 때마다, 갱신 가중치값이 초기 가중치 값보다 크면 (+)부호를 부여하고, 적으면 (-)부호를 부여하여 가중치를 생성하는 단계; 생성된 가중치에 1/100의 보정치를 갱신 가중치가 큰 경우에는 감(-)해주고 갱신 가중치가 작은 경우에는 가(+)해주는 동작을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신 전파의 이진 데이터에 대한 가중과 RF송수신 신호 정수의 조정을 병행하는 적응 빔 성형 방법.2. The weight saving method of claim 1, wherein the step V stores the weight vector generated for each channel in a buffer by assigning one word of data in a column direction and a unique order in a row direction. Generating a page; Whenever the average value of the generated weight page is collected in ten units and the re-average is calculated, the weight is generated by giving a positive sign if the update weight value is greater than the initial weight value and giving a negative sign if the update weight value is smaller than the initial weight value. step; Performing a step of subtracting a correction value of 1/100 to the generated weight if the update weight is large and adding it if the update weight is small. An adaptive beamforming method that adjusts the weighting and the RF transmission / reception signal constants. 제 1 항에 있어서, 상기 ⅴ단계의 채널 간섭 방지 동작은 다수의 안테나(110a-110n)의 입력신호를 분석하여 기지국이 사용하는 셀 주파수와 전혀 다른 주파수의 이미지 성분들이 신호대역에 출현하는 스펙트럼을 추출하는 단계; 상기 스펙트럼이 10%를 초과한 값으로 검출된 채널에는 특별 가중치 0를 부여하고, 그 채널의 증폭부에서 출력하는 송신 전력 증폭도를 1/10로 저감하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 빔 성형 방법.The method of claim 1, wherein the channel interference prevention operation of step VII analyzes the input signals of the plurality of antennas (110a-110n) to analyze the spectrum in which image components of a frequency completely different from the cell frequency used by the base station appear in the signal band. Extracting; And applying a special weight of 0 to the channel where the spectrum is detected with a value exceeding 10%, and reducing the transmit power amplification degree output from the amplifier of the channel to 1/10. Way. 제 1 항에 있어서, 상기 ⅴ단계의 RF 정수들의 조정은 빔 성형 데이터에 의하여 송수신 전계 강도의 크기에 영향을 주는 송수신 증폭기의 증폭도와 이득을 각각 1/10의 단위로 올리거나 내리도록 정보를 생성하며, 반송 주파수와 신호 대역폭을 입력된 주파수 계획값에 따라 보정되도록 하는 단계인 것을 특징으로 하는 디지털 빔 성형방법.2. The method of claim 1, wherein the adjustment of the RF constants in step VII generates information to increase or decrease the amplification and gain of the transmit / receive amplifiers in units of 1/10, respectively, which affect the magnitude of the transmit / receive electric field intensity by the beamforming data. And correcting the carrier frequency and the signal bandwidth according to the input frequency plan value. 전자파를 송수신하는 안테나(110a-110n)의 출력측에 각각 신호를 증폭하여 송수신하는 증폭부(120a-120n), 송신 및 수신에 따라 적합한 신호대역을 통과시키기 위한 대역통과여파부(130a-130n) 및 변환부(140a-140n), 그리고, 상기 변환부(140a-140n)에서 출력된 신호를 아날로그-디지탈변환하기 위한 ADC(160a-160n), 상기 변환부(140a-140n)로 디지털-아날로그변환하기 위한 DAC(150a-150n)로 구성되는 통신 시스템에 있어서,Amplifying units 120a-120n for amplifying and transmitting signals on the output side of the antennas 110a-110n for transmitting and receiving electromagnetic waves, band pass filtering units 130a-130n for passing a suitable signal band according to transmission and reception; Digital-to-Analog Conversion of the Converters 140a to 140n and the ADCs 160a to 160n and the Converters 140a to 140n for Analog-Digital Conversion of the Signals Output from the Converters 140a to 140n In the communication system consisting of a DAC (150a-150n) for, 신호 흐름을 따라 직렬형이나 병렬형의 신호 전달 구조를 갖추고 있으며, 시스템을 구성하는 각 장치에 데이터를 전달하기 위한 시스템 버스(170);A system bus 170 having a serial or parallel signal transmission structure along the signal flow, for transferring data to each device constituting the system; 상기 시스템 버스(170)의 출력측에 접속되어 각 안테나(110a-110n)에서 입력된 아날로그 신호가 상기 각 장치에서 디지털로 변환된 신호로 입력받아 다수의 신호들을 복조한 후, 진폭 오차와 주파수 오차들을 모아 순시 분포도를 만들고, 이어서 빔 성형에 필요한 가중치 벡터를 생성하는 가중치 처리부(190);It is connected to the output side of the system bus 170 and receives the analog signal input from each antenna (110a-110n) as a digitally converted signal from each device to demodulate a plurality of signals, and then amplitude amplitude and frequency errors A weight processing unit 190 which collects the instantaneous distribution and then generates a weight vector for beam shaping; 상기 가중치처리부(190)에서 출력된 가중치를 저장하고, 저장된 가중치와 후에 연속적으로 입력되는 데이터를 연산하여 RF 송수신 파라미터들의 조정에 필요한 데이터를 생성하는 빔 성형부(180);A beam shaping unit (180) for storing the weight outputted from the weight processing unit (190), and calculating data for adjustment of RF transmission / reception parameters by calculating stored weights and data which are subsequently input; 상기 빔 성형부(180)에서 출력된 데이터를 상기 시스템 버스(170)를 통하여 전달받아 RF 송수신부를 구성하는 상기 증폭부(120a-120n), 상기 대역 통과 여파부(130a-130n) 및 상기 변환부(140a-140n)의 동작을 제어하는 보정부(220); 그리고,The amplifiers 120a-120n, the band pass filter 130a-130n, and the converter configured to receive the data output from the beam shaping unit 180 through the system bus 170 to form an RF transceiver. A correction unit 220 for controlling the operations of the 140a to 140n; And, 상기 시스템 버스(170)의 출력측에 접속되어 상기 시스템 버스(170)의 동작 및 상기 각 장치들의 상태를 점검하여 운영자 서버(210)에 보고하고, 운영자의 조치를 따라 각 구성들의 동작을 제어하는 제어부(200)로 구성되는 것을 특징으로 하는 수신 전파의 이진 데이터에 대한 가중과 RF송수신 신호 정수의 조정을 병행하는 디지털 빔 성형 장치.A control unit connected to an output side of the system bus 170 to check the operation of the system bus 170 and the status of each device to report to the operator server 210, and to control the operation of each component in accordance with the operator's action And a digital beam shaping device configured to simultaneously adjust the weighting of the binary data of the received radio wave and the adjustment of the RF transmission / reception signal constant.
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