KR20000069861A - 광역 널을 갖는 안테나 빔 패턴 - Google Patents

광역 널을 갖는 안테나 빔 패턴 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라, 통신 시스템에서 간섭을 완화시키고, 주파수 재사용 인자를 증가시키기 위해 트랜시버 서브시스템(200, 도 2)에 사용하기 위한 인핸스드 디지털 빔형성기(EDBF)(210, 도 2)가 제공된다. EDBF는 적어도 하나의 조정 가능한 안테나 빔 패턴에서 광역 널(520, 도 5)을 생성하기 위해 사용된다. 비소망의 신호로 광역 널을 지향시킴으로써, EDBF는 통신 시스템에서 안테나 빔 패턴의 보다 효율적인 처리를 제공한다. EDBF는 정지 위성, 비정지 위성 및 지상 통신 장치에 사용된다. EDBF는 현존하는 변조 기술과 호환성을 유지하면서, 현재 및 장래 통신 시스템의 용량을 현저히 개선시키기 위해 독특한 알고리즘, 특수 처리기 및 어레이 안테나를 조합시킨다.

Description

광역 널을 갖는 안테나 빔 패턴{Antenna Beam Patterns Having Wide Nulls}
종래의 다중-빔 인공 위성 또는 지상 통신 시스템의 용량은 그의 주파수-재사용 또는 코드-재사용 가능 출력에 의해 종종 제한된다. 이러한 시스템에서, 주파수 도메인 채널화의 레벨 또는 동시 빔들의 수집에 의한 코드 할당은 빔들 간의 각 분리에 의해 규정된다. 각 분리는 빔 패턴 사이드로브를 통해 동시-채널 간섭을 감소시킬 필요가 있다. 독특한 주파수 채널 및 빔들에 의한 코드 할당의 수는 주파수 또는 코드-재사용 인자로서 공지되어 있다.
예를 들면, 인공위성 통신 시스템은 동일한 채널 빔들 사이에서 각 분리를 실현하기 위해 12-채널 또는 12-코드 재사용 방법을 사용할 수 있다. 이는 충분한 채널 배제를 보증하도록 행해진다. 이러한 재사용 레벨은 12-셀 재사용 구성을 통해 수행된다. 결과적으로, 12-빔 구성에서 각각의 빔은 가능 용량의 1/12를 전달할 수 있다. 더 큰 시스템 용량을 달성하거나 또는 12개보다 훨씬 더 적은 재사용 인자를 실현하는 것은 사용자들의 경합에 의해 생성된 간섭이 상당히 높기 때문에 종래 시스템에서 곤란하다.
인공 위성 통신 시스템은 다중 안테나 빔을 통해 다수의 사용자와 통신하도록 위상 조정 어레이 안테나를 사용하고 있다. 전형적으로, 효율적인 대역폭 변조 기술은 다중 액세스 기술과 조합되고, 주파수 분리 방법은 사용자의 수를 증가시키기 위해 사용된다. 전자 환경은 점점 더 치밀해지고 있고, 무선 통신 시스템을 위해 보다 큰 정교화가 필요하다. 예를 들면, 제한된 주파수 범위에 대해 경합하는 모든 사용자들에 의해, 여러 가지 시스템 간의 간섭의 완화는 여러 시스템에 대한 스펙트럼의 할당에 대한 키이다.
빔 스티어링 및 널화 시스템은 대부분 통신 및 레이더 오퍼레이션을 위해 군대에서 개발하여 왔다. 그러나, 이러한 시스템은 적은 수의 빔 및 제한된 수의 협대역 널 만을 가질 수 있다. 이들 제한 중 한가지 이유는 근원적인 신호 처리의 엄청나게 비싼 컴퓨터 단가이다.
통신 시스템에서 주파수 재사용 인자를 증가시키는 방법 및 장치를 필요로 한다. 또한, 통신 시스템에서 안테나 빔 패턴의 보다 효율적인 처리를 제공하는 방법 및 장치를 현저히 필요로 한다. 또한, 이러한 필요성은 비정지 위성 및 정지 위성을 포함하는 위성 통신 시스템에 대해 특히 중요하다.
본 발명은 일반적으로 위상 조정 어레이 안테나(phased array antenna)에 관한 것이며, 보다 상세하게는 디지털 빔 형성을 사용하는 광역 널 안테나 패턴(wide null antenna patterns)을 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 방법 및 장치가 실시될 수 있는 위성 통신 시스템의 단순화된 블록도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인핸스드 디지털 빔형성기를 포함하는 트랜시버 서브시스템의 단순화된 블록도.
도 3은 상이한 소자로부터 K 전 방향 안테나 소자 및 J 입사 평면파의 선형 어레이를 예시하는 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인핸스드 디지털 빔 형성(EDBF) 공정의 흐름도.
도 5는 EDBF 기술을 사용하여 생산된 빔 및 널의 클러스터(대역 널)의 광각 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 빔 패턴에서 널 근처 영역의 보다 상세한 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수신기에서 EDBF 기술을 사용하는 공정의 흐름도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 송신기에서 EDBF 기술을 사용하는 공정의 흐름도.
본 발명의 목적은 통신 시스템에서 주파수 및 코드 재사용 인자를 증가시키는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 방법 및 장치는 통신 시스템에서 안테나 빔 패턴의 보다 효율적인 처리를 제공한다. 또한, 본 발명의 방법 및 장치는 위성 통신 시스템에서 비정지 위성과 사용하기에 특히 중요하다. 본 발명은 현존하는 변조 기술과 호환성을 유지하면서 현재 및 장래 통신 시스템의 용량을 현저히 개선시키기 위해 디지털 신호 처리기(DSP)에 기초한 시스템과 인핸스드 디지털 빔 형성(enhanced digital beamforming) 알고리즘을 조합시킨다. 본 발명에서 표준 디지털 빔 형성 기술은 무엇보다도 신호 널을 널의 클러스터로 대체함으로써 증진된다.
본 발명의 보다 완전한 이해는 도면과 관련시켜 생각할 때 상세한 설명 및 특허 청구의 범위를 참조하여 이루어질 수 있으며, 동일한 참조 번호는 도면 전반에 걸쳐 유사한 항목을 의미한다.
도 1은 본 발명의 방법 및 장치가 실시될 수 있는 위성 통신 시스템의 단순화된 블록도를 보여준다. 도 1은 전형적인 스펙트럼 공유 시나리오에서 디지털 빔형성기를 갖는 3개의 인공 위성(110, 120 및 130)을 예시한다. 예시된 바와 같이, 인공 위성(110, 120 및 130)과 지상 기지 통신 장치(115, 125 및 135) 사이에는 여러 가지 통신 경로가 존재한다. 소망의 신호 경로(117)로 나타낸 바와 같이, 인공 위성(110)과 지상 기지 통신 장치(115) 사이에는 링크가 개설된다. 소망의 신호 경로(127)는 인공 위성(120)과 지상 기지 통신 장치(125) 사이에 존재한다. 또한, 다른 소망의 신호 경로(137)는 인공 위성(130)과 지상 기지 통신 장치(135) 사이에 존재한다.
인공 위성(110, 120 및 130)은 정지 궤도 또는 비정지 궤도에 상주할 수 있다. 정지 궤도에서, 인공 위성은 지구 표면 상에 주어진 임의의 지점에 상대적으로 정지한 채 머무른다. 비정지 궤도에서, 인공 위성은 지구 표면 상에 주어진 임의의 지점에 상대적으로 고속으로 이동할 수 있다. 비정지 궤도에서, 인공 위성 위성은 정지 궤도에서 인공 위성에 비해 고속으로 이동할 수 있다. 이는 이들 인공 위성이 정지 위성 및(또는) 지구 표면 상의 일 지점에 관하여 여러 번 시야에 들어올 수 있음을 의미한다. 지상 기지 통신 장치(115, 125 및 135)는 지구 표면에 근접하게 위치한다.
2개 이상의 통신 경로가 주파수 범위의 공통 세그먼트를 점유할 때, 이들 경로 내에서 2개 이상의 통신 채널 간의 간섭이 발생할 수 있다. 간섭 경로는 대부분의 통신 시스템의 문제이다. 비소망의 신호 경로(140)는 인공 위성(110, 120 및 130)과 지상 기지 통신 장치(115, 125 및 135) 사이에 존재한다. 또한, 비소망의 신호 경로(150)는 인공 위성(110, 120 및 130) 사이에 존재하고, 비소망의 신호 경로(160)는 지상 기지 통신 장치(115, 125 및 135) 사이에 존재한다.
인공 위성(110, 120 및 130)은 인핸스드 디지털 빔형성기(EDBF)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 지상 기지 통신 장치(115, 125 및 135)는 인핸스드 디지털 빔형성기를 사용하는 것이 바람직하다. 인공 위성(110, 120 및 130) 및 지상 기지 통신 장치(115, 125 및 135)는 위성 통신 시스템(100)에서 노드로서 관찰될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예의 아래-논의하는 특징은 위성 통신 시스템(100)의 임의의 노드 또는 기타 무선 주파수(RF) 통신 시스템의 임의의 노드에서 실시될 수 있다.
지상 기지 통신 장치(115, 125 및 135)는 소망의 신호 경로(117, 127 및 137)로 나타낸 바의 소망의 신호 방향에 개설된 RF 통신 링크를 사용하여 통신 인공 위성(110, 120 및 130)과 통신한다. 지상 기지 통신 장치(115, 125 및 135)는 지상 기지 링크(도시되지 않음)를 사용하여 이 통신 장치(115, 125 및 135)와 같은 다른 지상 기지 통신 장치와 통신한다. 인공 위성(110, 120 및 130)은 크로스 링크(도시되지 않음)를 사용하여 인공 위성(110, 120 및 130)과 같은 다른 인공 위성과 통신한다.
수신 모드에서, 인핸스드 디지털 빔형성기의 수신기 부분은 바람직하게는 임의의 간섭 신호 송신기의 방향으로 안테나의 수신 패턴에서 광역 널을 제공하면서 특정 지상-기지 통신 장치(115, 125 및 135)에 그의 주요 통신 빔을 지정하기 위해 인공 위성의 안테나 빔을 구성한다. 따라서, 비소망의 신호 경로 상에 수신된 임의의 간섭은 현저하게 감소된다. 바람직하게는, 인공 위성의 수신기 안테나 패턴의 광역 널은 전진 지향적이며 그 인공 위성의 시야 내에서 전송된 모든 간섭 신호를 추적한다.
이를 달성하기 위해, 인핸스드 디지털 빔형성기에 대한 제어 매트릭스는 인공 위성 및(또는) 간섭 신호 송신기가 이동함에 따라 간섭 신호 송신기의 방향으로 널을 유지하도록 주기적으로 조정된다. 따라서, 수신 모드 광역 널은 연속적인 갱신 전략을 사용하지 않고 동적으로 제어된다. 광역 널은 연속적인 갱신 속도로부터 주기적인 갱신 속도로 갱신 속도를 늦춘다.
송신 모드에서, 인핸스드 디지털 빔형성기의 송신기 부분은 임의의 간섭 신호 수신기의 방향으로 전송된 안테나 패턴에 광역 널을 제공하면서 특정 지상 기지 통신 장치에 그의 주요 통신 빔을 바람직하게 지정하기 위해 인공 위성의 안테나 빔을 구성한다. 따라서, 비소망의 신호 경로 상의 간섭 신호 수신기에 의해 수신될 수 있는 임의의 신호 에너지는 현저하게 감소된다. 바람직하게는, 안테나의 전송 패턴에서 광역 널은 전진 지향적이며, 그 인공 위성의 시야에 속하는 모든 간섭 신호 수신기를 추적한다.
이를 달성하기 위해, 인핸스드 디지털 빔형성기에 대한 제어 매트릭스는 인공 위성 및(또는) 간섭 신호 송신기가 이동함에 따라 간섭 신호 수신기의 방향에 널을 실질적으로 유지하도록 주기적으로 조정된다. 또한, 송신 모드 광역 널은 연속적인 갱신 전략을 사용하지 않고 동적으로 제어된다. 송신 모드에 광역 널을 개설함으로써 연속적인 갱신 속도로부터 주기적인 갱신 속도로 갱신 속도를 늦춘다.
바람직한 실시예에서, 광역 널은 간섭 신호 송신기 또는 수신기 쪽으로 지향된 임의의 안테나 패턴에 놓인다. 전형적으로, 통신 채널은 시선(line-of sight) 경로가 2개의 노드 사이에 존재할 때만 RF 통신 시스템에서 2개의 노드 사이에 개설된다. 이동 노드에 대해, 시야가 개설된다. 통신 채널에 접지하기 위한 인공 위성의 경우에, 시야의 중심은 인공 위성이 머리 위에 있을 때 일반적으로 발생한다.
노드의 송신 및 수신 안테나 패턴에서 임의의 또는 모든 광역 널은 다른 노드들에 따라 턴 온 및 턴 오프될 것이다. RF 통신 장치(노드)의 수신 및 송신 안테나 패턴에서 광역 널의 위치는 2개 이상의 통신 시스템이 유효 범위를 보다 효율적으로 공유할 수 있게 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 송신 및 수신 널은 유사한 방향으로 놓인다
지상 기지 통신 장치(115, 125 및 135)에 사용될 때 인핸스드 디지털 빔형성기는 간섭 신호의 방향으로 광역 널을 지향하면서 소망의 인공 위성에 그의 주요 안테나 빔을 지정하기 위한 그의 송신 및 수신 안테나 빔 특성을 조정하는 것이 바람직하다. 도달 방향은 무엇보다도 지상-기지 통신 장치의 위치와 연관된 정보를 사용하여 측정될 수 있다.
인공 위성(110, 120 및 130)에 사용될 때 인핸스드 디지털 빔형성기는 다른 간섭하는 지상 기지 통신 장치의 방향으로 광역 널을 지향하면서 소망의 지상 기지 통신 장치에 그의 주요 안테나 빔을 지정하기 위한 그의 송신 및 수신 안테나 빔 특성을 조정하는 것이 바람직하다. 도달 방향은 무엇보다도 인공 위성의 위치와 연관된 정보를 사용하여 측정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인핸스드 디지털 빔형성기를 포함하는 트랜시버 서브시스템의 단순화된 블록도를 보여준다. 트랜시버 서브시스템(200)은 어레이 안테나(220), 복수개의 수신기 모듈(226), 복수개의 아날로그 디지털(A/D) 변환기(228), 복수개의 디지털 아날로그(D/A) 변환기(244), 복수개의 송신기 모듈(246), 데이터 프로세서(250) 및 인핸스드 디지털 빔형성기(210)를 포함한다. 인핸스드 디지털 빔형성기(210)는 수신 디지털 빔형성(RDBF) 네트워크(232), 송신 디지털 빔형성(TDBF) 네트워크(240), 및 제어기(242)를 포함한다.
인핸스드 디지털 빔형성기(210)는 소망의 특성을 갖는 안테나 빔 패턴을 형성하는 데 필요한 빔 스티어링 및 제어 기능을 구현한다. RDBF 네트워크(232)로부터 디지털 데이터는 데이터 처리기(250)로 전송된다. TDBF 네트워크(240)는 데이터 처리기로부터 디지털 데이터를 얻는다. 디지털 데이터는 제어를 위한 데이터 뿐만 아니라 전송을 위한 데이터를 포함한다.
어레이 안테나(220)는 선형 2차원 어레이로 바람직하게 배열된 소자(222)를 포함하지만, 다른 배열 구조가 적절할 수 있다. 수신된 무선 주파수(RF) 신호는 소자 레벨에서 검출되고 디지털화된다.
수신된 신호에 반응하여, 수신기 모듈(226)은 아날로그 기저대 신호를 발생시킨다. 수신기 모듈(226)은 A/D 변환기(228)와 같은 정도의 파워 레벨까지 주파수 하향-변환, 필터링 및 증폭 기능을 수행한다. 아날로그 기저대 신호는 동위상(I) 및 직각 위상(Q) A/D 변환기를 사용하여 디지털 데이터로 변환된다. I 및 Q 성분들은 각각 복잡한 아날로그 신호 엔벨로프의 실제 부분 및 가상 부분을 나타낸다. 선형 2차원 어레이로 배열된 소자(222)와 수신기 모듈(226) 사이에 1 대 1 대응하는 것이 바람직하다.
A/D 변환기(228)는 디지털 I 및 Q 신호를 생성하기 위해 아날로그 기저대 신호를 단순화시키고 디지털화시킨다. 각각의 A/D 변환기는 그의 각각의 어레이 소자에 의해 생성된 처리 신호로 전용되는 것이 바람직하다. A/D 변환 후, 디지털 I 및 Q 신호는 RDBF 네트워크(232)에 의해 처리된다.
감소된 간섭 및 개선된 성능인 용량의 이득은 어레이 안테나와 함께 EDBF를 사용하는 것을 통해 달성될 수 있다. 전형적으로, 디지털 빔형성은 디지털 신호 처리를 통해 제어되는, 기저대에서 다중, 동시적, 독립적으로 제어되는 빔의 생성을 의미한다. 디지털 빔형성 구현은 상기 식별된 관련 발명 제5-8호의 동시 계류중인 미국 특허 출원에 기재되어 있다.
인핸스드 디지털 빔형성 용량에 따라, 통신 시스템은 전체 용량 및 서비스의 질을 최적화시키기 위해 소스에 빔을 할당하는 자원 할당 정책을 사용할 수 있다. 빔은 트래픽 밀도에 따라 변화하는 빔 폭 및 널 폭을 갖도록 디자인되었다. 주파수 할당 및 EDBF 기술은 공통 채널 간섭을 최소화시키기 위해 사용된다.
바람직한 실시예에서, 많은 제어 가능한 수신/송신 소자로 구성된 어레이 안테나는 인핸스드 디지털 빔형성 기술에 따라 사용된다. 어레이로부터 빔 패턴은 어레이를 가로지른 선형 위상 가중을 적용함으로써 스티어링될 수 있다. 배열의 패턴은 개개의 소자의 출력의 진폭 및 위상 가중에 의해 성형될 수 있다.
매트릭스 형태의 가중치는 제어기(242)에 의해 RDBF 네트워크(232)로 통과된다. 적절한 알고리즘을 사용함에 따라, RDBF 네트워크(232)는 각각의 방사 소자(222)에 대한 적절한 가중치를 결정한다. 이는 안테나 시스템의 전체적인 데이터 처리량에 비해 상대적으로 느린 속도로 행해질 수 있다. 제어기(242)는 시스템 동력학에 의존하는 속도로 아래 고찰하는 바의 공정 및 프로세스를 수행한다.
RDBF 네트워크(232)는 각각의 방사 소자(222)로부터 수신된 신호를 나타내는 디지털 I 및 Q 신호를 데이터 처리기(250)에 제공한다. 디지털 신호는 각각의 소자에 의해 수신된 신호에 대한 진폭 및 위상 정보를 나타내는 동위상(I) 및 직각 위상(Q) 정보를 포함한다. 데이터 처리기(250)는 다른 서브시스템에 의해 사용하기 위한 이러한 디지털 I 및 Q 데이터를 변환시킨다.
데이터 처리기(250)는 TDBF 네트워크(240) 및 제어기(242)에 디지털 데이터를 제공한다. 제어기(242)는 매트릭스 형태의 빔 가중치를 TDBF 네트워크(240)에 제공한다. 적절한 알고리즘을 사용함으로써, TDBF 네트워크(240)는 각각의 방사 소자(222)에 대한 적절한 가중치를 적절히 결정한다. 바람직하게는, 송신 빔 가중치는 어레이-안테나(220)의 각각의 송신 방사 소자(222)에 대응하도록 제공된다. 아래 고찰하는 바의 공정을 사용함으로써, 제어기(242)는 두 송신 및 수신 공정에 적절한 가중치를 적절히 결정한다.
D/A 변환기(244)는 TDBF 네트워크(240)의 각각의 방사 소자에 대한 디지털 출력 신호를 각각의 방사 소자(222)에 대한 대응하는 아날로그 신호로 변환시킨다. 송신기 모듈(246)은 방사 소자(222)에 의한 송신에 적절한 신호를 발생시킨다. 바람직하게는, 송신 모듈(246)은 주파수 상향-변환, 필터링 및 증폭 기능을 수행한다.
도 2에 나타낸 트랜시버 서브시스템(200)은 무엇보다도 빔 패턴을 적절히 조정하고, 간섭 데이터에 반응하여 광역 널을 생산하기 때문에 고정 빔 안테나를 갖는 종래 시스템에 비해 장점을 갖는다. 또한, 트랜시버 서브시스템(200)은 통신 서비스에 대한 요구에 반응하여 안테나 빔 패턴을 제공하고, 비소망의 RF 신호의 개선된 널화를 제공한다. 이러한 특징은 제어기(242) 및 데이터 프로세서(250)에 내장된 적절한 소프트웨어를 통해 구현된다.
데이터 처리기(250)는 1개 이상의 처리기를 사용하여 구현될 수 있다. 데이터 처리기(250)는 그의 명령으로서 작용하고, 데이터 처리기(250)에 의해 실행될 때 트랜시버 서브시스템(200)이 아래 고찰하는 공정을 수행하게 하는 데이터를 저장한다.
데이터 처리기(250)는 관리 및 제어 기능을 제공한다. 데이터 처리기(250)는 트랜시버 서브시스템(200) 간의 링크에 대한 타임 슬롯 할당 및 주파수 할당을 제공하기도 하는 것이 바람직하다.
제어기(242)는 1개 이상의 병렬 처리기를 사용하여 구현될 수도 있다. 제어기(242)는 그의 명령으로서 작용하고, 제어기(242)에 의해 실행될 때 인핸스드 디지털 빔형성기(210)가 아래 논의되는 공정을 수행하게 하는 데이터를 저장하기도 한다. 제어기(242)는 디지털 신호 처리기를 사용하여 구현될 수도 있다. 제어기(242)는 디지털 신호 처리기를 사용하여 구현될 수도 있다. 제어기(242)는 대수 변환기, 역 대수 변환기, 및 병렬 처리기를 포함할 수 있는 특수 처리기를 사용하여 구현될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 인핸스드 디지털 빔형성기(210)의 수는 트랜시버 서브시스템(200)에 사용된다. 트랜시버 서브시스템(200)은 통신 시스템(100)에서 적어도 하나의 하위 지구 궤도(LEO)에 가입된다(도 1). 그러나, 본 발명은 하위-지구, 중위-지구 도는 상위-지구 궤도의 인공 위성을 포함하는 시스템 또는 상이한 고도에 있는 인공 위성을 포함하는 시스템에 적용될 수 있다. 추가로, 임의의 경사각을 갖는 궤도에 적용될 수 있다. 당업계의 숙련자들은 많은 상이한 구조물들이 트랜시버 서브시스템(200) 및 인핸스드 디지털 빔형성기(210)에 사용될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다.
바람직한 실시예에서, 많은 인핸스드 디지털 빔형성기(210)가 지상 기지 통신 장치에 사용될 수도 있다. 점점 더 많은 인공 위성들이 서비스에 주입되고 있고, 지상 기지 통신 장치는 점점 더 치밀해지는 간섭 환경에서 동작하도록 요구되어진다. 경우에 따라, 인공 위성은 동일한 통신 시스템의 일부이고, 경우에 따라, 인공 위성은 상이한 통신 시스템의 일부이다.
표준 디지털 빔형성은 협대역 널 때문에 사이드로브 구조의 그것 아래 빔들 사이에서 단리를 증가시키는 데 효과적이다. 전형적으로, 각각 형성된 빔은 간섭 빔의 규정된 보기 방향쪽으로 단일 널을 나타낼 수 있다. 그러나, 표준 디지털 빔형성은 특히 점착성 빔의 환경에서 포인팅 에러, 대역폭 및 궤도 동력학에 대한 그의 감도에 관하여 고려될 때 제한된다. 점착성 빔은 인공 위성이 머리 위로 이동하는 동안 지구 표면 상에 실질적으로 고정된 채 머무르는 종점을 갖는 빔이다. 할당된 빔 방향이 실제 빔 방향으로부터 벗어날 때, 예리한 널은 실제 방향과 일치하지 않는다. 이는 할당된 빔 방향이 빔들에 관하여 더 이상 집중되지 않기 때문에 발생한다. 결과적으로, 표준 디지털 빔형성은 한계 이익을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 표준 빔형성의 협대역 널의 제한된 효과는 광역 널을 생산하기 위한 기본 알고리즘을 향상시킴으로써 제거된다. 이들 광역 널은 경우에 따라 빔대역의 실질적인 분획이고, 이들 널은 기타 경우에 보다 넓어진다. 생성된 인핸스드 디지털 빔형성 기술은 빔 포인팅, 스캐닝 및 대역폭 관련 에러에 보다 잘 견딘다.
표준 DBF 용도에 사용되어 온 하나의 알고리즘은 최상의 선형 비편파적 추정기(BLUE)이다. 이러한 알고리즘은 소망의 신호 추정치에서 최소 편차를 달성하기 위한 어레이의 가중 계수를 조정한다. BLUE 알고리즘은 각각의 빔에 대한 모든 다른 사용자들의 방향으로 심층 널을 강제하므로, 포인팅 에러에 민감할 수 있다. EDBF 기술은 그의 효과를 증가시키기 위해 BLUE 알고리즘과 사용될 수 있다.
인핸스드 디지털 빔 형성 알고리즘은 선형 안테나 어레이를 위해 아래 공식화된다. 한벌의 소망의 보기 방향으로 주어진 바, 복잡한 값의 변형 매트릭스 T는 그의 행이 안테나 소자들 위로 가중되는 것으로부터 유도된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, T 매트릭스는 이들 사이에 공동 광역 널을 나타내면서 소망의 방향에 따라 빔을 생산하도록 최적화된다. 이러한 경우, 독특한 신호의 도달각(AOA)에 관한 정보가 이용될 수 있다.
빔 보기 방향은 시스템에 제공된 AOA의 추정치에 대응한다. AOA가 정확할 때, 임의의 제공된 빔은 그 자신의 소망의 신호를 주로 수신하는 한편, 모든 다른 신호들은 형성된 광역 널에 의해 최대로 널화된다. 그러나, AOA가 정확하지 않을 때, 대응하는 빔 및 널은 대체될 것이다. 결과적으로, 소망의 신호들은 적은 양의 신호 레벨을 손실한다.
도 3은 상이한 소스로부터 K 전-방향 안테나 소자 및 J 입사 평면파의 선형 어레이를 예시한다. 이들 소스는 어떤 경우에 수신기이고, 다른 경우에 송신기이다. 수신기 및 송신기는 소망의 신호 소스 및(또는) 비소망의 신호 소스일 수 있다. 간단히 예시하기 위해, 동작의 단일 주파수 f가 가정되고, 1/2 파장(λ/2)의 균일한 소자 간격이 존재한다.
x축을 x축을 따라 λ/2 유니트의 단위 간격으로 균일하게 위치하는 K 안테나 소자 위치(310)의 실제-값 벡터인 것으로 정의하자. 또한, s는 J 입사 평면파(320)의 복잡한 엔벨로프를 나타내고, φ는 대응하는 도달각(330)이라고 하자. 다시 말해, 하기 식을
각각 안테나 위치 벡터, 입사 신호 벡터 및 도달각 벡터를 정의하는 수학식의 세트라고 하자. 이어서, K 안테나 소자 상으로 수신된 신호 벡터는 하기 형태이다:
여기서, A는 그의 칼럼이 도달각에 대응하는 스티어링 벡터, φ의 성분이고, n이 제로-평균 부가 잡음 벡터인 K × J 복합-값 스티어링 매트릭스이다. 더 구체적으로는
여기서, aj는 j번째 스티어링 벡터이다. 이는 각 φj에서 입사되는 평면파 신호로 인해, K 안테나 소자 상의 위상 쉐이딩을 나타낸다.
디지털 빔 형성의 목적은 입사 신호 벡터 s의 최적 추정치를 생성하기 위해 수신된 신호 벡터상에서 동작할 수 있는 변형 매트릭스 T를 유도하는 것이다. 다시 말해, r이 주어지면, 적절한 최상 기준을 만족시키는 s의 추정치가 얻어져야 한다. 더 상세하게는 적절한 추정치는 매트릭스를 최소화시키는 s의 값이다.
수학식(4)의 구배를 아래와 같이 0으로 설정하여
바람직한 추정치를 생성한다:
여기서, J × K 변형 매트릭스는 아래와 같이 정의하여
입사 신호 벡터의 최적 추정치를 얻는다.
수학식(6)에서 추정치는 때때로 최상의 직선 비편향 추정치(Best Linear Unbiased Estimator(BLUE))라 칭해진다. 이러한 경우, 최상은 최적을 의미하고; 직선은 추정치가 수학식(8)에 나타낸 바의 선형 오퍼레이터를 포함하는 것을 나타내고, 비편향은 에러 매트릭스(4)가 잡음 공분산에 의해 표준화된다는 사실을 분명히 나타낸다.
안테나 소자와 연합된 잡음 벡터 성분이 독립적인 제로-평균, 및 등-편차 ()를 만족시키는 것으로 가정될 때, 잡음 공분산 매트릭스는 하기 식으로 되고
수학식(6)에 의해, 변형 매트릭스는 하기 식과 같이 단순화된다.
이는 추정치의 에러가 Tn인 것을 나타내는 하기 식을 유도한다.
이러한 추정 에러의 상대적인 크기는 추정치의 질과 분명히 연관된다. T의 행이 n과 상관되지 않는다는 가정과 같은 적절한 통계적 가정 하에, 추정된 신호는 하기 근사치로 제공되는 것을 알 수 있다.
현저하게는, 잡음의 부재 하에, 추정치는 실제 입사 신호 벡터 s와 동일하다. 수학식(2) 및 (8)에서, 이는 하기 식을 유도한다.
여기서, r은 수신된 신호 벡터의 잡음 없는 버전이다. 분명히, T는 수신된 신호 벡터 r로부터 입사 신호 벡터 s를 추출할 수 있는 필터로서 작용한다. 바람직하게는, T와r의 행의 각각의 스칼라 곱(dot product)은 다른 모든 것들을 완전히 여과하면서 대응하는 입사 신호를 추출한다. 이는 T의 J 행들이 그들 사이에 상호적인 널을 유지하면서, 대응하는 도달각 φ을 따라, 공간적 통과 대역 필터 또는 빔을 형성한다고 말하는 점에서 동일한 가치를 지닌다.
큰 안테나 어레이를 갖는 통신 위상 성의 인핸스드 디지털 빔 형성은 내장 디지털 신호 처리(DSP) 서브시스템으로부터 실질적인 컴퓨터 지원을 요한다. 궤도 동력학 및 신속-이동 또는 점착성 빔에 대한 수요는 컴퓨터 로드를 현저히 증가시킬 수 있다. 인공 위성이 그의 궤도에서 진행함에 따라, 지구 표면 상의 특정 지점에 빔을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 바람직하게는, 이는 소망의 신호 및 비소망의 신호와 연관된 각(방향)으로 적절한 진행성 위상 증분을 부가함으로써 수행될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 공동 광역 널은 원시 각 둘레로 집중된 각의 치밀한 클러스터에 의해 원시 도달각 φ을 대체함으로써 달성된다. 이는 다중의 치밀한 간격의 널을 강제하고, 원시 각 둘레의 효율적인 광각 거부를 얻는다. 바람직하게는, 클러스터는 3개의 도달각을 포함하고, 그중 2번째 것은 원시각들 중의 하나와 동일할 수 있다. 전형적으로, 스페이싱은 균일할 필요가 없지만, 연속적인 클러스터 각들 간의 각 분리는 어레이의 빔 폭의 작은 분획이다. 바람직하게는, 합리적인 도달각 세트로서 모든 클러스터 각들 세트를 사용함으로써, 광역 공동 널을 갖는 빔이 형성된다.
광역 널은 기본적인 클러스터링 시도에 대한 약간의 변형으로 달성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제1 원시 도달각 φ1은 모든 다른 원시 도달각과 연관된 클러스터를 도달각의 하나의 리스트 ψ와 조합시킨다. 이어서, 도달각의 증가된 리스트에 표준 DBF 기술을 적용하는 것은 클러스터가 존재하지 않기 때문에 원시 방향(φ1)으로 하나의 우수한 빔을 생산한다. 이는 인핸스드 디지털 빔형성(EDBF)으로서 공지되어 있다. 각각의 원시 도달각의 대해 이러한 공정을 조직적으로 반복함으로써 광역 공동 널을 갖는 필수 빔을 생산한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EDBF 공정의 흐름도를 예시한다. 공정(400)은 단계(402)에서 시작한다.
단계(404)에서, 도달각이 결정된다. 도달각은 아래와 같이 기재된다:
단계(406)에서, 널의 클러스터는 각각의 도달각에 대해 생성된다. 클러스터는 아래와 같이 기재된다:
단계(408)에서, 인핸스드 변환 매트릭스는 아래 나타낸 바와 같이 빈 리스트로 설정된다:
단계(410)에서, 계수 변수(N)가 1로 초기화된다. 단계(412)에서, 편평해진 리스트는 N(번째) 도달각 및 모든 다른 신호들로부터 각의 클러스터를 사용하여 생성된다. 다시 말해, 첫 번째 원시 도달각은 아래 나타낸 바와 같이 거의 각들의 제1 클러스터와 조합된다.
여기서, t =(J-1)(2I-1)-1
단계(414)에서, 스티어링 매트릭스는 아래 식을 사용하여 계산한다:
단계(416)에서, 표준 변형 매트릭스의 제1 행은 하기 식으로부터 계산된다:
단계(418)에서, 제1행은 인핸스드 변환 매트릭스(Te)에 첨부된다. 단계(420)에서, 계수 변수(N)는 1씩 증가된다.
단계(422)에서, 계산될 추가의 소망의 신호가 존재하는지 여부에 관한 문의가 수행된다. 모든 소망의 신호가 계산되었을 때, 공정(400)은 단계(430)로 분지되고, 종료된다. 다시 말해, φ={}인 경우, Te로 복귀하고 공정을 종료시킨다. 모든 소망의 신호가 계산되었을 때, 공정은 단계(424)로 분지된다.
단계(424)에서, 클러스터가 회전된다. 바람직하게는, 이는 φ의 제1 소자를 탈락시키고, x를 좌측으로 회전시키는 것을 의미한다. 단계(424) 후, 공정(400)은 단계(412)로 복귀하고 도 4에 나타낸 바와 같이 반복된다.
상기 나타낸 바와 같이, 인핸스드 변환 매트릭스(Te)는 빈 리스트로서 시작되고, φ에서 각각의 원시 도달각에 대한 일 시점에서 회귀적인 것으로 구성된다. 바람직하게는, 단계(412-424)를 통해 각각의 루프에 대해, 표준 DBF 매트릭스(Ts)의 제1 행은 Te에 부가되고, φ의 선도 소자는 탈락되며, 각 클러스터 리스트 ψ는 좌측으로 회전된다. 따라서, φ의 모든 소자가 사용되었을 때, 공정(400)은 인핸스드 변환 매트릭스로 복귀하고, 연산 공정은 종료한다.
도 5는 EDBF 기술을 사용하여 생산된 빔(510) 및 널(광역 널)(520)의 클러스터(대역 널)의 광각 도면을 나타낸다. 16-소자 선형 어레이 및 2개의 도달각에 대한 EDBF 및 표준 DBF를 사용한 연산이 수행되었다. 이 실시예에서, 소망의 빔(신호)(510)은 45도이고, 비소망의 신호는 135도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 빔 패턴에서 널 근처 영역의 세부도를 보여준다. 도 6에서, 4가지 정도의 세그먼트(도 5로부터)가 본 발명의 EDBF 기술을 사용하여 얻어진 광역 널(610)의 유효도를 추가로 예시하기 위해 도시된다. 협대역 널(620)은 비교를 위해 도시된다. 협대역 널(620)은 표준 DBF 기술을 사용한 결과이다. 도시된 바의 협대역 널(620)은 단일각에서만 효과적이다. 협대역 널(620)은 적은 분획의 정도에 미친다; 즉, 이는 단일 지점에서 -60데시빌 레벨을 달성한다. EDBF 기술로부터 초래되는 광역 널(610)은 여러 가지 정도의 폭이고; 즉, 이는 광범위에 걸쳐 -60데시빌 레벨을 달성한다. 광역 널(610)은 비소망의 신호에 의해 유발된 간섭을 최소화시키는데 매우 효과적으로 사용될 수 있다.
동일한 16-소자 어레이 예의 2개의 예비형성 빔이 0.5도로 주사되는 경우 추가의 산출이 수행되었다. 이러한 시뮬레이션 결과는 광역 널이 0.5도의 동일량만큼 빔을 추적하는 것을 나타낸다. 이들 결과는 인핸스드 디지털 빔형성이 종래의 스캔 가능한 빔의 그것에 비해 한계 성능을 제공하는 것을 보여준다.
디지털 빔형성은 아마도 통신 시스템의 작동 대역폭의 중심 주파수인 동작의 단일 주파수에 대해 공식화되었다. 협대역 시스템에 대해, 대역폭 B가 캐리어 주파수 fc의 적은 분획인 경우, 누구나 대역을 가로지른 fc에 DBF 공식을 안전하게 적용함으로써, 대역 에지에 매우 적은 성능 저하를 일으킬 수 있다. 그러나, 분획 대역폭 B/fc이 증가함에 따라, 저하 자체는 증가된 널 완화에서 증명된다. 이는 큰 분획 대역폭을 갖는 시스템에 대해 표준 DBF 성능을 제한하고자 하는 부적당한 현상이다.
EDBF는 대역폭으로 인한 이러한 저하를 최소화시킨다. EDBF는 간섭을 완화시키기 위해 광역 공동 널을 제공함으로써, 위성 통신 시스템의 효과에 부가된다. 보다 큰 대역폭에 대해, 채널화 기술은 EDBF 기술과 함께 사용될 수 있다. 이러한 경우, 작동 대역은 허용되는 EDBF 성능을 지원하기 위해 충분히 적은 부분-대역으로 분할된다.
인핸스드 디지털 빔형성 알고리즘에 의해 형성된 빔 패턴은 동작을 수신하고 전송하는데 동등하게 잘 적용되고, 목적하는 바와 같이 디지털로 조정될 수 있다. 스티어링 정도가 빔 대역의 분획으로 제한되는 경우, 광역 널은 모두 스티어링될 것이고, 따라서, 비소망의 공동-채널 간섭은 연속적으로 억제된다. 이는 인핸스드 디지털 빔형성기에 대한 T 매트릭스가 표준 DBF에 대한 T 매트릭스와 같이 종종 갱신되지 않음을 의미한다.
인핸스드 디지털 빔형성 알고리즘은 협대역 및 광역 공동 널 또는 소망의 대역폭의 공동 널의 조합을 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 융통성은 상이한 빔 폭 및 상이한 널 폭을 갖는 동시 발생하는 빔을 허용한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수신기에서 EDBF 기술을 사용하는 공정의 흐름도를 예시한다. 공정(700)은 단계(702)로 시작한다.
단계(704)에서, 소망의 신호의 수가 식별되고, 도달 방향은 소망의 신호 각각에 대해 결정된다. 경우에 따라, 단일 소망의 신호가 고려된다. 다른 경우, 많은 소망의 신호들이 고려된다.
단계(706)에서, 비소망의 신호의 수가 식별되고, 도달 방향은 이들 비소망의 신호들 각각에 대해 결정된다. 경우에 따라, 단일의 비소망의 신호가 고려된다. 다른 경우, 많은 비소망의 신호들이 고려된다.
본 명세서에 기재된 인핸스드 디지털 빔형성 알고리즘은 도달 정보의 방향을 효과적으로 기능시킬 것을 요한다. 바람직한 실시예에서, GPS-보조 위치 시스템은 도달 방향을 유도하기 위해 사용된다. 또 다른 실시예에서, 도달각 정보는 입사 소스의 방향을 정확히 지정하기 위해 현존하는 모든 또는 부분 어레이를 사용하는 방향 발견 서브시스템에 의해 공급될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 도달각은 2차원으로 결정된다. 다른 실시예에서, 도달각은 3차원으로 결정된다.
단계(708)에서, 널화 전략은 수신 모드에서 결정된다. 널화 전략은 광역 널을 특성화하는 것을 포함한다. 광역 널은 널의 클러스터를 포함한다. 유효 범위가 확립된다. 유효 범위는 광역 널의 폭을 결정한다. 유효 범위는 각각의 비소망의 신호에 대해 상이할 수 있다.
또한, 광역 널을 확립하기 위해 사용된 협대역 널의 수 역시 결정된다. 바람직한 실시예에서, 클러스터 내의 협대역 널의 최소수는 3이다. 경우에 따라, 각각의 비소망의 신호는 그와 연관된 광역 널을 갖는다. 다른 경우, 비소망의 신호들의 일부는 그들과 연관된 광역 널을 갖지 않는다.
일부 실시예에서, 양자화는 널화 전략을 개발할 때 유념해야 할 이슈이다. 빔들의 수 및 이들의 상대적 위치는 널화 전략의 요인일 수 있다.
널화 전략은 공지되지 않은 간섭 신호 소스의 수에 의해 영향을 받을 수 있다. 하나의 방향 또는 간섭 소스가 생략되거나 또는 공지되지 않은 경우, 인핸스드 디지털 빔형성기는 그 방향에 대한 비소망의 신호를 확립하지 않는다. 이러한 경우, EDBF는 그의 다른 빔 패턴의 방향에서 널을 나타내지 않는다. 이는 경쟁 시스템이 빔형성기에 의해 공지되지 않고 무시되는 1개 이상의 입사 신호에 기여할 때 발생할 수 있다. 바람직한 실시예에서, EDBF는 이들의 방향이 공지됨에 따라 이물질 소스의 방향으로 널을 형성한다. 다른 실시예에서, 널은 의심되는 간섭 신호를 커버하기 위해 광역화될 수 있다.
단계(710)에서, 인핸스드 변환 매트릭스는 도 4에 나타낸 공정을 사용하여 결정된다. 단계(712)에서, 안테나 어레이에 대한 가중 인자가 결정된다. 가중 인자는 인핸스드 변환 매트릭스로부터 결정된다.
단계(714)에서, 소망의 신호 및 비소망의 신호는 수신기에 의해 수신되고 처리된다. 소망의 신호에 대한 레벨은 최소화되고, 적어도 하나의 비소망의 신호에 대한 레벨은 광역 널을 사용하여 최소화된다. 공정(700)은 단계(716)에서 종료된다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 송신기에서 EDBF 기술을 사용하는 공정의 흐름도를 예시한다. 공정(800)은 단계(802)로 시작한다.
단계(804)에서, 신호 레벨 및 방향은 소망의 신호의 수에 대해 결정된다. 경우에 따라, 단일 빔이 사용된다. 다른 경우, 많은 빔들이 많은 소망의 신호들을 지원하기 위해 필요하다.
단계(806)에서, 신호 레벨 및 방향은 비소망의 신호의 수에 대해 결정된다. 전송 방향은 이들 비소망의 신호 각각에 대해 결정된다. 송신기의 경우, 비소망의 신호들은 이러한 신호에 의해 역으로 영향받는 공지된 수신기를 나타낸다. 이들 공지된 수신기에서 간섭의 허용되는 레벨을 확립하는 신호 레벨이 역시 결정된다. 경우에 따라, 단일의 비소망의 신호가 고려된다. 다른 경우, 많은 비소망의 신호들이 고려된다.
본 명세서에 기재된 인핸스드 디지털 빔형성 알고리즘은 전송 정보의 방향을 효과적으로 기능시킬 것을 요한다. 바람직한 실시예에서, GPS-보조 위치 시스템은 전송 방향을 유도하기 위해 사용된다. 다른 실시예에서, 전송 정보에 대한 각은 지상-기지 서브시스템에 의해 공급될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 전송각은 2차원으로 결정된다. 다른 실시예에서, 전송각은 3차원으로 결정될 수 있다.
단계(808)에서, 널화 전략이 확립된다. 널화 전략은 광역 널을 특성화하는 것을 포함한다. 광역 널은 널의 클러스터를 포함한다. 유효 범위는 각각의 광역 널에 대한 폭을 결정한다. 유효 범위는 각각의 비소망의 신호에 대해 상이할 수 있다. 유효 범위는 송신기의 상대적 위치에 기초하여 변화할 수도 있다. 예를 들면, 공간 기초 송신기 상의 광역 널에 대한 유효 범위는 그의 상대적 위치 변화에 따라 변화한다.
또한, 각각의 광역 널을 확립하기 위해 사용된 협대역 널의 수 역시 결정된다. 바람직한 실시예에서, 클러스터 내의 협대역 널의 최소수는 3이다. 경우에 따라, 각각의 비소망의 신호는 그와 연관된 광역 널을 갖는다. 다른 경우, 비소망의 신호들의 일부는 그들과 연관된 광역 널을 갖지 않는다.
일부 실시예에서, 양자화는 송신기에 대한 널화 전략을 개발할 때 유념해야 할 이슈이다. 빔들의 수 및 이들의 상대적 위치는 널화 전략의 요인일 수 있다.
널화 전략은 부정확한 위치에서 수신기에 널을 제공하려 시도함으로써 영향을 받을 수 있다. 수신기에 대한 방향이 공지되지 않은 경우, 인핸스드 디지털 빔형성기는 그 방향으로 광역 널을 형성하지 않는다. 이는 1개 이상의 시스템이 적용 범위를 공유하고자 할 때 발생할 수 있다. 바람직한 실시예에서, EDBF는 이들의 정확한 방향이 공지되지 않은 경우 이들 미확인 수신기의 방향의 널을 형성하지 않는다. 다른 실시예에서, 널은 의심되는 영역을 커버하기 위해 광역화될 수 있다.
단계(810)에서, 인핸스드 변환 매트릭스는 도달각에 대해 치환된 전송각을 갖는 도 4에 나타낸 EDBF 공정을 사용하여 결정된다. 단계(812)에서, 안테나 어레이에 대한 가중 인자가 결정된다. 가중 인자는 인핸스드 변환 매트릭스로부터 결정된다.
단계(814)에서, 메인 빔은 소망의 방향으로 전송되고, 광역 널은 비소망의 신호 수신기로 지향된다. 소망의 신호 방향으로 전송된 신호에 대한 레벨은 최소화되고, 적어도 하나의 비소망의 신호 방향으로 전송된 신호 레벨은 광역 널을 사용하여 최소화된다. 공정(800)은 단계(816)에서 종료된다.
무엇보다도 더 큰 분리가 충분한 단리를 보장하기 위해 빔들 중에서 필요하기 때문에, 보다 낮은 적용 범위 효율이 현재 시스템에서 발견될 수 있다. 본 발명에 사용된 인핸스드 디지털 빔형성 기술은 광역 공동 널 때문에 빔들 중에서 단리를 증가시키는 데 효과적이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 공동-채널 빔은 광역 공동 널에 의해 제공된 부가된 단리의 강도 때문에 더 근접하게 위치한다.
인핸스드 디지털 빔 형성은 본질적으로 개방형-루프 개념이다. 빔형성기에 필요한 입력은 빔이 형성되는 바람직한 보기 방향의 세트이다. 따라서, 이들 방향이 정확하지 않은 경우, 빔은 실제 소스로부터 탈선된다. 보다 현저하게는, 공동 널은 이들의 이상적인 위치로부터 이동될 것이고, 전체적인 성능을 저하시킨다. 인핸스드 디지털 빔형성 기술을 사용하여 확립된 안테나 패턴은 광역 널로 인한 부정확을 더 잘 견딘다.
이들 안테나 패턴은 포인팅 에러 및 기타 부정확의 존재 하에 간섭 신호를 거부하는 능력을 갖는다. 간섭 거부량은 널이 유효 범위 정도에 기초하고, 협대역 널의 수는 유효 범위 내에서 제공된다. 유효 범위 및 널의 수는 빔 패턴 내에 광역 널을 확립하도록 변화되고, 이들 광역 널은 간섭 신호 방향으로 위치한다.
인핸스드 디지털 빔형성 산출은 필요한 바와 같이 행해진다. 갱신 속도는 소망 및 비소망의 송신기 및 수신기에 상대적인 인공 위성 위치 변화를 포함하는 많은 인자에 좌우된다. 예를 들면, 상승각의 변화율이 0.0569。/sec인 경우, 이는 프레임의 길이가 90msec라는 가정 하에 0.005。/프레임에 대응한다. 빔형성기의 정정이 0.5。마다 요구되는 경우, AOA 정보는 100번째 프레임마다 갱신될 필요가 있다. 이는 디지털 신호 처리기를 사용하여 행할 수 있다. 그러나, 이들 산출은 단지 변형 매트릭스 T를 형성하기 위한 것이다. 빔을 형성하기 위해, 이러한 변형은 데이터에 대해 수행되어야 한다. 이러한 동작은 선형 변형을 계산하는 것보다 단순하지만, 이 동작은 훨씬 더 자주 행해져야 하기 때문에 처리 속도 요건을 지배한다. 바람직한 실시예에서, 이러한 처리 속도는 특수한 병렬 처리기를 사용하여 달성된다. 이는 EDBF에 대한 선형 변형을 추출하기 위해 사용된 기준 또는 방법과 무관하게 참이다.
다른 실시예에서, 처리기는 대수 번호 시스템(LAS) 연산을 사용한다. LAS-기지 연산은 곱셈 동작이 승산기 대신에 가산기로 수행될 수 있기 때문에 장점을 제공한다. 디지털 가산기 회로는 필적하는 승산기 회로보다 훨씬 더 작은 경향이 있다. 따라서, 빔형성 처리기의 크기는 LNS-기지 연산 유니트를 포함시킴으로써 감소될 수 있다.
LNS-기지 처리기는 로그 변환기, 합산 회로, 가중 회로 및 역-로그(로그-1) 변환기를 포함할 수 있다. 로그 변환기 및 역-로그 변환기는 상기-식별된 관련 발명 번호 1-4의 동시-계류중인 미국 특허 출원에 기재된 임의의 변환기를 사용하여 구현될 수 있다.
인핸스드 디지털 빔형성 알고리즘은 안테나 개구 테이퍼의 존재 또는 부재 하에 사용될 수 있고, 빔 해상도는 테이퍼에 따라 변화할 수 있다. 전형적으로, 배치될 수 있는 안테나 어레이는 동일한 양의 빔 확대량을 소비하면서, 충분히 낮은 사이드로브 구조를 제어 및 유지하기 위한 개구 테이퍼를 갖는다. 개구 테이퍼는 예측하지 않은 사이드로브 간섭에 대항하는 측정치로서 종래의 어레이 디자인에 사용된다.
바람직한 실시예에서, 개구 테이퍼는 인핸스드 디지털 빔형성에 따라 사용된다. 시뮬레이션은 약간 더 넓은 빔 및 하위 사이드로브 구조를 제외하고, 개구 테이퍼는 인핸스드 디지털 빔형성에 대한 유해 효과를 거의 갖지 않는 것으로 보인다. 다른 실시예에서, 여러 가지 개구 테이퍼 기술은 인핸스드 디지털 빔형성기와 함께 유리하게 조합될 있다.
본 발명의 방법 및 장치는 인공 위성 통신 시스템의 능력은 광역 널을 갖는 안테나 패턴을 사용함으로써 크게 향상될 수 있게 한다. 간섭 신호의 효과를 최소화시키기 위해 광역 널을 사용함으로써 여러 가지 임무에 대해 최적화될 수 있고, 추가 비용 이익은 본 발명의 방법 및 장치를 사용하는 시스템에 의해 증가될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 앞서 기재하였다. 그러나, 당업계의 숙련자들은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 변화 및 변형이 실시예에서 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들면, 바람직한 실시예는 빔형성기에 대한 특수 블록도를 사용하는 견지에서 기재하였지만, 상이한 블록도를 사용하는 다른 시스템이 계획될 수 있다. 따라서, 당업계의 숙련자들에게 명백한 이들 및 다른 변화 및 변형은 본 발명의 범위에 속하도록 의도된다.

Claims (10)

  1. K 비소망의 신호들(여기서, K는 정수임)로부터의 간섭 완화 방법으로서,
    소망의 신호들의 제 1 수를 식별하는 단계와,
    비소망의 신호들의 제 2 수를 식별하는 단계로서, 상기 비소망의 신호들의 제 2 수가 상기 K 비소망의 신호들을 포함하는 상기 단계와,
    상기 K 비소망의 신호들에 지향성인 광역 널을 제공함으로써 상기 K 비소망의 신호들로부터 상기 간섭을 완화시키는 단계로서, 상기 대역 널은 널의 클러스터인 상기 간섭 완화 단계를 포함하는, 간섭 완화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 완화 단계는,
    소망의 신호들의 상기 제 1 수에 대한 빔 방향을 결정하는 단계와,
    상기 K 비소망의 신호에 대한 널 방향을 결정하는 단계를 더 포함하는 간섭 완화 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 완화 단계는,
    2차원 도달각을 사용하여 상기 빔 방향 및 상기 널 방향을 결정하는 단계를 더 포함하는 간섭 완화 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 완화 단계는,
    3차원 도달각을 사용하여 상기 빔 방향 및 상기 널 방향을 결정하는 단계를 더 포함하는 간섭 완화 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 완화 단계는,
    상기 널 방향에 관한 유효 범위(coverage range)를 결정하는 단계와,
    유효 범위 내에서 널의 제 3 수를 제공하는 단계를 더 포함하는 간섭 완화 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 완화 단계는,
    인핸스드 디지털 빔형성(EDBF) 알고리즘 및 인핸스드 변환 매트릭스를 사용하여 널의 상기 제 3 수를 제공하는 단계를 더 포함하는 간섭 완화 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 EDBF 알고리즘이,
    a) 0 소자를 갖는 인핸스드 변환 매트릭스를 생성하는 단계와,
    b) 소망의 신호들의 상기 제 1 수 내에서 N 소망의 신호에 대한 도달각을 식별하는 N 빔 방향을 결정하는 단계와,
    C) J(번째) 빔 방향을 식별하는 단계로서, 상기 J(번째) 빔 방향은 N 소망의 신호들 내에서 J(번째) 소망의 신호에 대한 도달각을 식별하는 상기 단계와,
    d) 비소망의 신호들의 상기 제 2 수 내에서 상기 K 비소망의 신호들에 대한 도달각을 식별하는 K 널 방향을 결정하는 단계와,
    e) 각들의 K 클러스터를 구축하는 단계로서, 클러스터는 널 방향에 대해 구축되는 상기 구축 단계와,
    f) 상기 J(번째) 빔 방향에 대한 상기 도달각을 각들의 상기 K 클러스터와 조합함으로써 평탄화 리스트를 구축하는 단계와,
    g) 상기 평탄화 리스트를 사용하여 스티어링 매트릭스를 계산하는 단계와,
    h) 상기 스티어링 매트릭스를 사용하여 표준 정보 매트릭스를 산출하는 단계와,
    i) 상기 인핸스드 변환 매트릭스에 상기 표준 변환 매트릭스의 제 1 행을 부가하는 단계와,
    j) 상기 J(번째) 빔 방향을 폐기하는 단계와,
    k) 상기 평탄화 리스트를 좌측 방향으로 회전시키는 단계와,
    l) J를 증가시키는 단계와,
    m) J가 N 미만일 때, 단계 c)로 복귀하고 단계 c) 내지 단계 m)을 반복하는 단계와,
    n) J가 N 이상일 때 종료하는 단계를 더 포함하는 간섭 완화 방법.
  8. 소망의 신호들의 제 1 수 및 비소망의 신호들의 제 2 수를 포함하는 신호를 수신기에서 수신하는 단계로서, 상기 비소망의 신호들의 제 2 수는 비소망의 신호들의 상기 수를 포함하는 상기 단계와,
    소망의 신호들의 상기 제 1 수에 대한 빔 방향을 결정하는 단계와,
    비소망의 신호들의 상기 수에 대한 널 방향을 결정하는 단계로서, 소망의 신호는 빔 방향을 정의하고, 비소망의 신호는 널 방향을 정의하며, 상기 빔 방향 및 상기 널 방향은 2차원 도달각을 사용함으로써 결정되는 상기 단계와,
    상기 수신기에 의해, 비소망의 신호들의 상기 수로 지향된 널의 클러스터를 제공함으로써, 비소망의 신호들의 상기 수로부터 상기 간섭을 완화시키는 단계를 포함하는, 비소망의 신호의 수로부터 간섭을 완화시키기 위한 수신기 작동 방법.
  9. 어레이 안테나와 함께 사용하도록 채택된 인핸스드 디지털 빔형성기를 사용하여 간섭을 완화시키기 위한 (상기 어레이 안테나는 복수개의 조정 가능한 안테나 빔 패턴을 제공하기 위해 복수개의 방사 소자를 갖고, 상기 인핸스드 디지털 빔형성기는 상기 복수개의 조정 가능한 안테나 빔 패턴을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어 매트릭스를 제공함) 송신기 작동 방법으로서,
    소망의 신호 방향의 제 1 신호 레벨로 적어도 하나의 빔 및 복수개의 비소망의 신호를 포함하는 적어도 하나의 조종 가능한 빔 패턴을 송신하는 단계로서, 상기 복수개의 비소망의 신호는 간섭 레벨을 결정하는 상기 단계와,
    상기 인핸스드 디지털 빔형성기 및 적어도 하나의 상기 제어 매트릭스를 사용하여 상기 간섭 레벨을 감소시키는 단계와,
    상기 제 1 레벨을 증가시키기 위해 적어도 하나의 상기 제어 매트릭스를 조정하는 단계와,
    널의 적어도 하나의 클러스터를 제공하기 위해 적어도 하나의 상기 제어 매트릭스를 재조정하는 단계로서, 널의 적어도 하나의 상기 클러스터는 상기 간섭 레벨을 감소시키는 상기 재조정 단계와,
    상기 제 1 레벨을 증가시키고, 상기 간섭 레벨을 감소시키기 위해, 상기 조정 단계 및 상기 재조정 단계를 일정 횟수 만큼 반복하는 단계를 포함하는, 송신기 작동 방법.
  10. 어레이 안테나와 함께 사용하도록 채택된 인핸스드 디지털 빔형성기를 포함하는(여기서, 상기 어레이 안테나는 복수개의 조정할 수 있는 안테나 빔 패턴을 제공하기 위한 복수개의 방사 소자를 가짐) 트랜시버 서브시스템으로서,
    어레이-안테나와,
    상기 어레이-안테나에 결합된 복수개의 수신기 모듈과,
    상기 복수개의 수신기 모듈에 결합된 복수개의 아날로그 디지털(A/D) 변환기와,
    상기 어레이-안테나에 결합된 복수개의 송신기 모듈과,
    상기 복수개의 송신기 모듈에 결합된 복수개의 디지털 아날로그(D/A) 변환기와,
    상기 복수개의 A/D 변환기에 결합되고 상기 복수개의 D/A 변환기에 결합된 인핸스드 디지털 빔형성기로서, 상기 복수개의 조정 가능한 안테나 빔 패턴 중 적어도 하나의 대역 널을 생산하기 위해 사용되는, 상기 인핸스드 디지털 빔형성기와,
    상기 인핸스드 디지털 빔형성기에 결합된 데이터 프로세서를 포함하는, 트랜시버 서브시스템.
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