KR20010030790A - 스펙큘러 반사를 완화시키기 위한 다중 안테나 - Google Patents

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KR20010030790A
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제임스 에이치. 톰슨
윌리암 알. 팬튼
모하마드 알리 타쏘웃지
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러셀 비. 밀러
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Abstract

본 발명은 수신 신호(202A,402A)의 스펙큘러 반사(202B,402B)의 영향을 완화시키기 위해 위성 통신 시스템(100) 수신기(500,600)에서 다중 수신 안테나(420A,420B)를 사용하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 시스템은 각각 제 1 및 제 2 직진(202A,402A)과 스펙큘러 전파 경로(202B,402B)를 따라 위성 통신 신호를 수신하는 제 1 및 제 2 안테나(420A,420B)와 최종 결합된 신호의 신호 대 잡음비를 최대로하기 위해 제 1 및 제 2 안테나(202A,202B,402A,402B)에 의해 수신된 신호를 결합하는 디지털 최대비 결합기(520)를 포함한다.

Description

스펙큘러 반사를 완화시키기 위한 다중 안테나 {USING MULTIPLE ANTENNAS TO MITIGATE SPECULAR REFLECTION}
전형적인 위성-기반 통신 시스템은 적어도 하나의 지구국, 교환국, 또는 허브(이하 게이트웨이로 참조됨); 적어도 하나의 사용자 터미널, 원격국, 또는 이동국(예를 들면, 이동 전화); 및 게이트웨이와 사용자 터미널 사이의 통신 신호를 중계하는 적어도 하나의 위성을 포함한다. 게이트웨이는 적어도 하나의 사용자 터미널로부터 다른 사용자 터미널 또는 지상 전화 시스템과 같은 링크된 통신 시스템으로 링크를 제공한다.
다수의 다중 접속 통신 시스템이 여러 시스템 사용자들 사이에서 정보를 전송하기 위해 개발되었다. 이 기술은 기술상 공지된 바와 같이 시분할 다중 접속(TDMA), 주파수 분할 다중 접속(FDMA), 및 코드 분할 다중 접속(CDMA) 확산-스펙트럼 기술을 포함한다. 다중 접속 통신 시스템에서 CDMA 기술의 사용은 1990년 2월 13일 특허된 미국 특허 번호 제 4,901,307호 "Spread Spectrum Multiple Access Communication System Using Satellite Or Terrestrial Repeaters"와 1995년 1월 4일 특허된 미국 특허 번호 제 08/368,570 호 "Method And Apparatus For Using Full Spectrum Transmitted Power In A Spread Spectrum Communication System For Tracking Individual Recipent Phase Time and Energy"에 개시되어 있으며, 이는 본 발명의 양수인에게 양도되고 여기에서 상호 참조된다.
상술한 문서에 다수의 일반적인 이동 또는 원격 시스템 사용자가 다른 시스템 사용자 또는 공용 전화 스위칭 네트워크와 같은 다른 접속된 시스템 사용자와 통신하기 위해 사용자 터미널을 이용하는 다중 접속 통신 시스템이 개시되어 있다. 사용자 터미널은 CDMA 확산-스펙트럼 타입의 통신 신호를 이용하는 위성과 게이트웨이를 통해 통신한다.
통신 위성은 지구 표면으로 위성 통신 신호를 발사하여 생성된 "스폿(spot)"을 비추는 빔을 형성한다. 스폿에 대한 전형적인 위성 빔 패턴은 소정 범위의 패턴에 배열된 다수의 빔을 포함한다. 전형적으로, 각각의 빔은 서로 다른 주파수 밴드를 차지하며 공통 지역을 커버링하는 다수의 CDMA 채널 또는 소위 서브-빔을 포함한다.
전형적인 확산-스펙트럼 통신 시스템에서, 일련의 미리 선택된 유사 잡음(PN) 코드 시퀀스는 통신 신호로서 전송용 캐리어 신호에 변조되기 전에 소정의 스펙트럼 밴드에 대해 정보 신호를 변조(즉 "확산")하는데 사용된다. 기술상 공지된 확산-스펙트럼 전송 방법, 즉 PN 확산은 기본 데이터 신호보다 큰 대역폭을 가진 전송용 신호를 만든다. 포워드 통신 링크에서(즉, 게이트웨이에서 생성되고 사용자 터미널에서 종결되는 통신 링크에서), PN 확산 코드 또는 바이너리 시퀀스는 서로 다른 빔에 대해 게이트웨이에 의해 전송된 신호를 식별하기 위해 사용되며 그 타이밍은 다중경로 신호를 식별하기 위해 사용된다. 이 PN 코드는 주어진 빔안의 모든 통신 신호에 의해 분배되며 다른 코드 길이와 비가 공지되어 있지만 전형적으로 미리 선택된 칩 주기 또는 1,22Mhz 정도의 칩핑율(chipping rate)을 가진 28내지 215코드칩을 포함한다.
전형적인 CDMA 확산-스펙트럼 시스템에서, 채널라이징 코드는 특정 사용자 터미널 또는 빔 안에서 전송된 수신기 또는 포워드 링크의 CDMA 채널에 사용되는 신호를 식별하는데 사용된다. 즉, 유일한 직교 채널은 유일한 "채널라이징" 직교 코드를 사용하여 포워드 링크시 각 사용자 터미널에 공급된다. 월시 함수는 일반적으로 지상 시스템용으로 64코드칩과 위성 시스템용으로 128코드칩 정도의 전형적인 길이를 가진 채널라이징 코드를 실행하는 데 사용된다. 그러나, 다른 타입의 직교 함수가 사용될 수 있다.
미국 특허 번호 제 4,901,307 호에 개시된 전형적인 CDMA 확산-스펙트럼 통신 시스템은 포워드 링크 사용자 터미널 통신에 대한 코히어런트 변조와 복조의 사용에 관한 것이다. 상기 접근법을 사용한 통신 시스템에서, "파일롯" 캐리어 신호(이하 "파일롯 신호"로 참조됨)는 포워드 링크에 대한 코히어런트 위상 기준으로 사용된다. 즉, 어떤 데이터 변조도 포함하지 않은 파일롯 신호는 서비스 지역에 대해 게이트웨이에 의해 전송된다. 단일 파일롯 신호는 전형적으로 사용된 각각의 주파수, 즉 CDMA 채널에 사용된 각각의 빔에 대한 각 게이트웨이에 의해 전송된다. 이 파일롯 신호는 게이트웨이로부터 신호를 수신하는 모든 사용자 터미널에 의해 분배된다.
파일롯 신호는 초기 시스템 동기화 및 케이트웨이에 의해 전송된 다른 신호의 타이밍, 주파수, 및 위상 트래킹을 얻기위해 사용자 터미널에 의해 사용된다. 파일롯 신호 캐리어를 트래킹하여 얻어진 위상 정보는 다른 시스템 신호 또는 트래픽 신호의 코히어런트 복조에 대한 캐리어 위상 기준으로 사용된다. 많은 트래픽 신호는 적은 비용과 보다 효율적인 위상 트래킹 메카니즘을 제공하면서 위상 기준으로서 통상적인 파일롯 신호를 분배한다.
사용자 터미널이 통신 세션에 포함되지 않는다면(즉, 사용자 터미널이 트래픽 신호를 수신 또는 전송하지 않는다면), 게이트웨이는 페이징 신호로 알려진 신호를 사용하여 특정 사용자 터미널에 정보를 전달한다. 예를 들어, 특정 이동전화에 호출이 이루어졌을 때, 게이트웨이는 페이징 신호로 이동전화에 경보를 알린다. 메이징 신호는 또한 트래픽 채널 분배, 액세스 채널 분배, 및 특정 시스템 오버헤드 정보를 분배하는데 사용된다.
위성 시스템의 경우, 사용자 터미널 수신기는 일반화된 다중경로 신호 반사으로 인해 상당히 적은양의 신호 저하를 경험한다. 위성 신호는 지상 셀룰러 시스템의 다중경로 신호를 생성하는 많은 방해물, 대부분 빌딩을 피하기 위해 충분히 경사진 각도에서 도달하는 경향이 있다. 그러나, 사용자 터미널은 문제 또는 스펙큘러 반사으로 알려진 다수의 다중경로 신호에 민감하다.
스펙큘러 반사는 수신된 신호 성분이 지면과 같은 표면으로부터 수신 신호의 입사각과 동일한 각도에서 확산될 때 발생한다. 반사된 성분("스펙큘러" 성분으로 명명)의 특성은 입사각과 전기 특성, 조도(roughness), 및 충돌 표면의 균일성의 함수이다. 스펙큘러 반사는 많은 위성 시스템에 대해 상당 시간동안 발생한다. 확산된 신호는 수신기 또는 지면 바로위에 위치한 수신 안테나로 향한다.
지면위의 특정 높이에 위치한 수신기 안테나의 경우 스펙큘러 성분은 신호 레벨의 주요한 저하를 일으키는 직진 신호 성분과 결합될 수 있다. 직진 및 스펙큘러 신호 성분 사이의 위상 변화로 인해 서로 보강하거나 상쇄될 수 있다. 이는 사용자 터미널이 이동하거나 위성이 수신기 안테나에 대한 상하각을 변화시킬 때(저지면 궤도 위성 시스템에서처럼) 신호 레벨 또는 에너지에서 큰 오실레이션을 일으킨다. 또한, 신호 레벨은 적당한 수신 또는 변조에 필요한 레벨 이하로 떨어질 수 있다. 파일롯 신호의 경우에는 위상 기준으로서 적절히 기능하지 않을 수 있고 적당한 신호의 수신 또는 복조를 방해한다. 페이징 신호의 경우에는 사용자 터미널이 들어오는 호출을 검출하거나 적당한 액세스 채널을 선택하는데 있어서 필요한 정보가 분배되지 않을 수 있다.
전형적인 위성 신호 수신 안테나는 수신된 신호에 대한 상하각이 제로 또는 네거티브 또는 안테나의 국부 영역(local horizon) 이하에 접근하는 값으로 감소하거나 "롤 오프(roll off)"하는 이득을 나타낸다. 스펙큘러 방사는 지면 또는 다른 부드러운 표면에 의해 반사되고 입수되거나 네거티브 상하각에서 인터셉트되며 이에 따라 낮은 이득이 적용된다.
만일 직진 신호에 의해 경험된 안테나 이득이 스펙큘러 반사보다 많이 크다면 직전 신호 강도는 우위를 점하며 어떠한 저하도 관측되지 않는다. 이는 일반적으로 높은 상하각에서 수신된 직진 신호에 대한 경우이다. 이는 안테나의 높은 이득 영역에 도달하며 스펙큘러 성분은 네거티브 이득 영역에 도달한다. 그러나, 안테나 이득은 전형적으로 낮은 고도와 함께 천천히 감소한다. 그러므로, 낮은 고도에서 수신된 직진 및 스펙큘러 신호는 동일한 이득을 경험한다. 이 경우, 스펙큘러 방사는 강도면에서 직진 신호에 근접하며 큰 간섭과 신호 저하를 일으킨다. 즉, 스펙큘러 방사의 간섭은 낮은 상하각에 대해서 더욱 중요해진다.
스펙큘러 반사의 영향을 완화시키며, 특히 위성 통신 시스템에 대해 통신 신호의 수신을 유지 또는 개선하는 방법이 필요하다.
본 발명은 일반적으로 확산-스펙트럼 위성 통신 시스템의 다이버시티 프로세싱에 관한 것으로 특히 신호 수신에 대한 스펙큘러 반사의 영향을 완화시키기 위한 다중 안테나 사용에 관한 것이다.
도 1은 전형적인 위성 통신 시스템을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 포워드 링크 위성 통신 신호의 직전 및 스펙큘러 성분 사이의 일반적인 구조 관계를 도시한다.
도 3은 단일 안테나를 사용하는 수신기의 경우로서 각으로 측정된 상하각(Ψ)에 대하여 dB로 특정된 표준화된 신호 대 잡음비(SNR)의 곡선을 도시한다.
도 4a와 도 4b는 두개의 안테나 어셈블리에 대하여 도 2a, 2b의 구조 관계를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예를 실시하는 데 적당한 사용자 터미널 수신기의 회로 블록 다이아그램을 도시한다.
도 6은 도 5의 실시예의 경우로서 상하각에 대한 표준 SNR의 곡선을 도시한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 실시하는 데 적당한 수신기의 회로 블록 다이아그램을 도시한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예의 경우로서 상하각에 대한 표준화된 SNR의 곡선을 도시한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 실시하는데 적당한 수신기의 회로 블록 다이아그램을 도시한다.
본 발명은 스펙큘러 반사의 영향을 완화시키기 위해 위성 통신 시스템 수신기의 다중 안테나를 사용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 시스템은 제 1 직진 및 스펙큘러 전파 경로를 따라 위성 통신 신호를 수신하는 제 1 안테나; 제 2 직진 및 스펙큘러 전파 경로를 따라 위성 통신 신호를 수신하는 소정의 거리만큼 떨어진 제 1 안테나와 교체된 제 2 안테나; 및 결합기 또는 최종 결합된 신호의 신호 대 잡음비를 최대로 하기 위해 제 1 및 제 2 안테나에 의해 수신된 신호를 결합하는 방법을 포함한다. 결합 방법은 다른 신호와 결합하기 전에 개별 신호 대 잡음 비를 기초로 각각의 신호를 가중시키는 디지털 최대 비 결합기일 수 있다. 본 발명은 당업자에 공지된 바와 같이 두개 이상의 수신 안테나를 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 수신 신호는 결합 이전에 디지털 베이스밴드 신호로 감소된다. 다른 실시예에서, 수신 신호는 먼저 RF 또는 IF 주파수중 하나에 결합된다. 시간 지연은 상기 최초 결합 이전에 이들 신호중 하나에 삽입된다. 래이크 수신기는 삽입된 시간 지연을 기초로 베이스밴드에서 제 1 및 제 2 안테나에 의해 수신된 신호를 식별하는데 사용된다. 다음으로 베이스밴드 디지털 신호는 신호 대 잡음비를 최대로 하기 위해 결합된다.
본 발명의 이점은 다중 경로 신호가 없을 때 수신 신호의 신호 대 잡음비가 증가되는 것을 허용하는 것이다.
본 발명의 다른 이점은 수신기가 장착된 차량에 대해 경로 장애물 및 다중 경로 페이딩의 완화시키는 것이다.
본 발명은 도면을 참조로 이하에서 상세히 설명된다.
Ⅰ. 도입부
본 발명은 스펙큘러 반사의 영향을 완화시키기 위해 위성 통신 시스템 수신기에서 다중 안테나를 사용하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예는 이하 자세히 설명된다. 특정 단계, 구성 및 장치가 설명되면, 이는 단지 본 발명의 목적을 위한 것이다. 당업자는 본 발명의 사상 및 영역에 벗어나지 않고 다른 단계, 구성 및 장치를 사용할 수 있다.
본 발명은 다섯 부분으로 설명될 것이다. 첫째, 전형적인 위성 통신 시스템이 설명된다. 둘째, 스펙큘러 반사의 특성이 설명된다. 셋째, 디지털 결합 솔루션이 제공된다. 넷째, 아날로그 결합 솔루션이 제공된다. 마지막으로, 본 발명의 다른 응용이 설명된다.
Ⅱ. 전형적인 위성 통신 시스템
위성과 게이트웨이 또는 기지국을 사용하는 무선 통신 시스템(100)의 예가 도 1에 도시되어 있다. 바람직한 실시예에서, 통신 시스템(100)은 CDMA 확산 스펙트럼 위성 통신 시스템이지만, 본 발명에 필요한 것은 아니다. 통신 시스템(100)은 하나 이상의 게이트웨이(102A,102B), 위성(104A,104B), 및 사용자 터미널(106A,106B,106C)을 포함한다.
사용자 터미널(106)은 데이터 전송 장치(예를 들면 컴퓨터, 개인용 데이터 보조 장치, 모뎀)가 고려되지만, 무선 전화와 같은 무선 통신 장치를 포함한다. 사용자 터미널(106)은 일반적으로 세 타입이다: 전형적으로 손바닥만한 휴대용 터미널(106A); 전형적으로 차량에 장착되는 사용자 터미널(106B); 및 전형적으로 영구 구조내부 또는 구조위에 장착되는 고정된 사용자 터미널(106C). 사용자 터미널은 또한 어떤 통신 시스템에서 기준에 따라 가입자 유니트, 이동국, 또는 단순히 "사용자" 또는 "가입자"로 참조된다.
기지국, 허브, 또는 여러 시스템에서 고정국으로 참조되는 게이트웨이(102A)는 위성(104A 및/또는 104B)을 통해 사용자 터미널(106)과 통신한다. 일반적으로, 여러 위성은 낮은 지구 궤도(LEO) 또는 중간 지구 궤도(MEO)와 같은 서로 다른 궤도 평면을 횡단한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 다수의 위성 시스템, 게이트웨이, 또는 기지국 구성 또는 다른 이동 비위성 신호 소스에 적용될 수 있는 방법을 쉽게 이해할 것이다. 지상국(108; 또는 셀-사이트 또는 -국으로 참조)은 사용자 터미널(106)과 직접 통신하기 위해 임의의 시스템에 사용될 수 있다. 전형적으로, 상기 기지국(108) 및 위성/게이트웨이는 필요하지는 않지만 지상 및 위성 기반 시스템으로 참조된 분리된 통신 시스템의 구성체이다. 상기 시스템의 기지국, 게이트웨이 및 위성의 총 개수는 원하는 시스템 용량에 따르며 다른 요소는 기술상 공지되어 있다. 게이트웨이 및 기지국은 시스템-전체의 제어 또는 정보를 제공하는 하나 이상의 시스템 제어기에 접속될 수 있고 공용 스위칭 전화 네트워크(PSTN)에 접속될 수 있다.
Ⅲ. 스펙큘러 반사
전형적인 위성 통신 시스템에서, 포워드 링크(즉, 통신 링크가 위성(104)에서 생성되며 사용자 터미널(106)에서 종결됨)는 전형적으로 리시안(Rician)으로서 특성화된 페이딩을 경험한다. 따라서, 수신 신호는 레일리(Rayleigh) 페이딩 특성을 가진 다중-반사된 성분과 결합된 직진 성분을 포함한다. 직진 및 반사된 성분들 사이의 전력비는 전형적으로 대충 6 내지 10dB이며 이는 사용자 터미널 주변 환경과 사용자 안테나의 특성에 달려있다. 수신 신호의 심각한 저하와 사용자 터미널 수신기 성능의 최종 감소는 다중 신호 사이의 상쇄 간섭에 의한 것이다.
다중 반사된 신호 성분의 상쇄 효과를 완화시키는 다양한 접근법이 개발되었다. 상기 접근법은 1992년 4월 28일 특허된 미국 특허 번호 제 5,109,390 호, "Diversity Receiver In A CDMA Cellular Telephone System"에 개시되어 있으며, 여기에서 상호 참조된다. 상기 특허는 다중경로 신호의 코히어런트하게 결합된 성분에 의해 페이딩되는 신호를 방지하는 "래이크(rake)" 수신기로 알려진 다이버시티 수신기를 설명한다.
특히 "스펙큘러" 반사로 알려진 상쇄된 다중 경로 성분은 지면으로부터 반사된 다중 경로 성분이다. 포워드 링크 위성 통신 신호의 직접 및 스펙큘러 성분 사이의 일반적인 구조 관계가 도 2(2a,2b)에 도시되어 있다. 상대적인 입사 및 반사각은 신호 상호 작용의 성질과 제기된 문제를 도시하는 목적을 위해 도 2에서는 크기가 과장되어 있다.
도 2a에서 휴대용 사용자 터미널(106A)에는 안테나(220)가 장착되어 있으며, 도 2b에서 이동 사용자 터미널(106B)에는 안테나(220)가 장착되어 있다. 사용자 터미널의 관련 수직 높이 및 위치는 애플리케이션으로부터 애플리케이션으로 터미널 대 터미널로 변화되며, 도면(2a,2b,4a,4b)은 모든 애플리케이션에서 동일하며 이에 제한받지 않고 단지 설명을 위해 상하각에 대한 통상적인 라벨을 사용한다는 것은 기술상 공지되어 있다.
안테나(220;2a,2b)는 위성(104A)으로부터 직진 전파 경로에 따른 직진 신호 성분(202A)을 수신한다. 안테나(220)는 또한 지구 표면, 지역 또는 영역(206)과 같은 상대적으로 부드러우며(중요 주파수에서) 평탄한 물체(204)로부터 반사되는 스펙큘러 신호 성분(202B)을 수신한다. 위성(104A)은 상하각(Ψ)에 존재한다. 상기 시스템의 사용자 터미널에 의해 수신된 신호는 안테나로부터 매우 많이 떨어진 곳에서 생성되기 때문에 반사 스폿(206)에 대한 직진 신호 성분(202A)과 직진 성분(202C)는 거의 평행이다. 두개의 직진 성분은 극소 오프셋 또는 각으로 분리된다. 성분(202C)과 스펙큘러 성분(202B)에 대한 최종 입사 및 반사 각도는 모두 대략 Ψ이다. 즉, 직진 및 스펙큘러 신호 성분은 거의 평행이다.
통신 신호의 직진 및 스펙큘러 성분 사이의 간섭은 상당한 품질 저하를 일으킬 수 있다. 수신 안테나(220)의 방사 패턴에 따라, 상기 저하는 6dB의 신호 감소값을 초과할 수 있다. 널리 설계된 확산 스펙트럼 시스템과 같은 저 전력 위성 통신 시스템에서는 상기 저하가 매우 중요하다.
스펙큘러 반사의 영향은 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래픽 좌표를 참조로 제공된다. 도 3에 dB로 측정된 표준화된 신호 대 잡음비(SNR)에 대한 각도로 측정된 상하각(Ψ)의 좌표가 도시되어 있다. 이 좌표에는 두개의 곡선가 도시되어 있다: E_직진 크기와 E_총크기. 실선으로 도시된 E_직진 크기 곡선은 안테나(220)에서 포워드 링크 통신 신호의 직진 성분(202A)의 전기장의 크기를 나타낸다. 점선으로 도시된 E_총 크기 곡선은 안테나(220)에서 직진 및 스펙큘러 성분을 포함하는 총 전기장의 크기를 나타낸다. E_총 크기 곡선에 도시된 바와 같이, 낮은 상하각에서의 스펙큘러 성분에서 비롯된 SNR의 저하는 중요하다.
이 문제를 처리하는 한 가지 접근방법은 포지티브 상하각에서 높은 이득과 네거티브 상하각에서 낮은 이득을 가지는 안테나를 설계하는 것이다. 유감스럽게도, 전화와 같은 휴대용 또는 이동 무선 장치에 필요한 큰 이득 변차를 가지는 작은 안테나를 설계하는 것은 비실용적이다. 그러나, 공지된 거리만큼 횡으로 치환된 두개의 안테나를 사용하고 이하 설명되는 바와 같이 두개의 안테나에 의해 수신되는 신호를 결합함으로써, 낮은 상하각에서 스펙큘러 반사에 의해 야기된 SNR 저하는 완화될 수 있다.
도 4a,4b는 두개 엘리멘트 안테나 어셈블리 또는 시스템을 사용하지만, 각각 도 2a,2b에 대한 구조 관계를 도시한다. 도 4a,4b에서, 사용자 터미널(106A,106B)의 단일 안테나(220)는 두개 엘리멘트(420A,420B)를 가지는 안테나에 의해 치환된다. 엘리멘트(420A)는 지면(204)위의 높이(h')에 존재하며 안테나(420B)는 지면(204)위의 높이(h)에 존재한다. 안테나(420A)는 신호(402C)와 마찬가지로 스폿(206')에서 반사되는 위성(104A)에서 생성된 포워드 링크 통신 신호의 직진 신호 성분(402A)과 스펙큘러 성분(402B)를 수신한다. 안테나(420B)는 위성(104A)에서 생성된 포워드 링크 통신 신호의 직진 성분(202A)과 스펙큘러 성분(202B)을 수신한다. 이상과 마찬가지로, 위성(104A)에 도달한 스펙큘러 성분(202B,402B; 실질적으로 평행임)의 입사 및 반사각은 대략 Ψ이다.
안테나(420A,420B)는 동일 안테나 구조내에서 두개의 엘리멘트로 도시되어 있지만, 다른 구성이 본 발명의 사상 및 영역내에서 가능하다. 예를 들면, 안테나는 원하는 수직 높이 관계가 유지되는한 두개의 떨어져서 분리된 지지물 또는 마스트(mast)에 장착될 수 있다.
스펙큘러 성분은 다른 반사 계수를 가진 수평 및 수직 성분을 사용하여 특성화될 수 있다. 수평, 횡단 전기 또는 스펙큘러 편광의 경우, 입사 전기 벡터(E)는 입사 및 반사 계수(ρh) 평면에 대해 직각이며, ρh는 입사 전기장에서 반사된 비를 나타내거나, 또는:
(1)
여기에서 εc는 상대 복소 유전율이며 Ψ는 상하각이다. 수직, 횡단 자기 또는 평행 편광의 경우, 입사 E 벡터는 입사 및 반사 계수(ρv) 평면에 평행이며, ρv는 입사 자기장에서 반사된 비를 나타내거나, 또는:
(2)
완전 도체 평면에서 εc→ ∞, ρh→ -1, 및 ρv→ 1.
Ψ의 상하각과 h의 안테나 높이에서 위성(104A)으로부터 안테나(420B)에 도달한 좌선 회로 편파(LCP)의 경우, 수신기 안테나의 입사 및 반가 전기장의 벡터는 다음 관계식으로 주어진다.
(3)
(4)
여기에서와는 각각 수평 및 수직 유니트 벡터이며 k=2π/λ이다.의 필드 이득 함수를 가진 안테나에 의해 수신된 총 전기장의 크기는 다음과 같이 주어진다.
(5)
여기에서,이다.
그러므로,(6)
후자의 관계식은 각 성분에 대해 직진(Ed)과 스펙큘러(Es)항으로 나눌수 있으며, 이는 다음과 같다:
(7)
스펙큘러 항의 위상 요소는 E_총 크기를 Ψ의 함수로 변화시킨다. 이러한 변화는 cos(khsinΨ)의 형태를 가지기 때문에 E_총 크기의 오실레이션수는 상하각이 증가함에 따라 감소한다.
제 1 안테나(420B)와 동일한 이득 함수를 가진 높이 h'에 위치한 제 2 안테나(420A)의 경우, 총 수신 전기장은 다음과 같다:
(8)
식(8)은 다음 관계식에 따라 직진 및 스펙큘러항으로 나눌 수 있다.
(9)
직진 성분은 그 양이 (2n+1)π과 동일할 때 소거를 일으키게 되는 k(h-h')sinΨ의 위상차를 가진다. 소정의 거리(h-h')만큼 두개의 안테나를 수직으로 분리함으로써, SNR 저하는 다음 관계식으로 도시된 바와 같이 소정의 상하각(Ψc)에 대해 최소가 될 수 있다:
(10)
소정의 상하각(Ψc)은 관련 기술상 공지된 여러 요소에 따라 선택된다.
바람직한 실시예에서, 소정의 상하각(Ψc)은 대략 15°이다.
Ⅳ. 디지털 결합 솔루션
본 발명의 일 실시예에서, 각 안테나에 수신된 신호는 결합되기 전에 디지털 베이스밴드 신호로 변환된다. 본 발명의 실시예를 실행하는 데 적당한 사용자 터미널 수신기(500)의 회로 블록 다이아그램은 도 5에 도시되어 있다. 여기에서, 수신기(500)는 하나 이상의 위성(104)으로부터 통신 신호를 수신하는 두개의 안테나(420A,420B)를 포함하며, 바람직하게 각 안테나의 분리된 수신기 체인을 이용한다. 수신기 시스템(500)은 당업자에 공지된 바와 같이 두개 이상의 안테나와 수신기 체인을 포함한다.
수신기(500)는 또한 결합된 출력 신호(530)를 만들기 위해 각 수신기 체인에 의해 생성된 디지털 신호를 결합하는 디지털 최대비 결합기(520)를 포함한다. 출력 신호(530)는 디지털 데이터 신호이며, 이는 당업자에 공지된 바와 같이 보코더 및 다른 공지된 회로 또는 기타 처리용 장치에 전송될 수 있다. 디지털 최대비 결합기(520)는 출력 신호(530)의 SNR을 최대로 하기위해 신호를 결합하기 전에 SNR을 기초로 각 디지털 신호를 가중시킨다.
각 수신기 체인은 저잡음 증폭기(LNA), 믹서(506), 아날로그 수신기(508) 및 디지털 수신기(510)을 포함한다. 믹서(506)는 RF로부터 수신된 신호를 IF 주파수로 다운컨버팅하기 위해 국부 오실레이터 신호와 LNA(504)에 의해 생성된 증폭 신호를 결합한다. 아날로그 수신기(508)는 IF 신호의 주파수를 베이스밴드로 줄이기 위한 다운컨버터를 포함한다. 아날로그 수신기(508)는 또한 아날로그 베이스밴드 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기를 포함한다. 디지털 수신기(510)는 필요에 따라 디지털 신호를 디스프레드(despread) 및 복조하며 공지된 다른 신호 처리 동작 및 에러 보정을 실행한다. 디지털 수신기(510)의 출력은 디지털 데이터 신호이다. 디지털 수신기(510)에 의해 생성된 디지털 데이터 신호는 합성 출력 신호(530)의 신호 대 잡음비를 최대로 하기 위해 디지털 최대비 결합기(520)에 의해 코히어런트하게 결합된다.
도 6에 두개의 곡선에 대한 표준화된 SNR 대 Ψc=15°에 대한 상하각(Ψ)의 좌표가 되시되어 있다: E_단일 크기 및 E_결합 크기. 도 6에 점선으로 나타난 E_단일 크기 곡선은 단일 곡선 안테나의 경우에 대한 총 수신 전기장의 크기를 나타내며, 도 3의 E_총 크기 곡선과 대응된다. 도 6에 점선으로 나타난 E_결합 크기 곡선은 디지털 결합된 솔루션에 대한 전기장의 크기를 나타낸다. 좌표에 보여지는 바와 같이, 디지털 결합 솔루션은 15°의 소정 상하각뿐 아니라 상하각 전체 범위에 대해 주요 SNR 이득으로 나타난다.
Ⅴ. 아날로그 결합 솔루션
본 발명의 선택적인 실시예에서, 안테나(420)에 의해 수신된 신호는 처음에 하향변환되기 전에 결합되며, 따라서 단지 하나의 수신기 체인만이 필요하다. 시간 지연은 수신된 신호가 레이크 수신기에 의해 식별될수 있게 최초 결합되기 전에 수신 신호중 하나에 부과된다. 레이크 수신기에 의해 만들어진 두개의 디지털 데이터 신호는 다음으로 디지털 결합 솔루션과 마찬가지로 디지털 최대비 결합기에 의해 결합된다.
도 7에 본 실시예를 실행하기에 적절한 수신기(700)의 회로 블록 다이아그램이 도시되어 있다. 수신기(700)는 지연 유니트(712), 결합기(714), 탐색자 수신기(716), 디지털 수신기(510) 및 디지털 최대비 결합기(520)를 포함한다. 탐색자 수신기(716) 및 디지털 수신기(510)는 레이크 수신기를 형성하며, 이는 1992년 4월 28일 특허된 미국 특허 번호 제 5,109,390 호 "Diversity Receiver In A CDMA Cellular Telephone System"에 개시되어 있으며, 여기에서 상호 참조된다.
결합기(714)는 당업자에 공지된 방식으로 두 수신 신호를 결합한다. 믹서(506)는 상술한 바와 같이 결합된 신호를 하향변환한다. 아날로그 수신기(508)는 상술한 바와 같이 디지털 베이스밴드 신호로 IF 신호를 하향변환한다. 탐색자 수신기(716)는 시간 지연에 기초하여 두 안테나에 의해 수신된 신호를 구변하며 다른 디지털 수신기(510)로 각 신호를 통과시킨다. 디지털 수신기(510)는 상술한 바와 같이 수신 신호를 디스프레드 및 복조한다. 디지털 수신기(510)에 의해 만들어진 디지털 데이터 신호는 합성 출력 신호(530)의 신호 대 잡음비를 최대로 하기 위해 디지털 최대비 결합기(520)에 의해 코히어런트하게 결합된다.
도 8에 두 곡선으로 Ψc에 대한 상하각 대 표준화된 SNR의 좌표가 도시되어 있다: E_단일 크기 및 E_결합크기. E_단일 크기 곡선은 도 8에 점선으로 나타나 있으며 도 3의 E_총크기 곡선과 대응하여 단일-안테나의 경우에 대한 총 수신 전기장의 크기를 나타낸다. E_결합 크기 곡선은 도 6에 직선으로 나타나 있으며 본 발명의 아날로그 결합 솔루션에 대한 전기장의 크기를 나타낸다. 좌표에서와 같이, 아날로그 결합 솔루션은 SNR 이득으로 나타난다.
아날로그 결합의 일 실시예의 선택적인 실행에서, 수신 신호는 도 9에 도시된 바와 같이 하향변환된 후 지연 및 결합될 수 있다. 이는 지연 유니트(912) 및 결합기(714)가 높은 통신 신호 RF 주파수보다는 중간 주파수에서 실행되게 한다. 때문에 상기 엘리멘트는 보다 쉽게 제작되며 이는 비용면에서 상당히 감소된다. 당업자에 공지된 바와 같이, 다른 실시예가 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않고 실시될 수 있다.
Ⅵ. 기타 애플리케이션
본 발명의 애플리케이션은 스펙큘러 반사의 영향을 완화시키는데 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예는 이하 설명되는 바와 같이 적어도 두개의 선택적인 애플리케이션에 적합하다.
일 실시예에서, 본 발명은 이동 사용자 터미널(106B)와 마찬가지로 차량에 장착된 사용자 터미널에 대한 경로 방해물 및 다중경로 페이딩에 사용된다. 휴대용 및 이동 사용자 터미널은 때로 건물과 나무잎 때문에 경로 방해물을 만날 수 있다. 상기 방해물은 사용자 터미널이 이동중일 때 시간에 따라 변하기 시작한다. 유사하게, 다중경로 신호가 건물과 나무잎으로부터 발생되는 경우가 있을 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 수신 안테나는 작거나 얇은 방해물로 인해 차단 영역이 모든 안테나를 동시에 둘러싸지 못하도록 차량에 위치한다. 유사하게 모든 안테나에서의 파괴된 다중경로 간섭의 가능성은 단일 안테나에서의 파괴된 다중경로 간섭의 가능성보다 적다.
또 다른 실시예에서, 본 발명의 디지털 결합 솔루션은 다중경로 간섭이 없는 환경에서 비다중경로 신호에 대한 신호 대 잡음비(SNR)를 개선하기 위해 사용된다. 다중경로 신호가 없는 경우에도, 수신기 성능은 다중 안테나와 디지털 결합을 사용하여 개선될 수 있다. 도 5를 다시 참조하면, 만일 안테나(420A,420B)에 의해 수신된 신호가 동일 신호라면, 출력 신호(530)의 SNR은 단일 안테나의 경우에 두배이다. 이 원칙은 당업자에 공지된 바와 같이 보다 많은 안테나 엘리멘트로 확장될 수 있다.
Ⅶ. 결론
본 발명의 다양한 실시예가 이상에서 설명되었지만, 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는다면 다양한 변용을 할 수 있다. 그러므로 본 발명은 상술한 일 실시예에 제한되지 않으며 다음의 청구항에 따라서만 한정될 수 있다.

Claims (15)

  1. 제 1 직진 전파 경로와 제 1 스펙큘러 전파 경로를 따르는 위성 통신 신호를 수신하는 제 1 안테나;
    제 2 직진 전파 경로와 제 2 스펙큘러 전파 경로를 따르는 상기 위성 통신 신호를 수신하는 소정의 거리만큼 떨어져 상기 제 1 안테나와 치환된 제 2 안테나; 및
    최종 결합된 신호의 신호 대 잡음비를 최대로 하기 위해 상기 제 1 및 제 2 안테나에 의해 수신된 상기 신호를 결합하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 위성 통신 시스템의 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 결합 수단은 결합 이전에 상기 신호의 신호 대 잡음비를 기초로 각 신호를 가중시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    출력 포트와 상기 제 2 안테나에 전기적으로 결합된 입력 포트를 가진 신호 지연 유니트;
    상기 제 1 안테나에 전기적으로 결합된 상기 입력 포트의 제 1 입력 포트와 상기 신호 지연 유니트의 상기 출력 포트에 전기적으로 결합된 상기 입력 포트의 제 2 입력 포트를 가진 아날로그 결합기; 및
    상기 신호 지연 유니트에 부과된 시간 지연을 기초로 상기 제 2 안테나에 의해 수신된 상기 신호와 상기 제 1 안테나에 의해 수신된 상기 신호를 식별하기 위해 상기 아날로그 결합기의 상기 출력 포트에 전기적으로 결합된 탐색자 수신기 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 통신 신호는 코드 분할 확산 스펙트럼 타입의 신호이며 상기 시간 지연은 원 칩 시간보다 크도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수신기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 아날로그 결합기와 상기 탐색자 수신기 수단 사이에서 전기적으로 결합된 아날로그 수신기 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 아날로그 수신기 수단, 상기 탐색자 수신기 수단, 및 상기 결합 수단에 전기적으로 결합된 디지털 수신기 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 안테나는 상기 제 1 안테나로부터 수직으로 치환되는 것을 특징으로 하는 수신기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 소정의 거리는 소정의 상하각에 대한 상기 신호의 직진 및 스펙큘러 성분 사이의 간섭을 최소로 하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 수신기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 소정 상하각은 대략 15°인 것을 특징으로 하는 수신기.
  10. 위성 통신 시스템의 스펙큘러 반사를 완화시키기 위해 다중 안테나를 사용하는 방법에 있어서,
    제 1 안테나에서 제 1 직진 전파 경로와 제 1 스펙큘러 전파 경로를 따르는 위성 통신 신호를 수신하는 단계;
    소정의 거리만큼 상기 제 1 안테나와 치환된 상기 제 2 안테나에서 제 2 직진 전파 경로와 제 2 스펙큘러 전파 경로를 따르는 상기 위성 통신 신호를 수신하는 단계; 및
    최종 결합된 신호의 신호 대 잡음비를 최대로 하기 위해 상기 제 1 및 제 2 안테나에 의해 수신된 상기 신호를 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 결합 단계는 결합 이전에 상기 신호의 신호 대 잡음비를 기초로 각 신호를 가중시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    소정의 시간 지연만큼 상기 제 2 안테나에서 수신된 상기 신호를 지연시키는 단계;
    상기 지연된 신호와 상기 제 1 안테나에서 수신된 상기 신호를 결합하는 단계; 및
    상기 소정의 시간 지연을 기초로 상기 제 2 안테나에 의해 수신된 상기 신호와 상기 제 1 안테나에 의해 수신된 상기 신호를 식별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 안테나로부터 수직으로 상기 제 2 안테나를 치환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 소정의 상하각에 대한 상기 신호의 직진 및 스펙큘러 성분 사이의 간섭을 최소로 하기위해 상기 소정의 거리를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 소정의 상하각은 대략 15°인 것을 특징으로 하는 방법.
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