KR20010067033A

KR20010067033A - 이동통신용 광대역무선중계장치

Info

Publication number: KR20010067033A
Application number: KR1020000085725A
Authority: KR
Inventors: 김주완; 이종현
Original assignee: 김주완; 케이엠텔레콤 주식회사
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2001-07-12
Also published as: KR20010110401A; KR100354173B1

Abstract

본 발명에 따른 광대역이동통신 무선중계장치는 중계기의 출력에서 입력 안테나로 간섭하는 현상을 제거하기 위한 것으로서, 수신되는 이동통신망 기지국으로부터 도래되는 전파와 송신안테나로부터 궤환되는 간섭신호를 함께 수신하는 수신용배열안테나와, 상기 수신용배열안테나에서 출력되는 신호를 복조하여 공간신호처리기가 요구하는 신호로 변환시키는 다채널수신기와, 상기 다채널수신기에서 출력되는 신호를 디지털신호로 바꾸어 공간신호처리를 하여 간섭신호를 억제시킨 후 다시 아날로그신호로 바꾸어 출력하는 공간신호처리기와, 상기 공간신호처리기에서 출력되는 간섭이 신호를 변조하고 증폭하여 송신안테나로 보내는 신호변조증폭기와, 상기 신호변조증폭기의 출력을 받아서 전파음영지역으로 송신하는 전파를 송신하는 송신안테나를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 방법은 광대역이동통신 무선중계장치에서 공간신호처리기에서 각 채널로 들어온 신호들을 디지털신호로 변환시킨 후 신호처리 알고리듬으로 간섭신호를 저감시키는 방법으로서, 여러 가지의 공간신호처리알고리듬들을 구동시켜 입력되는 신호를 처리하고, 각각의 공간신호처리알고리듬이 출력하는 신호를 비교하여 신호 대 간섭비 및 신호의 모임정도가 가장 양호한 신호를 발생하는 공간신호처리알고리듬이 가장 성능이 우수한 알고리듬으로 자동적으로 선정되어 동작되게 하는 간섭신호 저감 방법이다.

Description

이동통신용 광대역무선중계장치{Broadband Wireless Repeater for Mobile Communication}

본 발명은 이동통신시스템에서 수신된 주파수와 동일한 주파수로 중계하는 이동통신용 광대역무선중계장치에 관한 것이다.

일반적으로 이동통신시스템에서 전파의 음영지역을 해소하기 위하여 중계장치가 이용된다. 중계장치는 미약한 전파를 수신하여 증폭한 후, 증폭된 신호를 다시 송신하는 기능을 수행하며, 이를 위해 별도의 수신안테나와 송신안테나가 필요하다. 이와 같은 중계장치를 통해 동일 주파수로 송신할 때, 강한 송신신호가 수신안테나로 인가되면 미약한 원래의 수신신호와 합쳐짐으로 인해 중계기가 제대로 동작하지 못하게 된다. 즉, 수신안테나를 통해 들어오는 신호들 중에서 송신신호에 의한 간섭신호를 제거하는 것은 중계장치에서 반드시 해결해야할 중요한 문제이다.

종래에는 중계장치에서 이를 달성하는데 있어서, 하나의 방법으로는 송수신안테나들 간에 일정 거리(수직이격거리 약 10m 또는 수평이격거리 약 100m)를 유지시키거나, 송수신안테나들 사이에 존재하는 지형이나 지물을 이용함으로써 송신신호를 감소시켜 궤환 간섭을 억제하는 방법이 있었다. 그러나, 이와 같은 종래의 중계장치 구성은 궤환 간섭 현상이 최소화되도록 송수신 안테나들을 설치하는데 필요한 안테나 철탑 비용이 과다하게 소요되며, 철탑 구조물이 거대해짐으로 인해 적용환경이 제한되어 실제로 사용하는데 매우 어려운 문제가 있다.

또 다른 방법으로는 송수신 안테나를 가까이 거치 시키고, 수신안테나로 수신되는 궤환 간섭신호를 제거하는 간섭제거회로를 중계기 내부에 설치하여 간섭신호를 억제시킴으로써 중계가 가능한 중계장치를 구현할 수 있다. 현재의 간섭제거회로를 구현하는 기술은 시간영역 신호처리 간섭제거기술인데, 이는 이미 실용화되어 국내외(국내 에스케이텔레콤 무선호출 망용 중계기에서 사용됨(특1999-008893), 미국 ANC사 및 독일 MIKOM사 등) 에서 사용되고 있다. 그러나, 이 기술은 협대역 특성을지니고 있기 때문에, 광대역 특성을 요구하는 CDMA 셀룰라 이동통신망이나 CDMA PCS이동통신망(이상은 소요대역폭이 최소 1.25MHz이상으로 요구됨), B-WLL망(소요대역 8MHz이상 소요됨), 및 향후 IMT-2000서비스 망(소요대역 최소 5MHz 이상 요구)에는 이 기술로 중계기를 구현하는 것은 불가능하다.

따라서, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 간섭제거회로를 구현 시 현재 국내외에서 활발하게 연구되고 있는 스마트안테나 기술의 기반을 이루고 있는 여러 기술 중 공간신호처리기술을 이용하여 간섭제거회로를 개발하여 중계기를 구현함으로써, 광대역이동통신망용 중계장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 광대역이동통신 무선중계장치는 이동통신망 기지국으로부터 도래되는 전파와 송신안테나로부터 궤환되는 간섭신호를 함께 수신하는 수신용배열안테나와, 상기 수신용배열안테나에서 출력되는 신호를 복조하여 공간신호처리기가 요구하는 신호로 변환시키는 다채널수신기와, 상기 다체널수신기에서 출력되는 신호를 디지털신호로 바꾸어 공간신호처리를 하여 간섭신호를 억제시킨 후 다시 아날로그신호로 바꾸어 출력하는 공간신호처리기와, 상기 공간신호처리기에서 출력되는 간섭이 신호를 변조하고 증폭하여 송신안테나로 보내는 신호변조증폭기와, 상기 신호변조증폭기의 출력을 받아서 전파음영지역으로 송신하는 전파를 송신하는 송신안테나를 포함하여 이루어진다.

도 1은 본 발명에 따른 중계장치의 순방향링크 구성도

도 2는 본 발명을 설명하기 위한 원래의 신호 파형

도 3은 본 발명을 설명하기 위한 신호와 간섭이 합친 파형

도 4는 본 발명을 설명하기 위한 안테나 원래 패턴과 공간신호처리 후의 안테나 패턴

도 5는 본 발명을 설명하기 위한 재생된 신호의 모임정도

도 6은 본 발명을 설명하기 위한 재생된 신호 파형

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

101 : 수신용배열안테나, 102 : 다채널수신기, 103 : 공간신호처리기

104 : 신호변조증폭기, 105 : 송신안테나

본 발명의 구성은 수신용배열안테나, 다채널수신기, 공간신호처리기, 신호변조증폭기 및 송신안테나로 구성된다.

수신용배열안테나는 이동통신망 기지국으로부터 도래되는 미약한 전파와 송신안테나로부터 궤환되는 간섭신호를 수신하여 다채널수신기로 인가시키는 것이다.

다채널수신기는 배열안테나에서 들어오는 신호를 복조하여 공간신호처리기가 요구하는 신호로 변환시킨다. 공간신호처리기는 들어오는 신호를 디지털신호로 바꾸어 공간신호처리를 하여 간섭신호를 억제시킨 후 다시 아날로그신호로 바꾸어 준다.

신호변조증폭기는 간섭이 억제된 신호를 변조하고 증폭하여 송신안테나로 보낸다.

송신안테나는 이를 전파음영지역으로 송신하게 된다.

여기까지는 기지국으로부터 전파음영지역으로 신호를 보낼 때(순방향링크) 중계장치의 동작 순서를 말하는데, 역으로 전파음영지역에서 기지국으로 신호를 보내는 경우(역방향링크)도 생각해야 한다. 이 경우에도 순방향링크와 동일한 장치가 필요하게 된다. 즉, 한 대의 중계기 내부에 같은 장치가 두 대가 필요하다. 그러나, 본 발명에서는 역방향링크에서의 장치는 순방향링크에서의 장치와 동작원리가 같으므로 순방향링크에서의 동작 원리만을 설명하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 중계장치의 순방향링크에서의 전체 구성도이다. 도 1에서 101은 수신용배열안테나, 102는 다채널수신기, 103은 공간신호처리기, 104는 신호변조증폭기, 그리고 105는 송신안테나를 각각 나타낸다.

도1에서 101과 105는 일정거리(수직으로 약 2~4m)정도 이격시켜 위치시킨다. 이때, 송신안테나에서 나와 수신용배열안테나로 궤환되는 간섭신호는 공간적으로 약 70dB 정도 감쇄되게 된다. 그러나, 이 정도의 감쇠로는 높은 송신 출력이 요구될 경우 수신신호로부터 간섭신호를 충분히 제거할 수가 없기 때문에, 공간영역 신호처리 간섭제거기술을 이용하여 약 30dB 정도로 간섭을 제거시키게 되면 전체적으로 약 100dB 간섭을 억제할 수가 있어 광대역중계기의 구현이 가능하게 된다. 본 발명자는 이러한 공간영역 신호처리 간섭제거기술을 개발한 것이다.

도 1에서 강한 송신신호는 전파음영지역으로 송신안테나를 통하여 송출되게 되는데, 이때 수신용배열안테나로 일부의 신호는 궤환되어 기지국에서 오는 약한 신호와 합쳐져 수신되게 된다.

수신용배열안테나 내부에는 안테나 소자들이 여러 개 배열되어 있는데, 이들 각각 소자들을 통하여 미약한 원래신호와 큰 간섭신호가 인가되게 된다. 이 신호들은 다채널수신기로 입력되는데(각 안테나 소자 1개에 수신채널 1개가 연결됨) 각 채널로 들어온 신호들은 적절히 증폭되고 복조되어 공간신호처리기로 인가되게 된다.

공간신호처리기는 각 채널로 들어온 신호들을 디지털신호로 변환시킨 후 신호처리알고리듬을 구동시켜 안테나 사이드로브 영역으로 들어오는 간섭신호를 제거시킨다. 이때 사용되는 알고리듬은 수없이 많이 있는데 대별하면 난블라인드 빔포밍 알고리듬(Non-Blind Beam-Forming Algorithm, 이후는 NBBF라 칭함)과 블라인드 빔포밍 알고리듬(Blind Beam-Forming Algorithm, 이후는 BBF라 칭함)으로 나눌 수 있다.

NBBF는 간섭이 들어오는 방향(DOA, Direction Of Arrival)을 추정하여 그 방향으로 안테나 패턴에 Null을 형성시킴으로써 간섭신호를 제거하는 방법이다. 여기서 DOA를 정확하게 추정하는 것이 가장 중요한데 이를 추정하는 방법은 배열 안테나 내의 소자들의 배열 상태에 따라 여러 가지의 알고리듬들이 존재한다. 중계기에 사용할 배열 안테나는 선형균질배열(Linear uniform array) 구조를 채택하고 있으므로, 선형성을 이용하여 비교적 간단하고 정밀도가 높은 알고리듬을 사용할 수 있다. 추정 알고리듬에는 대개 수신된 신호의 주파수 또는 위상 지연에 따른 스펙트럼을 관찰하여 DOA를 추정하는 방법과 신호를 적당한 모델로 가정하여 그 모델에 가장 적합한 파라미터를 추정하여 DOA를 찾아내는 방법이 있다. 스펙트럼을 이용한 대표적인 알고리듬으로는 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)이 있는데 이는 신호와 잡음이 서로 직교한다는 사실을 이용하는 방식이다. 이 방법은 신호와 잡음이 서로 성질이 같을 때는 성능이 저하된다. 파라미터 추정을 통하여 DOA를 추정하는 방식으로는 Root-MUSIC 및 ESPRIT방식이 있다. 이 방식들은 어레이의 선형성과 Shift Invariant하다는 성질을 이용한 것으로 스펙트럼 방식의 단점이 보완되어, 신호와 잡음의 성질이 서로 같을 때에도 적용 가능하다.

이 같은 방법들을 통해 원하는 신호의 방향과 간섭신호의 방향이 추정되면 적절한 제약조건 즉 원하는 신호의 방향에서 들어오는 신호는 받아들이고 간섭신호의 방향에서 들어오는 신호는 제거하는 제약조건(Constraint)을 이용한 최소분산방법(Minimum Variance Method)을 이용하면 최적의 가중벡터(Weighting Vector)를 구할 수 있게 된다. 이렇게 얻어진 가중벡터가 바로 NBBF알고리듬을 통해 얻어진 가중벡터이다.

BBF는 DOA를 추정하지 않고 안테나 패턴을 조정하여 간섭이 들어오는 방향으로 Null을 주는 방법이다. 실제 안테나 내부의 어레이 소자들은 크기와 위상이 비선형 특성을 가지게 되므로 이러한 경우 이상적인 모델을 설정하여 정확하게 DOA를 추정하는 것은 매우 어려운 일이며 특히 후엽(Backlobe)에서의 추정한 값은 신뢰하는데 무리가 있다. 이러한 경우 간섭신호의 방향으로 Null을 주기 위해서는 원하는 신호의 방향만 알고 있다는 제약조건 만으로 최소분산방법을 사용하여 가중벡터를 구할 수 있다. 이 때 단순히 들어온 신호만으로 가중벡터를 구하면 신호와 간섭의 성질이 같을 경우는 신호가 제거되는 현상이 일어나게 되는데 이러한 현상을 없애기 위하여 Spatial Smoothing기술을 이용한다. 이 기술은 먼저 어레이를 부어레이(Sub-Array)들로 나누고 각 부어레이로 부터 수신된 데이터를 받아서 전방 또는 후방 평균(Forward or/and Backward Smoothing)을 취하는 것으로 실제 어레이의 유효면적(Effective Aperture)이 줄어드는 단점이 있으나 성질이 같은 신호와 잡음을 따로 검출할 수 있는 방법이다. 필요한 부어레이의 개수는 성질이 같은 신호들의 수에 따라 결정되어 지는데, 최적의 부어레이 수는 빔포머(Beam-Former)의 출력값을 보고 결정한다. 이러한 기술 영역의 알고리듬들은 일정한 데이터를 축적하여 이들의 통계적인 특성과 알고 있는 신호의 방향을 이용하여 가중벡터를 구할 수 있는 방법들이다. 그러므로, 주변환경이 변할 경우는 가중벡터가 적응하지 못하는 경우가 생기므로 이를 보완하기 위한 적응 알고리듬이 필요하다. 이를 위해 본 발명에서는 GSC (Generalized Sidelobe Canceller) 기반의 알고리듬을 구현하였는데, GSC 기반의 알고리듬은 원하는 신호는 가능하면 모두 통과시키고 간섭신호는 최소화하는 방법이다. 가중벡터는 오차최소평균자승법(Least Mean Square Error Method)을 사용하여 매 데이터가 들어올 때마다 새로운 가중벡터를 계산한다.

이들 알고리듬에 의해 간섭신호의 세기가 억제된 신호는 다시 아날로그 신호로 변환되어 신호변조증폭기에 인가된다. 그러면, 신호변조증폭기는 신호를 변조하고 적절한 세기로 증폭하여 송신안테나를 통해 전파를 송출한다.

여기서 효과적인 공간신호처리 알고리듬은 중계장비의 종류 및 같은 종류의 중계장비라도 장비가 설치되는 환경에 따라서 달라진다.

본 발명은 기존의 셀룰라 서비스와 PCS서비스, B-WLL서비스, 및 향후의 IMT-2000서비스에 사용될 수 있는 옥외형 중계장비에 사용될 수 있는 발명이며, 설치되는 환경이 송신안테나와 수신용배열안테나가 서로 수직 방향으로 배치될 경우인데, 이 경우 송신안테나에서 수신용배열안테나로 들어오는 간섭신호는 수신용배열안테나 패턴의 사이드로브 영역으로 인가되게 된다. 이 때 주변의 환경이 다양하기 때문에 수많은 공간신호처리 알고리듬 중에서 한가지만을 채택하여 사용한다는 것은 매우 위험한 일이다. 본 발명은 공간신호처리기내에 엄선된 몇 가지의 공간신호처리 알고리듬들을 내장시키고, 중계장비 설치 시에 내장된 알고리듬들을 모두 수행시켜 그중 가장 우수한 성능을 내는 알고리듬을 자동으로 선택하여 동작하게 한다. 그리고, 장비 동작 중에도 수시로 이 과정을 수행하여 신호 대 간섭비 및 신호의 모임정도(Constellation)를 최적화하게 하는 내용이다.

본 발명에서 선택된 알고리듬들과 각 알고리듬 별 가중벡터를 계산하는 방법은 다음과 같다.

1. NBBF

- 선택된 알고리듬: MUSIC, Root-MUSIC 및 ESPRIT

- 가중벡터를 계산하는 방법: 상기의 알고리듬을 구동하여 DOA를 추정하고 원하는 신호의 방향에서 오는 신호는 통과시키고 간섭신호의 방향에서 오는 신호는 제거하는 제약 조건하에서 최소분산방법으로 가중벡터를 계산.

2. BBF

가. 선택된 블록신호처리(Block Signal Processing) 알고리듬

A. Beam Forming Algorithm with Full Array Element using Forward and Backward Smoothing (전체 어레이를 전방과 후방으로 평균하는 빔포밍 알고리듬)

B. Beam Forming Algorithm with Reduced Array Element using Forward Smoothing(전체 어레이를 몇 개의 부어레이로 나누고 각 부어레이들을 전방으로 평균하는 빔포밍 알고리듬)

C. Beam Forming Algorithm with Reduced Array Element usingForward and Backward Smoothing(전체 어레이를 몇 개의 부어레이로 나누고 각 부어레이들을 전방과 후방으로 평균하는 빔포밍 알고리듬)

*. 블록프로세싱알고리듬 구동시 가중벡터를 계산하는 방법: 상기의 알고리듬들을 구동시킬 때 원하는 신호의 방향만 안다는 제약 조건하에서 최소분산방법으로 가중벡터를 계산.

나. 선택된 적응신호처리(Adaptive Signal Processing) 알고리듬

상기 가 항의 A, B 및 C 알고리듬들을 각각 GSC(Generalized Sidelobe Canceller)기반으로 적응신호처리 알고리듬들을 구현함. 이 때 가중벡터는 오차최소평균자승법을 사용하여 매 데이터가 들어올 때마다 새로운 가중벡터를 계산.

위에 나타난 알고리듬들을 실행시켜 그중 가장 우수한 성능을 내는 알고리듬을 자동으로 선택하는 방법은 다음과 같다. 각 알고리듬에 의해 계산된 결과는 신호 대 간섭의 개선도와 신호의 모임정도로 나타나는데, 신호 대 간섭의 개선도와 신호의 모임정도가 동시에 어느 일정 레벨 이상인 알고리듬을 선택하여 장비를 구동한다.

한 예를 들어 간섭이 제거되는 과정을 설명한다. 원하는 신호는 0^o방향에서 들어오고(도 2. 원래의 신호 파형), 간섭신호는 그 세기가 원하는 신호의 약 1000배정도 더 큰 세기로 -100^o영역에서 인가될 경우에(도 3. 신호와 간섭이 합친 파형), BBF알고리듬 중 Beam Forming Algorithm with Full Array Element using Forward and Backward Smoothing (전체 어레이를 전방과 후방으로 평균하는 빔포밍 알고리듬)을이용한 공간신호처리 알고리듬을 구동시키면 도4와 같이 수신용배열안테나의 패턴이 달라지게 된다. 도 4는 안테나 원래 패턴(그림에서 점선으로 표시됨)과 공간신호처리 알고리듬이 동작한 후의 안테나 빔 패턴(그림에서 실선으로 표시됨)을 보여 준다. 도 4에서 -100^o부근 영역에서 안테나 패턴에 Null이 형성되면서 간섭신호가 제거됨을 알 수가 있다. 이때의 신호 모임정도는 도 5에 나타난다.

결국, 도 6에서 보는 것처럼 원래의 신호가 재생되게 된다. 공간영역 신호처리 기술은 결국 간섭이 들어오는 방향으로 안테나의 패턴에 Null을 형성시켜 간섭을 제거시키기 때문에 시간영역 신호처리 기술에 비해 광대역 간섭제거기의 구현이 가능해 진다.

이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에겐 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 치환 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시 예 및 도면에 한정하는 것은 아니다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 송신안테나와 수신용배열안테나를 수직방향으로 일정 거리(2~4m)만큼 분리시키고, 수신용배열안테나로 수신되는 원래 신호와 간섭신호를 공간영역신호처리를 통하여 간섭신호를 억압시킴으로써 미약한 원래신호를 증폭시켜 중계할 수 있는 효과가 있다. 이 경우 예전의 시간영역신호처리에 비하여 신호의 처리대역폭이 훨씬 넓어짐으로써 광대역이동통신망용 중계기의 구현이 가능해진다. 결국, 종래의 중계장치에서 요구되는 과도한 안테나 철탑비용을 절감할 수 있어, 광대역이동통신망(셀룰라망, PCS망, Broadband-WLL망, 및 IMT-2000망)의설치 및 운용시 획기적인 경비 절감 효과가 있다.

Claims

수신된 신호를 증폭하여 동일 주파수로 중계하는 광대역이동통신 무선중계장치에 있어서,

이동통신망 기지국으로부터 도래되는 전파와 송신안테나로부터 궤환되는 간섭신호를 함께 수신하는 수신용배열안테나와,

상기 수신용배열안테나에서 출력되는 신호를 복조하여 공간신호처리기가 요구하는 신호로 변환시키는 다채널수신기와,

상기 다채널수신기에서 출력되는 신호를 디지털신호로 바꾸어 공간신호처리를 하여 간섭신호를 억제시킨 후 다시 아날로그신호로 바꾸어 출력하는 공간신호처리기와,

상기 공간신호처리기에서 출력되는 간섭이 신호를 변조하고 증폭하여 송신안테나로 보내는 신호변조증폭기와,

상기 신호변조증폭기의 출력을 받아서 전파음영지역으로 송신하는 전파를 송신하는 송신안테나를 포함하여 이루어지는 광대역이동통신 무선중계장치
수신된 신호를 증폭하여 동일 주파수로 중계하기 위하여 수신용배열안테나, 다채널수신기, 공간신호처리기, 신호변조증폭기, 및 송신안테나를 가진 광대역이동통신 무선중계장치에서 공간신호처리기에서 각 채널로 들어온 신호들을 디지털신호로 변환시킨 후 신호처리 알고리듬으로 간섭신호를 저감시키는 방법에 있어서,

여러 가지의 공간신호처리알고리듬들을 구동시켜 입력되는 신호를 처리하고,

각각의 공간신호처리알고리듬이 출력하는 신호를 비교하여 신호 대 간섭비 및 신호의 모임정도가 가장 우수한 공간신호처리알고리듬을 선택하여 동작하는 것이 특징인 광대역이동통신 무선중계장치에 있어서의 간섭신호 저감 방법