KR20010110401A - 빔 형성 기술을 이용한 이동통신용 광대역무선중계장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빔 형성 기술을 이용한 이동통신용 광대역무선중계장치로서, 미약한 원래신호와 송신안테나를 통하여 인가되는 강한 간섭신호를 공간적으로 수신하는 수신용배열안테나; 배열안테나의 각 소자로부터 나오는 신호들을 신호처리 입력 단까지 채널간 균형을 맞추어 전송하는 다채널수신기; 다채널수신기로부터 인가된 신호 내에 포함된 간섭신호를 제거하는 공간신호처리기; 공간신호처리기로부터 출력된 신호를 변조하고 증폭하여 송신안테나로 보내는 신호변조증폭기; 그리고, 송신안테나를 포함하여 구성된다. 수신용배열안테나에 수신되는 신호의 크기와 위상 왜곡이 있을 경우에도 제안된 고속의 신호 처리 방식을 통하여 간섭신호를 억압시킴으로써 미약한 원래신호를 효율적으로 증폭시킬 수 있는 효과가 있어, 각종 오차에 내성이 강한 신뢰성 있는 광대역 무선중계기의 구현이 가능하여 진다.

Description

빔 형성 기술을 이용한 이동통신용 광대역무선중계장치{Broadband-wireless repeater apparatus for mobile communication using a beam form technique}

본 발명은 이동통신시스템에서 수신된 주파수와 동일한 주파수로 중계하는 중계장치에 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, 송신안테나를 통하여 송출되는 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 해결해야 할 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 간섭제거기술(일본 특허 특개평9-36764)인데, 이는 이미 실용화되어 국내외에서 사용되고 있다. 그러나, 이 기술은 협대역 특성을 지니고 있기 때문에, 광대역 특성을 요구하는 셀룰라 이동통신망이나 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 기지국에 적용하기 위하여 활발하게 연구되고 있는 스마트안테나 기술의 기반인 시간-공간 신호처리기술 중에서 공간신호처리기술을 이용하여 광대역간섭제거회로를 개발함으로써, 광대역이동통신망용 중계장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 실현시키기 위한 본 발명은, 이동통신기지국으로부터 도래되는 신호와 무선중계장치의 송신안테나로부터 궤환되는 간섭신호를 함께 수신하는 수신용배열안테나와; 상기 수신용배열안테나에서 출력되는 신호들을 각각 기저대역의 신호로 만드는 다채널수신기와; 상기 다채널수신기에서 출력되는 신호들을 공간신호처리하여 간섭을 제거시키는 공간신호처리기와; 상기 공간신호처리기에서 출력되는 신호를 원래의 주파수로 변조하고 증폭하는 신호변조증폭기와; 상기 신호변조증폭기의 출력을 받아서 전파음영지역으로 송신하는 송신안테나를 포함한다.

또한 광대역 무선신호를 배열안테나로 수신하고 이를 증폭하여 전파음영지역으로 송신할 때 원하는 신호에서 간섭신호를 제거하는 본 발명의 방법은, 배열 안테나를 추출하고자 하는 신호가 들어오는 방향을 바라보게 하여 그 방향의 성분만을 추출하는 신호성분 추출단계와; 상기 추출하고자 하는 신호의 방향 성분이외의 방향으로 들어오는 간섭 및 잡음신호 성분을 추출하는 간섭 및 잡음신호 추출단계와; 상기 간섭 및 잡음신호 추출과정으로 추출된 간섭 및 잡음신호를 이용하여 상기 신호성분 추출과정으로 추출된 신호 성분에서 간섭 및 잡음신호를 감산하는 간섭 및 잡음신호 제거단계를 포함한다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 중계장치 전체 형상도

도 2은 본 발명에 따른 중계장치(순방향링크) 전체 구성도.

도 3는 본 발명에 따른 전체 알고리즘의 구성도.

도 4은 본 발명에 따른 전체 알고리즘과 관련된 하드웨어 구성도.

도 5는 본 발명에 따른 전체 알고리즘의 순서도.

도 6는 본 발명을 설명하기 위한 원래의 신호 파형도.

도 7은 본 발명을 설명하기 위한 신호와 간섭이 합친 파형도.

도 8은 본 발명을 설명하기 위한 안테나 원래 패턴과 투사 행렬을 이용한 공간신호처리 후의 안테나 패턴도.

도 9는 본 발명을 설명하기 위한 재생된 신호 파형도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

[도 2]

201 : 수신용배열안테나

202 : 다채널수신기

203 : 공간신호처리기

204 : 신호변조증폭기

205 : 송신안테나

[도 3]

301 : 선형제약 조건 벡터 302 : 직교행렬

303 : 투사행렬 304 : 빔형성 벡터

305 : 신호처리부

본 발명의 구성은 수신용배열안테나, 다채널수신기, 공간신호처리기, 신호변조증폭기 및 송신안테나로 구성된다. 수신용배열안테나는 이동통신망 기지국으로부터 도래되는 미약한 전파와 송신안테나로부터 궤환되는 간섭신호를 수신하여 다채널수신기로 인가시키며, 다채널수신기는 배열안테나에서 들어오는 신호를 복조하여 기저대역의 신호로 변환시켜 공간신호처리기로 보낸다. 공간신호처리기는 들어오는 신호를 아날로그-디지털 변환기 (Analog to Digital Converter, 이하ADC라 약칭)를 통해 디지털신호로 바꾸고, 공간신호처리를 하여 간섭신호를 억제시킨 후 다시 디지털-아날로그 변환기 (Digital to Analog Converter, 이하 DAC라 약칭)를 통해 아날로그신호로 바꾸어 신호변조증폭기로 보낸다. 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 발명의 전체 개념을 설명하기 위한 중계장치 전체 형상도 이다. 중계장치는 기지국과 음영지역 사이에 설치된다. 기존의 RF중계기에서는 수신안테나와 송신안테나가 일정거리(서로 수직 방향으로 10m 이상)정도 이격되어 설치된다. 그리고, 기존 RF중계기의 수신안테나 급전선은 1개 이다. 본 발명에서는 여러 개의 급전선이 있는 배열안테나를 수신안테나로 사용하며, 수신안테나와 송신안테나를 일정거리(서로 2 ~4m정도) 만큼 이격시켜 설치된다. 기지국에서 송신된 신호는 중계기까지 진행하면서 그 신호의 세기가 약해지게 된다. 중계기는 이 신호를 크게 증폭하여 순방향 송신안테나를 통하여 전파음영지역으로 송신하게 된다. 이때, 송신안테나에서 송출되는 신호의 일부는 순방향 수신용안테나로 궤환이 되게 된다. 즉, 원하는 신호는 수신안테나의 개구면 방향 (안테나의 주엽 방향, 통상 0^O방향)으로 들어오는데 반해, 궤환되는 간섭신호는 수직방향 (안테나의 부엽 영역, 통상 90^O~ 140^O방향)으로 들어 오게 된다. 간섭신호의 크기는 송신과 수신안테나 사이가 가까울수록 크게 들어 오게 된다. 두 안테나 사이의 거리가 2 ~ 4m정도에서는 간섭신호가 원하는 원래의 신호보다 훨씬 크기 때문에 이를 제거해 주는 어떤 기술이 구현되어야 함을 알 수 있다. 역방향도 마찬가지 이다.

도 1에서 순방향 수신용배열안테나 함체(101)와 순방향송신안테나(103) 간의 이격 거리를 2 ~ 4m 정도로 이격시킨다. 순방향 수신용배열안테나 함체는 도 2에서 나타낸 수신용배열안테나(201)와 이 안테나 뒷면에 다채널수신기(202) 및 공간신호처리기(203)가 일체화되어 구성된다. 이는 RF케이블 손실을 줄이고, 신호변조증폭기 함체(102)까지 한 개의 케이블을 통해 신호를 보낼 수 있는 장점이 있다. 역방향도 마찬가지 이다. 신호변조증폭기 함체(102) 내부에는 신호변조증폭기와 전원공급기 등이 내장되어 있다.

도 2은 본 발명에 따른 중계장치의 순방향링크에서의 전체 구성도 이다. 도 2에서 201은 수신용배열안테나, 202는 다채널수신기, 203은 공간신호처리기, 204는 신호변조증폭기, 그리고 205는 송신안테나를 각각 나타낸다. 도2에서 수신용배열안테나(201)과 송신안테나(205)는 일정거리(수직으로 약 2~4m)정도 이격시켜 위치시킨다. 이때, 송신안테나(205)에서 나와 수신용배열안테나(201)로 궤환되는 간섭신호는 공간적으로 약 70dB 정도 감소되게 된다. 그러나, 이 정도의 감소량으로는 송신 출력이 클 경우는 이것이 수신용배열안테나(201)로 강하게 들어와 원하는 원래의 신호보다 간섭신호가 더 커지게 된다. 만약 이 간섭신호를 제거하지 않는다면 중계기는 발진을 하게 된다. 이 간섭을 제거하기 위하여 공간영역 간섭제거기술이 사용하게 되는데, 공간영역 간섭제거기술을 구현하기 위해서는 수신용배열안테나(201), 다채널수신기(202) 및 공간신호처리기(203)이 필요하다. 이 기술을 이용하여 약30dB 이상으로 간섭을 제거시키게 되면 전체적으로 약 100dB 이상으로 간섭을 억제할 수가 있어 광대역중계기의 구현이 가능하다. 공간영역 신호처리 기술은 시간영역 신호처리 기술에 비하여 원초적으로 광대역 신호처리가 가능하다. 본 발명은 이러한 공간영역 간섭제거기술을 중심으로 상세히 설명한다.

도 2에서 송신신호는 전파음영지역으로 송신안테나(205)를 통하여 송출되게 되는데, 이때 수신용배열안테나(201)로 일부의 신호는 궤환되어 기지국에서 오는 약한 신호와 합쳐져 수신되게 된다. 수신용배열안테나(201) 내부에는 안테나 소자들이 수직으로 여러 개 배열되어 있는데, 이들 각각 소자들을 통하여 미약한 원래신호와 큰 간섭신호가 인가되게 된다. 수신용배열안테나(201)는 개구면이 기지국을 향하게 설치하므로, 원하는 신호는 수신용배열안테나(201)의 개구면 방향(0^O방향)으로 인가되어 배열안테나에 동위상(Equal-phase)으로 분포되고, 송신과 수신안테나는 서로 수직으로 배치되게 설치하므로 간섭신호는 수직 방향(통상 90^O~ 140^O방향)로 인가되어 배열안테나에 다른 위상으로 분포되게 된다. 이 신호들은 다채널수신기(202)로 입력되는데(안테나 배열 소자 1개에 수신채널 1개씩 각각 연결됨), 각 채널로 들어온 신호들은 적절히 증폭되고 기저대역으로 복조되어 공간신호처리기(203)로 인가되게 된다. 공간신호처리기(203)로 들어온 신호들은 ADC를 통해 디지털신호로 변환되고, 적절한 신호처리 알고리즘을 통하여 간섭신호가 제거된다. 간섭이 제거된 신호는 DAC를 통해 아날로그신호로 변환되어 신호변조증폭기(204)에 인가된다. 이 신호는 신호변조증폭기(204)를 통해 원래의 주파수로 변조되고 크게 증폭되어 송신안테나(205)를 통해 송출되게 된다. 여기서, 중요한 것이 공간신호처리기(203)의 동작 원리인데 이를 자세히 설명한다.

도 3는 본 발명에 따른 전체 알고리즘 구성도이다. 이는 그림 3의 공간신호처리기(203) 내에서 사용되는 알고리즘을 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 알고리즘은 선형 제약 조건을 이용한 빔 형성 알고리즘에 있어서, 선형 제약 조건을 없앤 GSC(Generalized Side-lobe Canceller)구성을 기반으로 하는 빔(Beam) 형성 알고리즘이다.

일반적인 GSC 구성을 기반으로 하는 빔 형성 알고리즘은 수신 신호에서 신호 성분에 해당되는 특정 방향성분을 나타내는 벡터를 통해 간섭신호를 제거하고 추출하고자 하는 특정 방향 성분인 신호 성분만을 추출한다.

이와 같이 추출된 신호 성분은 일반적으로 수신되는 수신 신호의 신호 성분에 추출하고자 하는 신호 성분보다 간섭신호가 매우 큰 경우, 추출하고자 하는 방향 성분을 나타내는 벡터를 통과하여 추출된 신호 성분에 원하는 신호 성분뿐만 아니라 간섭신호도 존재하게 된다.

이러한 신호 성분에 존재하는 간섭신호는 수신되는 수신 신호에서 추출되는 간섭신호와 통계적인 특성이 동일하므로, 추출된 신호 성분에서 간섭신호를 적절히 빼주게 되면 간섭신호가 제거된 원하는 신호 성분만을 얻을 수 있게 된다(Simon Haykin, Allan Steinhardt, "Adaptive Radar Detection and Estimation", New York: Wiley, 1992, 제 4장 pp 181-185 기술문헌 참조).

따라서, 본 발명은 배열 안테나를 추출하고자 하는 신호가 인가되는 방향(0^O방향)을 바라보게 하여 그 방향의 성분만을 추출하는 신호성분 추출단계와, 상기 추출하고자 하는 신호의 방향 성분이외의 방향(90^O~ 140^O)으로 인가되는 간섭 및 잡음신호 성분을 추출하는 간섭 및 잡음신호 추출과정과, 상기 간섭 및 잡음신호 추출과정으로 추출된 간섭 및 잡음신호를 이용하여 상기 신호성분 추출과정으로 추출된 신호 성분에서 간섭 및 잡음신호를 감산하는 간섭 및 잡음신호 제거과정을 포함하여 이루어진다.

이와 같이 이루어진 각 단계를 수행하기 위해 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 수신되는 신호에서 특정 방향성분만을 추출하기 위해 원하는 신호가 인가되는 방향으로 어레이(array)를 전기적으로 설정하는 그 방향 성분을 선형제약 조건 벡터(Wg)로 하여 신호 성분을 추출하는 선형제약 조건 벡터(301)와, 추출하고자 하는 신호 성분 추출을 위해 설정되는 선형제약 조건 벡터(Wg)와 직교하는 행렬을 통해 수신 신호에서 신호 성분 이외의 다른 방향으로 들어오는 간섭 및 잡음 신호를추출하는 직교행렬(Ca)(302)과, 직교행렬(Ca)(302)을 통해 얻어진 간섭 및 잡음 신호를 간섭신호의 성분으로만 구성된 부 공간으로 투사하는 투사행렬(P)(303)과, 투사행렬(P)(303)을 통해 얻어진 빔 형성 벡터(Wa)를 시간에 따라 측정되는 간섭신호와의 오차를 최소화하기 위해 RLS(Recursive Least Square)방식으로 산출하는 빔 형성 벡터(Wa)(304)와, 투사행렬(P)(303)과 빔 형성 벡터(Wa)(304)의 곱으로 추출되는 간섭신호를 제약조건 벡터(Wg)(301)로 추출되는 원 신호에서 감산하는 연산을 수행하는 신호 처리부(305)를 포함하여 구성된다.

신호 처리부(305)는 투사행렬(P)(303)과 빔 형성 벡터(Wa)(304)를 곱하여 얻어지는 투사된 빔 형성 벡터(W)로 추출되는 잡음신호가 제거된 순수한 간섭신호 성분을 선형제약조건 벡터(Wg)(301)로 추출된 신호 성분에서 감산함으로써 간섭 신호가 제거된 원하는 신호만을 얻을 수 있도록 한다.

이러한 본 발명에 따른 구성에 있어서, 직교행렬(Ca)(302)은 추출하고자 하는 신호의 방향 성분인 선형제약조건 벡터(Wg)(301)와 직교(Orthogonal)하는 행렬을 나타낸 것으로, 인가되는 수신 신호에서 신호 성분을 제거하고 간섭신호 및 잡음신호 성분만을 추출한다.

또한, 투사행렬(P)(303)은 간섭 신호의 성분으로만 구성된 부 공간으로 투사하는 행렬을 나타낸 것으로, 직교행렬(Ca)(302)로 추출된 간섭신호 및 잡음신호 성분에서 잡음 성분인 부가 백색 잡음신호 성분을 제거하여 간섭 신호만을 추출한다.

그리고, 빔 형성 벡터(Wa)(304)는 이전의 빔 형성 벡터(Wa)와 신호 성분의 차로 계산되는 오차를 이용하여 얻어지는 벡터와 행렬로 산출되는 것으로, 시간에 따른 신호제약조건 벡터(Wg)(301)를 통과한 신호 성분에서 투사 행렬(P)(303)과 빔 형성 벡터(Wa)(304)의 곱으로 추출된 간섭신호와의 차에 대한 오차를 최소화하여 오차에 강인한 빔 형성 벡터(Wa)를 형성한다.

이러한, 빔 형성 벡터(Wa)(304)는 일정시간동안의 입력 신호를 모아서 처리하는 방법을 이용하여 산출될 수 있는데, 이러한 방법의 경우에는 많은 저장공간과 계산량이 필요하게 되므로 본 발명에서는 적응형(Adaptive) 빔 형성 방법으로 계산한다.

적응형 빔 형성 방법은 매 시간마다 수신되는 신호와 이미 계산된 실제 신호와의 오차를 최소화하는 최소평균 자승법(Least Mean Square)을 기본으로 하여, 비교적 적은 계산량으로 수렴 속도가 빠르다고 알려진 RLS(Recursive Least Square)방식을 이용하여 적응형 빔 형성 벡터를 구한다.

RLS 방식에서의 동작 순서는 매 순간 마다 일정량의 데이터를 입력 받는 단계와, 추출하고자 하는 신호 성분을 위해 설정된 빔 형성 벡터로 매 순간 마다 수신되는 신호에서 신호 성분을 제거하여 그 오차를 계산하는 단계와, 계산된 오차를 이용하여 새로운 이득 벡터와 오차 행렬을 구하는 단계와, 얻어진 이득 벡터와 오차 행렬을 이용하여 새로운 빔 형성 벡터를 구하는 단계로 이루어져 있다(Simon Haykin, "Adaptive Filter Theory 3rd. Edition", New Jersey: Prentice-Hall, 1996. 제 13장 pp 562-588 기술문헌 참조).

이와 같이 이루어진 알고리즘은 도 4에 도시된 바와 같이, 논리 연산을 하는 에프피지에이(FPGA: Field Programmable Gate Array) 칩(401)과, 빔 형성 벡터를 구하는 디지털 신호처리(DSP: Digital Signal Processor) 칩(402)으로 구성된 하드웨어구조로 나타낼 수 있다.

도 5는 본 발명에 따라 GSC 구조를 가지고 RLS 기반으로 된 알고리즘의 전체 처리과정을 나타낸 순서도로, 도시된 바와 같이 전체 알고리즘은 주어진 채널 환경으로부터 선형 제약 조건을 만족하는 벡터를 형성하는 선형제약조건 벡터(Wg) 형성단계(S1)와; 형성된 선형 제약 조건 벡터(Wg)와 직교하는 행렬을 형성하는 직교행렬(Ca) 형성단계(S2)와; 형성된 선형 제약조건 벡터(Wg)를 통해 수신 신호로부터 신호 성분만을 추출하는 신호성분 추출단계(S3)와; 형성된 직교행렬(Ca)을 통해 수신 신호로부터 간섭 및 잡음 신호만 추출하는 간섭 및 잡음 신호 추출단계(S4)와; 추출된 간섭 및 잡음 신호로부터 필요한 데이터 행렬(matrix)을 추출하는 데이터 행렬 형성단계(S5)와; 형성된 데이터 행렬로부터 간섭신호 성분만을 추출하기 위한 투사 행렬(P)을 형성하는 투사행렬(P) 형성단계(S6)와; 신호성분 추출단계로 추출되는 간섭신호 성분이 제거된 신호 성분을 시간에 따라 추출하여 최소 평균 자승방법에 의해 수렴된 빔 형성 가중벡터를 구하는 빔 형성 벡터(Wa) 형성단계(S7)와; 투사행렬(P) 형성단계에서 형성된 투사 행렬(P)을 이용하여 순수 간섭신호만을 추출하기 위해 투사 행렬(P)과 빔 형성 벡터(Wa)를 곱하는 투사된 빔 형성 벡터 형성단계(S8)를 포함하여 이루어진다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 알고리즘의 신호 처리 과정을 각 단계 별로 상세히 설명한다.

선형제약조건 벡터 형성단계(S1)는 수신되는 신호에서 특성 신호 성분만을 추출하기 위해 해당되는 방향으로 배열되는 배열 안테나의 구조를 이용하여 형성되는 것으로, 추출하고자 하는 특정 신호 성분의 방향 예를 들어, 기지국 또는 알고 있는 수신되는 신호의 방향을 이용하여 해당 방향으로 배열 안테나를 바라보게 한다.

직교행렬 형성단계(S2)는 추출하고자 하는 신호 성분의 방향인 선형제약조건 벡터(Wg)를 이용하여 선형제약조건 벡터(Wg)와 직교하는 행렬을 구하는 것으로, 선형제약조건 벡터(Wg)로 수신되는 신호에서 추출하고자 하는 신호 성분을 제외한 간섭신호 및 잡음 신호를 추출하기 위해 SVD(Singular Value Decomposition) 등의 수치해석 방법을 이용하여 계산된다.

신호성분 추출단계(S3)는 선형제약조건 벡터 형성단계(S1)를 통해 구해진 선형제약조건 벡터(Wg)와 수신 신호를 내적(dot product)하는 것으로, 수신되는 신호에서 간섭신호가 제거되고 신호 성분만이 추출된다.

이러한 선형제약조건 벡터(Wg)와 수신 신호의 내적 과정에 있어서, 수신 신호와 간섭신호의 성질이 같을 경우에는 추출하고자 하는 신호 성분이 제거되는 현상이 발생할 수 있으므로 본 발명에서는 Spatial Smoothing 기술을 이용하여 내적한다.

즉, 인가된 입력 신호를 몇 개의 부 어레이(Sub-Array)의 신호들로 나누고 각 부 어레이로부터 수신된 데이터를 받아서 전방 또는 후방 평균(Forward or/and Backward Smoothing)을 위한 벡터를 가지고 내적(dot product)한다.

이와 같이, Spatial Smoothing 기술 사용함으로써 선형제약조건 벡터와 수신 신호의 내적 과정에서 실제 어레이의 유효면적(Effective Aperture)이 줄어드는 단점이 있으나 성질이 같은 신호와 잡음을 따로 검출할 수 있는 장점을 갖고 있다.

간섭 및 잡음 신호 추출단계(S4)는 직교행렬 형성단계(S2)에서 얻어진직교행렬(Ca)과 전방 후방 평균을 취한 수신 신호를 곱하는 것으로, 수신 신호에서 신호 성분이 제거된 간섭신호 및 잡음 신호만이 추출된다.

데이터 행렬 형성단계(S5)는 간섭 및 잡음신호 추출단계(S4)에서 추출된 신호 성분이 제거된 간섭신호 및 잡음 신호로부터 필요한 행렬들을 추출하기 위해 실제 적응형 RLS 알고리즘에서 필요한 공분산 행렬(Covariance matrix), 역 공분산 행렬(Inverse Covariance matrix), 이득 벡터(gain vector)들을 추출하는 것으로, 시간에 따라 적응함으로서 구해진다.

투사행렬 형성단계(S6)는 데이터 행렬 형성단계(S5)에서 얻어진 공분산 행렬을 이용하여 백색 잡음 성분을 제거된 간섭신호 성분만 추출하는 투사 행렬을 구한다.

일반적으로 투사 행렬은 EA(Eigenvalue Analysis)과정을 통해서 구할 수 있는데, 이 과정은 매우 많은 계산량을 필요로 하게 되기 때문에 본 발명에서 투사 행렬 형성과정을 고속화하기 위해 데이터 행렬 형성단계에서 얻어진 공분산 행렬을 바로 이용하는 방법을 이용한다.

즉, 신호대 백색 잡음 비가 높을 경우에는 공분산 행렬을 구성하는 열(row)들이 현재 신호가 존재하고 있는 부 공간을 나타낼 수 있기 때문에, 이 열들을 이용하여 투사 행렬을 구하게 된다.

이러한 과정을 거치면 간섭 및 잡음 신호 추출단계를 통해 추출된 간섭 및 잡음 신호에서 백색 잡음 성분이 제거된 간섭 신호만을 추출하게 된다.

빔 형성 벡터 형성단계(S7)는 신호성분 추출단계(S3)에서 추출된 신호 성분에서 간섭 신호를 제거한 오차 성분을 이용하여 시간에 따른 빔 형성 벡터(Wa)를 구하는것으로, 빔 형성 가중 벡터는 처음에는 어떤 값을 가지고 있더라도 최소 평균 자승 방법에 의해 오차를 최소화하는 방향으로 수렴된다.

투사된 빔 형성 벡터 형성단계(S8)는 빔 형성 가중벡터 형성단계(S7)에서 얻어진 빔 형성 벡터(Wa)에 투사행렬 형성단계(S6)에서 얻어진 투사행렬(P)을 곱하는 것으로, 잡음 성분인 백색 잡음 성분이 제거된 순수한 간섭신호 성분만을 얻게 된다.

이와 같은 투사행렬을 이용한 본 발명에 따른 간섭제거 과정을 일 실시 예로 상세히 설명한다.

예를 들어, 도 6에 나타낸 바와 같은 원래의 신호 파형이 배열 안테나에 수신되면서 크기는 분산이 0.1인 왜곡을 갖고 위상은 분산이 5인 왜곡을 갖는다고 가정한다.

그리고, 원래의 신호(도 6원래의 신호 파형도)는 0방향에서 들어오고, 2개의 방향에서 간섭 신호들이 인가될 경우, 첫 번째 간섭 신호는 100에서 그 세기가 추출하고자 하는 신호의 약 1000배정도 더 크게, 두 번째 간섭 신호는 -100에서 그 세기가 추출하고자 하는 신호의 약 10배정도 더 크게 인가된다면 도 7에 도시된 바와 같이 원래의 신호와 간섭 신호가 합쳐진 파형으로 안테나를 통해 수신된다.

이러한 원래의 신호와 간섭 신호가 합쳐진 신호에 청구한 투사 행렬을 이용한 빔 형성 벡터를 적용하면 도 8에 나타낸 바와 같이 수신용 배열 안테나의 수직 패턴이 달라지게 된다.

도 8에 나타낸 바와 같이 100와 -100부근 영역에서 안테나 패턴에 넓은 Null이 형성되면서 간섭신호가 제거됨을 알 수가 있다.

Null의 깊이는 간섭신호가 더 큰 100근방에서 더 깊게 생기는 것을 알 수 있다.

도 9에서는 원래의 신호가 재생되는 것을 알 수 있다.

결국, 투사 행렬을 이용한 알고리즘은 배열 안테나의 크기와 위상의 왜곡이 존재한다 하더라도 결국 간섭이 들어오는 방향으로 안테나의 패턴에 널(Null)을 형성시켜 간섭을 제거시키기 때문에 배열 안테나를 이용한 각종 광대역 간섭 제거기에도 구현이 가능하다.

본 발명은 송신 안테나와 수신 안테나가 서로 수직방향으로 설치되는 중계 장비에 있어서, 수신용배열안테나에 수신되는 신호의 크기와 위상 왜곡이 있을 경우에도 제안된 고속의 신호 처리 방식을 통하여 간섭신호를 억압시킴으로써 미약한 원래신호를 효율적으로 증폭시킬 수 있는 효과가 있어, 각종 오차에 내성이 강한 신뢰성 있는 광대역 무선중계기의 구현이 가능함.

결국, 종래의 중계장치를 설치하는데 필요했던 과도한 안테나 철탑 비용을 크게 절감할 수 있어, 광대역이동통신망(셀룰라망, PCS망, Broadband-WLL망, IMT-2000망 등)의 설치 및 운용시 획기적인 경비 절감 효과가 있음.

Claims (7)

1. 수신된 신호를 증폭하여 동일주파수로 중계하는 광대역이동통신 무선중계장치에 있어서, 이동통신기지국으로부터 도래되는 신호와 무선중계장치의 송신안테나로부터 궤환되는 간섭신호를 함께 수신하는 수신용배열안테나와;

   상기 수신용배열안테나에서 출력되는 신호들을 각각 기저대역의 신호로 만드는 다채널수신기와;

   상기 다채널수신기에서 출력되는 신호들을 공간신호처리하여 간섭을 제거시키는 공간신호처리기와;

   상기 공간신호처리기에서 출력되는 신호를 원래의 주파수로 변조하고 증폭하는 신호변조증폭기와;

   상기 신호변조증폭기의 출력을 받아서 전파음영지역으로 송신하는 송신안테나를 포함하여 이루어지는 광대역이동통신 무선중계장치.
2. 광대역 무선신호를 배열안테나로 수신하고 이를 증폭하여 전파음영지역으로 송신할 때 원하는 신호에서 간섭신호를 제거하는 방법에 있어서,

   배열 안테나를 추출하고자 하는 신호가 들어오는 방향을 바라보게 하여 그 방향의 성분만을 추출하는 신호성분 추출단계와;

   상기 추출하고자 하는 신호의 방향 성분이외의 방향으로 들어오는 간섭 및 잡음신호 성분을 추출하는 간섭 및 잡음신호 추출단계와;

   상기 간섭 및 잡음신호 추출과정으로 추출된 간섭 및 잡음신호를 이용하여 상기 신호성분 추출과정으로 추출된 신호 성분에서 간섭 및 잡음신호를 감산하는 간섭 및 잡음신호 제거단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 광대역 무선 중계장치에서 간섭신호 제거 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 간섭신호의 제거는 선형 제약 조건을 없앤 GSC구조를 기반으로 하여 추출된 간섭 및 잡음 신호를 통해 간섭신호를 제거하는 것을 특징으로 하는 광대역 무선 중계장치에서 배열안테나의 수신신호 왜곡에 따른 간섭신호 제거 방법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 신호성분 추출단계는 주어진 채널 환경으로부터 선형 제약 조건을 만족하는 벡터를 형성하는 선형제약조건 벡터 형성단계와;

   상기 형성된 선형 제약조건 벡터를 통해 수신 신호로부터 신호 성분만을 추출하는 신호성분 추출단계와;

   상기 신호성분 추출단계를 통과한 신호 성분에서 추출되는 간섭신호 성분을 제거한 신호 성분을 시간에 따라 추출하여 빔 형성 벡터를 구하는 빔 형성 벡터 형성단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 광대역 무선 중계장치에서 간섭신호 제거 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 신호성분 추출단계는 간섭신호 제거 과정에서 간섭신호와 성질이 같은 신호 성분이 간섭신호와 함께 제거되는 현상을 방지하기 위해 Spatial Smoothing 기술을 이용하는 것을 특징으로 하는 광대역 무선 중계장치에서 배열안테나의 수신신호 왜곡에 따른 간섭신호 제거 방법.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 간섭 및 잡음 신호 추출단계는 상기 신호성분 추출과정에서 형성된 선형 제약 조건 벡터와 직교하는 행렬을 형성하는 직교행렬 형성단계와;

   상기 형성된 직교행렬을 통해 수신 신호로부터 간섭 및 잡음 신호만 추출하는 간섭 및 잡음 신호 추출단계와;

   상기 추출된 간섭 및 잡음 신호로부터 필요한 데이터 행렬을 추출하는 데이터 행렬 형성단계와;

   상기 형성된 데이터 행렬로부터 간섭신호 성분만을 추출하기 위한 투사 행렬을 형성하는 투사행렬 형성단계와;

   상기 형성된 투사 행렬을 이용하여 순수 간섭신호만을 추출하기 위해 투사 행렬과 상기 신호성분 추출과정에서 형성된 빔 형성 벡터를 곱하는 투사된 빔 형성 벡터 형성단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 광대역 무선 중계장치에서 배열안테나의 수신신호 왜곡에 따른 간섭신호 제거 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 간섭 및 잡음신호 추출단계의 투사된 빔 형성 벡터 형성단계는 신호성분이 아닌 간섭 신호로부터 공분산 행렬을 구해 이 행렬로부터 적은 계산량으로 간섭 신호의 부공간으로 투사하는 행렬을 얻음으로써 선형제약조건과 간섭신호 제거를 동시에 만족함을 특징으로 하는 광대역 무선 중계장치에서 배열안테나의 수신신호 왜곡에 따른 간섭제거 방법.