KR20020034060A

KR20020034060A - 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20020034060A
Application number: KR1020000064848A
Authority: KR
Inventors: 우승원
Original assignee: 박종섭; 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-05-08
Also published as: KR100354264B1

Abstract

본 발명은 차세대 이동통신에서 채널의 용량을 증가시키기 위해서 사용되는 병렬 신호 처리 방식을 이용한 스마트 안테나 시스템에 관한 것으로서, 특히 현재 사용되고 있는 IS-95 단말기와 차후 사용하게 될 IS-2000 단말기를 모두 지원 가능하도록 한 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명은, 어레이 안테나(Array Antenna)를 거쳐 수신된 수신 신호를 프로토콜 교정부에서 단말기와 기지국의 프로토콜을 교정하여, 상기 단말기가 IS-95 단말기인지 IS-2000 단말기인지를 판별하고, 상기 판별결과 IS-95 단말기이면 CMA(Constant Modulus Algorithms) 알고리즘을 수행하여 수신신호를 처리하며, 상기 판별결과 IS-2000 단말기이면 CMA와 LMS(Least Mean Square) 알고리즘 두 개를 동시에 수행하고, 두 개의 방향으로 같은 신호를 보내어 수신신호를 처리한다. 또한 수신신호 처리를 하고 나온 두 개의 신호 중 에러(Error)가 적은 것을 선택하여 채널 엘리먼트로 전송한다. 이렇게 하여, LMS 알고리즘의 빠른 실시간 신호 처리 속도와 CMA 알고리즘의 채널 환경이 열악한 경우에서도 잘못된 파일럿 신호로 인한 부적당한 신호 탐색을 방지하는 특징을 적절히 이용한다.

Description

스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 장치 및 그 방법{Method and apparatus for management receiver signal in smart antenna system}

본 발명은 차세대 이동통신(특히, 고성능 데이터 및 영상 서비스 통신 서비스, IMT-2000)에서 병렬 신호 처리 방식을 이용한 스마트 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 IS-95 단말기와 IS-2000 단말기를 모두 지원 가능하도록 하고, 역방향 파일럿 채널(기준신호 ; Reference Signal)을 사용하지 않음으로써 시스템을 간단한 구조로 구현토록 하며, 채널 환경이 열악한 경우에도 잘못된 파일럿 신호로 인한 부적당한 신호를 탐색하는 것을 방지할 수 있도록 한 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

여기서, 스마트 안테나 시스템(Smart Antenna System)이라 함은, 배열된 안테나의 위상을 제어하여 특정 신호(원하는 방향의 신호)를 선택적으로 송수신하고 간섭 신호의 영향을 최소화시킴으로써 가입자 상호간의 간섭을 대폭 감쇄시킨 안테나 시스템을 말한다. 즉, 셀 내의 각 단말기에 독립된 빔(Beam)을 송수신간에 제공하고 원하는 단말기 방향으로 이들이 극대화 되도록 빔을 형성(Beamforming) 시킴으로써 여타의 단말기 방향에 전파량을 극소화할 수 있으므로 수신 신호의 잡음을 대폭 감쇄시킬 수 있다. 스마트 안테나 시스템은 통화 채널간 방해 전파(Interfering Noise)를 최소화하여 통화 품질을 향상시키고 가입자 수를 증가시킬 수 있는 시스템이다. 상기 빔형성이란, 원하는 가입자가 있는 곳에서는 보강간섭이 일어나도록 하고, 원치 않는 가입자는 간섭신호로 작용되어 상쇄간섭이 일어나 나도록 하는 것을 말한다.

일반적으로, 스마트 안테나 방식은 어레이 안테나에서 개개의 소자가 입력 신호를 수신하여 얻은 정보에 의해 자동적으로 안테나를 최적의 방향으로 조정하도록 하는 방식을 말한다. 또한 상기 스마트 안테나 방식은 통상적으로 적응성 안테나 어레이(Adaptive Antenna Array)라 통칭한다.

이러한 일반적인 스마트 안테나 방식을 적용한 종래의 스마트 안테나 시스템의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 복수개의 스마트 안테나(100), 복수개의 곱셈기(110)와 합산기(120) 및 알고리즘 선택 후 수신신호를 처리해 주는 신호 처리부(130)로 구성된다.

상기 도 1을 참조하여 종래 스마트 안테나 시스템의 동작을 간략하게 설명하면, 스마트 안테나(100) 즉, 적응적 배열을 가지는 복수개의 안테나(100-1~100-n)로부터 수신된 배열 입력 벡터 신호(x1~xn)들은 각각의 곱셈기(110-1~110-n)로 인가되어 신호 처리부(130)에 의해 적응적으로 조절되는 복소수의 가중치(w1~wn)들과 곱하여져 출력된다. 상기 출력되는 신호는 합산기(120)로 인가되며, 상기 합산기(120)에서 입력된 신호를 결합하여 배열 출력(y)을 얻음으로써 수신 빔(Beam) 형태상에서 원하는 신호가 오는 방향으로 이득을 주고 간섭신호가 오는 방향으로 널(Null)을 형성하여 공간적으로 선택적인 수신을 가능하게 한다.

이로 인해 종래에 제안된 스마트 안테나 시스템은 CDMA 이동통신 시스템에서 동 채널간 간섭을 줄여 주어 시스템의 용량을 늘려주는 역할을 한다.

도 2는 종래의 스마트 안테나 시스템의 알고리즘을 보인 구성도로서, 첨부된 도 2의 (a)는 기존에 제안된 IS-95 단말기를 사용할 때의 알고리즘을 나타낸 구성도이고, 도 2의 (b)는 기존에 제안된 IS-2000 단말기를 사용할 때의 알고리즘을 나타낸 구성도이다.

이에 도시된 바와 같이, 스마트 안테나 기지국은 원하는 이동국의 방향으로 최대의 이득을 제공하고 다른 이동국의 방향으로는 최소의 이득을 갖는 빔패턴(Beam-Pattern)을 형성하여 기지국 용량을 증가시킬 수 있다. 이러한 빔패턴을 형성(Beamforming)하기 위해서는 수신신호를 이용하여 최적의 가중치(w1~wn)를 구하는 신호 처리 알고리즘이 필요하다.

상기 기존의 스마트 안테나 시스템은 가중치를 구하기 위해서 역방향 파일럿(기준 신호)이 존재하면 즉, 우리가 미리 알고 있는 신호(Training sequence)를 바탕으로 하여 빔패턴(Beam-Pattern)을 결정하는 LMS와 같은 알고리즘을 사용하고, 기준 신호가 존재하지 않으면 신호의 특성들을 이용하여 빔패턴을 결정하는 블라인드 방식인 CMA와 같은 알고리즘을 각각 따로 사용하였다.

따라서, 기준 신호를 사용하지 않는 IS-95 단말기와 기준 신호를 사용하는 IS-2000 단말기를 모두 지원할 수 없는 문제점을 가진다.

또한 기존의 스마트 안테나 시스템은 IS-95 및 IS-2000 단말기를 모두 지원 가능하도록 하기 위해서, 기준 신호가 존재하지 않는 블라인드 방식만을 사용하여 IS-95 단말기와 IS-2000 단말기를 모두 지원 가능하도록 구현하기도 하였다. 그러나, 이러한 블라인드 방식만을 사용하는 방법은 기준 신호를 이용하지 않으므로 정확한 수신 신호 방향을 탐지하기 위해 많은 계산량을 필요로 한다.

따라서, 상기에서와 같은 스마트 안테나 시스템에서 안테나 수신기로부터 수신된 신호 처리를 위한 알고리즘 수행 후 신호를 처리해 주는 신호 처리부(130)는 안테나 배열에 수신된 배열 입력 벡터(x1~xn)와 배열 출력(y) 만을 가지고 적응 가중치(w1~wn)를 조절한다. 이 때 최적의 가중치를 구하여 신호원의 방향을 찾아내기 위해 계산, 수신 신호 벡터의 자기 상관 행렬 계산, 자기 상과 행렬의 역행렬과 고유 벡터를 구하는 계산 등을 포함하는 복잡한 계산 처리 과정을 거쳐야 한다. 이로 인해 스마트 안테나 시스템의 신호 처리부에서 처리 시간과 회로의 복잡도가 매우 큼으로 인해 실제적인 이동통신 시스템에 적용하는데 많은 어려움이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 차세대 이동통신에서 채널의 용량을 증가시키기 위해서 사용되는 스마트 안테나 시스템에서 현재 사용되고 있는 IS-95 단말기와 차후 사용하게 될 IS-2000 단말기를 모두 지원 가능하도록 한 병렬 신호 처리 방식을 이용한 기지국용 스마트 안테나 시스템을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 의한 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 장치는,

어레이 안테나를 통해 수신된 수신신호에 따른 단말기의 프로토콜을 교정하는 프로토콜 교정부와; 상기 프로토콜 교정부의 결과에 따라 CMA 알고리즘 또는 LMS 알고리즘을 제공하여 수신신호를 처리하는 CMA/LMS 알고리즘 제공부와; 상기 각 알고리즘 제공부를 통해 처리된 수신신호의 에러를 검출하는 에러 검출부와; 상기 에러 검출부에서 검출된 에러를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 처리된 수신신호를 선택하여 출력하는 에러 비교 및 신호 선택부로 구성됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 의한 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 방법은.

어레이 안테나를 통해 수신신호가 입력되면 프로토콜 교정부에서 단말기의 프로토콜을 교정하고, 단말기가 IS-95 및 IS-2000 단말기인지를 판별하는 단계와; 상기 판별결과 IS-95 단말기로 판별되면, CMA 알고리즘을 수행하여 수신신호를 처리하는 단계와; 상기 판별결과 IS-2000 단말기로 판별되면, LMS 알고리즘과 CMA 알고리즘을 모두 사용하여 수신신호를 처리하는 단계와; 상기 LMS 알고리즘과 CMA 알고리즘을 통해 처리된 신호의 에러(Error)를 검출하는 단계와; 상기 검출된 에러 신호에 따라 에러가 적은 수신신호를 선택하여 채널 엘리먼트로 전달해주는 단계로 이루어짐을 그 방법적 구성상의 특징으로 한다.

도 1은 종래에 제안된 스마트 안테나 시스템의 구성을 보인 도면,

도 2는 종래에 제안된 스마트 안테나 시스템의 알고리즘을 보인 도면,

도 3은 본 발명에 따른 병렬 신호 처리 방식을 이용한 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 장치의 구성을 보인 도면,

도 4는 본 발명에 따른 병렬 신호 처리 방식을 이용한 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 방법을 나타낸 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20 ; 프로토콜 교정부

30 ; CMA 알고리즘 제공부

40 ; LMS 알고리즘 제공부

50, 60 ; 제1 및 제2 에러 검출부

70 ; 에러 비교 및 신호 선택부

이하, 상기와 같은 기술적 사상에 따른 본 발명의 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 장치 및 그 방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 병렬 신호 처리 방식을 이용한 순방향 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 어레이 안테나를 통해 수신된 수신신호에 따른 단말기의 프로토콜을 교정하는 프로토콜 교정부와, 상기 프로토콜 교정부의 결과에 따라 CMA 알고리즘 또는 LMS 알고리즘을 제공하여 수신신호를 처리하는 CMA/LMS 알고리즘 제공부와, 상기 각 알고리즘 제공부를 통해 처리된 수신신호의 에러를 검출하는 에러 검출부와, 상기 에러 검출부에서 검출된 에러를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 처리된 수신신호를 선택하여 출력하는 에러 비교 및 신호 선택부로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 장치를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 어레이 안테나(Array Antenna)를 통해 수신 신호가 입력되면 프로토콜 교정부(20)에서 수신된 신호에 따른 단말기와 기지국의 프로토콜을 교정하고 단말기가 IS-95 단말기인지 IS-2000 단말기인지를 판별한다. 상기판별 결과 IS-95 단말기이면 IS-95 단말기는 기준신호를 이용하지 않으므로 CMA 알고리즘 제공부(30)에서 CMA 알고리즘을 수행하여 수신신호를 처리한다. 또한 상기 판별 결과 IS-2000 단말기이면 IS-2000 단말기는 기준 신호를 이용하므로 상기 CMA 알고리즘과 기준 신호를 바탕으로 하여 빔패턴을 결정하는 LMS 알고리즘을 모두 적용하여, 두 개의 방향으로 동시에 같은 신호를 전송하여 수신신호를 처리한다. 상기 각 알고리즘을 통해 처리된 신호는 각 에러 검출부(50, 60)에 전달되어 각각 에러가 검출되며, 에러 비교 및 신호 선택부(70)는 상기 검출된 에러 값을 비교하여 에러가 적은 신호를 선택하여 채널 엘리먼트로 전달한다. 즉, IS-2000 단말기 신호일 경우, LMS 알고리즘 및 CMA 알고리즘을 통해 각각 수신신호를 처리하고, 에러를 검출하여 에러가 적은 알고리즘을 선택토록 한다. 또한, IS-95 단말기일 경우, 에러 비교없이 CMA 알고리즘으로 처리된 신호를 선택하여 채널 엘리먼트에 전달한다.

다시 말해 IS-95 단말기는 역방향 파일럿(기준 신호)이 존재하지 않으므로 CMA 알고리즘을 사용하여 신호를 처리하고, IS-2000 단말기는 기준 신호가 존재하므로 CMA 와 LMS 알고리즘을 모두 적용하고 에러를 비교하여 더 성능이 좋은(에러가 적은) 알고리즘을 선택하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 병렬 신호 처리 방식을 이용한 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 방법의 과정을 보인 흐름도이다.

도시된 바와 같이, 어레이 안테나를 거친 신호가 프로토콜 교정부에 의해 단말기와 기지국의 프로토콜을 교정하고, 프로토콜 교정부에 의해 출력된 신호에 따라 IS-95 단말기인지 IS-2000 단말기인지를 판별한 후, IS-95 단말기이면 CMA 알고리즘을 수행하여 신호를 처리하고, IS-2000 단말기이면 동시에 CMA와 LMS 알고리즘 제공부(30, 40) 양쪽으로 신호를 전달하여 두 개의 알고리즘을 동시에 수행한다. 상기 두 개의 신호 처리 알고리즘 제공부(30, 40)을 통과한 신호의 에러(Error)를 비교하고 에러가 낮은 쪽을 선택하여 신호를 채널 엘리먼트에 전송한다.

상기와 같은 병렬 신호 처리 방식을 이용한 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 단계 ST11에서는 어레이 안테나를 거친 수신 신호가 입력되면, 상기 입력된 수신 신호에 따라 단계 ST12에서 프로토콜 교정부(20)는 단말기와 기지국의프로토콜을 교정하고, 단계 ST13에서는 단말기가 IS-95 단말기인지 IS-2000 단말기인지를 판별한다.

상기 판별 결과 IS-95 단말기이면 단계 ST18로 이동하여 CMA 알고리즘을 수행하여 신호를 출력하고, 상기 판별 결과 IS-2000 단말기이면, 단계 ST14에서 LMS 알고리즘과 CMA 알고리즘을 동시에 모두 사용하여 두 개의 방향으로 같은 신호를 보내어 신호 처리한다.

단계 ST15에서는 상기 두 개의 알고리즘을 통해 각각 처리된 신호의 에러를 검출하고, 단계 ST16에서는 상기 검출된 에러를 에러 비교 및 신호 선택부(70)에서 비교한다. 단계 ST17에서 상기 비교 결과 에러가 적은 신호를 선택하여 채널 엘리먼트로 전송한다.

이상에서 상술한 본 발명 "병렬 신호 처리 방식을 이용한 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 장치 및 그 방법"에 따르면, IS-95 및 IS-2000 단말기를 모두 지원할 수 있는 스마트 안테나 시스템을 구현함으로써, 역방향 파일럿 검출시 잘못된 오류에 의하여 성능이 저하되는 것을 막을 수 있어 시스템의 성능을 향상시킬 수 있으며, 신호가 분산되지 않고 원하는 곳으로 게인(Gain)이 증가함으로 기지국당 커버(Cover)할 수 있는 영역(Coverage)이 늘어나게 되고, 또한 게인이 증가함으로 인해 휴대폰의 전력 소비를 줄일 수 있고 배터리 사용 시간도 늘일 수 있는 장점이 있다.

또한, 원치 않는 방향의 신호는 효과적으로 제거함으로써 간섭신호에 약한 시스템(특히 CDMA 시스템)에서는 큰 효과를 기대할 수 있고, 음성 통신의 경우에는 많은 가입자를 수용할 수 있으며, 데이터 통신의 경우에는 고속 데이터 통신을 가능하게 하는 이점을 가진다.

Claims

스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 장치에 있어서,

어레이 안테나를 통해 수신된 수신신호에 따른 단말기의 프로토콜을 교정하는 프로토콜 교정부와;

상기 프로토콜 교정부의 결과에 따라 CMA 알고리즘 또는 LMS 알고리즘을 제공하여 수신신호를 처리하는 CMA/LMS 알고리즘 제공부와;

상기 각 알고리즘 제공부를 통해 처리된 수신신호의 에러를 검출하는 에러 검출부와;

상기 에러 검출부에서 검출된 에러를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 처리된 수신신호를 선택하여 출력하는 에러 비교 및 신호 선택부로 구성된 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 장치.
프로토콜 교정부와, CMA 및 LMS 알고리즘 제공부와, 에러 검출부와, 에러 비교부를 포함하는 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 방법에 있어서,

어레이 안테나를 통해 수신신호가 입력되면 프로토콜 교정부에서 단말기의 프로토콜을 교정하고, 단말기가 IS-95 및 IS-2000 단말기인지를 판별하는 단계와;

상기 판별결과 IS-95 단말기로 판별되면, CMA 알고리즘을 수행하여 수신신호를 처리하는 단계와;

상기 판별결과 IS-2000 단말기로 판별되면, LMS 알고리즘과 CMA 알고리즘을 모두 사용하여 수신신호를 처리하는 단계와;

상기 LMS 알고리즘과 CMA 알고리즘을 통해 처리된 신호의 에러(Error)를 검출하는 단계와;

상기 검출된 에러 신호에 따라 에러가 적은 수신신호를 선택하여 채널 엘리먼트로 전달해주는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템에서 수신신호 처리 방법.