KR20020057594A - 위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수신 안테나에서 추정된 위상을 사용하여 배열 안테나로 인한 위상 지연을 보정함으로써 계수벡터 연산량을 줄이면서 신호대 잡음비를 향상시킨 위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치에 관한 것으로서, 배열 안테나로부터 수신된 신호의 주파수를 하향 변환하는 다운 컨버터와, 하향변환된 주파수의 신호를 복소 역확산하는 복소 역확산기와, 복소 역확산된 신호를 소정 주기동안 합산하는 합산기와, 상기 합산한 신호에서 소정 주기만큼의 표본 신호를 추출하는 샘플러 및 상기 표본 신호의 공액 복소수를 취하는 복소공액 추출부를 구비하여 복소 역확산된 배열 안테나의 수신 신호를 소정 주기동안 합산한 후 표본을 추출하고 상기 표본의 공액복소수를 복소역확산 신호와의 곱셈을 수행함으로써 배열 안테나로 인한 위상 지연을 보정해준다.

Description

위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치{Apparatus for smart antenna using phase estimation}

본 발명은 스마트 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수신 안테나에서 추정된 위상을 사용하여 배열 안테나로 인한 위상 지연을 보정함으로써 계수벡터 연산량을 줄이면서 신호대 잡음비를 향상시킨 위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치에 관한 것이다.

일반적으로 이동통신 시스템의 기지국 안테나는 전방향 안테나 (Omnidirectional Antenna)가 사용되어 방향에 상관없이 일정한 이득을 주도록 제작한다. 이럴 경우 안테나에 송수신되는 모든 신호들은 기지국의 송수신 안테나와의 거리에 따라 출력의 정도를 달리하여 송수신되며 송수신 희망 신호에 간섭의 영향을 미친다.

따라서 이 기지국 안테나는 선택적으로 신호에 이득을 주어 송수신할 수 없다. 이러한 간섭의 영향을 줄이기 위해 셀을 여러 섹터로 나누어 여러 개의 안테나를 사용하는 방법이 있는데, 가령 셀을 3개의 섹터로 나누어 3개의 안테나를 사용하여 각 안테나가 120도를 담당하도록 한다면 간섭의 영향을 1/3로 줄일 수 있다.

간섭의 영향을 줄일 수 있는 또다른 방법으로는 안테나가 하드웨어적으로 고정되어 정해진 특정각으로부터 도달하는 신호에 대해 큰 이득을 주고 다른 방향에서 송수신되는 간섭 신호에 매우 작은 이득을 주도록 제작하는 것도 있다. 그러나 이 방법은 송수신체가 고정되어 있는 경우에 한하여야 한다.

다른 방법으로는 희망 신호를 송출하는 송신체가 이동하거나 그 신호의 도달각이 상황에 따라 가변적일 때는 여러 안테나 소자로 구성된 배열(Array)를 사용하는 것이다. 배열 안테나는 원거리 신호원들의 위치를 파악하거나 그들로부터 나오는 신호들을 선택적으로 송수신하는데 이용되고 주변으로부터 들어오는 방해 전파를 제거하는데 이용된다.

스마트 안테나 시스템이란 배열된 안테나의 위상을 제어하여 특정 신호(원하는 방향의 신호)를 선택적으로 송수신하고 간섭 신호의 영향을 최소화시킴으로써 가입자 상호간의 간섭을 대폭 감소시킨 것이다. 즉 셀내의 각 단말기에 독립된 빕을 송수신간에 제공하고 원하는 단말기 방향으로 이들을 극대화되도록 빔형성시킴으로서 여타의 단말기 방향에 전파량을 극소화할 수 있다. 그러므로 수신 신호의 잡음을 대폭 감소시킨다.

스마트 안테나 시스템은 통화 채널간 방해 전파(Interfering Noise)를 최소화하여 통화 품질을 향상시키고 가입자 수를 증가시킬 수 있는 시스템이며 원하는 방향으로 전파가 집중되어 각 단말기는 저전력으로 통화가 가능하므로 배터리 수명을 획기적으로 연장할 수 있는 기술이다. 즉, 스마트 안테나 시스템이란 각 단말기 방향으로 독립된 빔패턴을 제공하여 통신 용량을 증대시키고 통신 품질을 대폭 개선할 수 있는 지능형 기지국을 실현하는 기술이다.

배열 안테나를 사용하여 원하는 사용자의 신호를 더욱 큰 이득으로 수신하는 빔 형성기는 빔 형성기의 계수 벡터를 구하는 방법에 따라 블라인드 기법과 파일럿을 이용하는 기법으로 구분된다.

그러나, 상기한 블라인드 기법은 주로 신호의 공분산 행렬을 이용하여 역행렬을 구하는 등 많은 행렬의 연산을 요구하기 때문에 수신기가 복잡해지고 연산에 따른 처리 지연의 문제점이 있다.

또한, 파일럿을 이용한 기법은 LMS(Least Mean Square; 최소 평균 제곱)와 같은 계수벡터 갱신을 위한 적응 알고리즘을 이용함으로써 상기한 블라인드 기법에 비해 연상량을 대폭 줄일 수 있지만 여전히 빔 형성기의 계수벡터 계산과정이 요구되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은 복소 역확산된 배열 안테나의 수신 신호를 소정 주기동안 합산한 후 표본을 추출하고 상기 표본의 공액복소수를 복소역확산 신호와의 곱셈을 수행함으로써 배열 안테나로 인한 위상 지연을 보정해주는 위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치의 특징은

이동통신 시스템의 스마트 안테나 장치에 있어서,

원거리 신호의 위치를 파악하거나 상기 신호들을 선택적으로 송수신하고 외부에서 입력되는 방해 전파를 제거하는 복수개의 배열 안테나와;

상기 다수의 배열 안테나로부터 수시된 신호의 주파수 하향 변환을 수행하는 복수개의 다운 컨버터와;

상기 다수의 다운컨버터에서 하향변환된 주파수의 신호를 복소 역확산하는 복수개의 복소 역확산기와;

상기 다수의 복소 역확산된 특정 사용자의 신호를 소정 주기동안 합산하는 복수개의 합산기와;

상기 합산한 신호에서 소정 주기만큼의 표본 신호를 추출하는 복수개의 샘플러와;

상기 샘플러에서 추출된 표본 신호의 공액 복소수를 취하는 복수개의 복소공액 추출부와;

상기 복수개의 복소공액 추출부에서 추출된 각각의 공액 복소수와 상기 복소 역확산기의 출력 신호를 곱하는 복수개의 곱셈기와;

상기 복수개의 곱셈기 출력을 합하는 합산기와;

상기 합산된 신호를 왈쉬(Walsh)역확산 하는 왈쉬 역확산기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치의 구성 블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10-1: 배열 안테나

20-1: 다운컨버터

30-1: 복소 역확산기

50-1: 샘플러

80: 신호 합산기

이하, 본 발명에 따른 위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치에 대하여 첨부된 도면에 의거 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 바람직하나 실시예를 설명하기에 앞서 본 발명의 전체적인 개념을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 제안하는 위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치의 핵심은 빔 형성기의 계수벡터를 구하는 과정이라고 할 수 있다. 이것은 일반적으로 모든 수신기에서 채널의 위상을 추정하여 보정하는 과정에서 얻어지는 채널의 위상을 이용하는 것으로서 스마트 안테나의 이용으로 인한 빔 형성기의 계수벡터를 구하는 과정에서 발생하는 추가 연산 과정을 없앤 것이다.

스마트 안테나 시스템에서 각 안테나의 수신기에서 추정하는 위상은 신호의 무선 채널의 전파로 인해 발생하는 위상 지연인데, 배열 안테를 사용하게 되면 무선 채널의 전파로 인해 발생한 위상 지연에 각 안테나간의 시간지연으로 인한 추가 위상 지연이 발생한다. 여기서, 각 안테나 수신기에서 추정한 위상은 채널에 의한 지연과 배열 안테나 사용으로 인한 지연, 이 두 종류의 지연을 구별하지 않고 그것을 합한 형태에서 추정하게 되므로 각 안테나에서 추정된 위상은 배열 안테나로 인한 위상 지연을 그대로 포함하고 있기 때문에 본 발명에서는 이 배열 안테나에 기인한 위상을 보정해 주어 각 안테나 신호를 위상 지연 없이 합산하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치의 구성 블록도이다.

도시된 바와 같이, 원거리 신호의 위치를 파악하거나 상기 신호들을 선택적으로 송수신하고 외부에서 입력되는 방해 전파를 제거하는 다수의 배열 안테나(10-1 ~ 10-k)와, 상기 배열 안테나(10-1 ~ 10-k)로부터 수시된 신호의 주파수 하향 변환을 수행하는 다운 컨버터(20-1 ~ 20-k)와, 상기 다운컨버터(20-1 ~ 20-k)에서 하향변환된 주파수의 신호를 복소 역확산하는 복소 역확산기(30-1 ~ 30-k)와, 상기 복소 역확산된 특정 사용자의 신호를 소정 주기동안 합산하는 합산기(40-1 ~ 40-k)와, 상기 합산한 신호에서 소정 주기만큼의 표본 신호를 추출하는 샘플러(50-1 ~ 50-k)와, 상기 샘플러에서 추출된 표본 신호의 공액 복소수를 취하는 복소공액 추출부(60-1 ~ 60-k)와, 상기 복소공액 추출부(60-1 ~ 60-k)에서 추출된 공액 복소수와 상기 복소 역확산기의 출력 신호를 곱하는 곱셈기(70-1 ~ 70-k)와, 상기 다수의 곱셈기 출력을 합하는 신호 합산기(80)와, 상기 합산된 신호를 왈쉬(Walsh)역확산하여 레이크 혼합기로 전달하는 왈쉬 역확산기(90)로 구성되어 있다.

상기 다운컨버터와, 복소 역확산기와, 합산기와, 샘플러 및 복소 공액 추출부는 상기 k개의 배열 안테나와 동일하게 k개를 구비하여 각각 일대일로 대응되게 구비되어 있다.

상기와 같이 구성된 위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

상기 k개의 배열 안테나(10-1 ~ 10-k)로 수신된 신호는 상기 다운컨버터 (20-1 ~ 20-k)를 통하여 기저대역의 신호로 주파수 하향 변환되고 이 신호는 상기 복소 역확산기(30-1 ~ 30-k)를 통하여 복소 역확산이 수행된다.

상기한 과정을 거친 k개의 신호중 n번째 신호를 수식으로 나타내면 다음 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1에서 m은 k개의 안테나중 m번째 안테나의 신호를 가리키는 첨자이고,은 복소 역확산된 특정 사용자의 신호이며은 채널을 통과하고 수신된 신호의 크기이며,과은 각각 m번째 안테나로 인한 위상과 무선채널의 위상을 의미한다. 또한은 m번째 안테나에 수신된 가산성 백색 가우시안잡음(Additive White Gaussian Noise; AWGN)과 다른 사용자로 인한 간섭을 포함하는 신호이다.

상기 신호가 도 1의 합산기(40-1 ~ 40-k)중 해당 안테나에 연결된 m번째 합산기를 통과한 신호는 다음 수학식 2와 같다.

상기와 같이 추정된 계수는 정규화한 후, 상기 도 1의 샘플러(50-1 ~ 50-k)에서 상기 합산한 주기만큼의 표본을 추출하여 상기 추출된 표본식의 허수부의 부호를 바꾼 공액 복소수를 취하고 이를 상기 복소역확산된 신호와 곱한다.

이러한 방식으로 상기 배열 안테나에 의한 위상 지연이 보정되는 것이다. 상기 보정된 k개의 신호는 상기 신호 합산기(80)에서 모두 합산되어 원하는 사용자의 신호는 서로 동일한 신호의 위상이 보정되어 더해지는 반면 각 안테나에 수신된 잡음은 서로 통계적으로 상관 관계가 없으므로 신호대 잡음비를 계산하면 안테나의 수에 비례하여 신호대 잡음비가 향상되는 것이다.

이상에서 상술한 바와 같은 본 발명 위상추정을 이용한 스마트 안테나 장치는 통화 품질을 향상시키고 기지국의 용량을 증대시키는 효과가 있으며, 기존의 블라인트 빔 성형 기법이나 파일럿을 이용하는 최소평균제곱 알고리즘에 비해 계산량이 월등이 적으므로 수신기의 구현시 복잡도와 구현 비용이 절감되는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 이동통신 시스템의 스마트 안테나 장치에 있어서,

   무선 신호들을 선택적으로 송수신하고 외부에서 입력되는 방해 전파를 제거하는 복수개의 배열 안테나와;

   상기 복수개의 배열 안테나와 일대일로 대응되게 구비되어 수신 신호의 주파수를 하향 변환하는 복수개의 다운 컨버터와;

   상기 복수개의 다운컨버터와 일대일로 대응되게 구비되어 상기 하향변환된 주파수의 신호를 복소 역확산하는 복수개의 복소 역확산기와;

   상기 복수개의 복소 역확산기와 일대일로 대응되게 구비되어 상기 복소 역확산된 특정 사용자의 신호를 소정 주기동안 합산하는 복수개의 합산기와;

   상기 복수개의 합산기와 일대일로 대응되게 구비되어 상기 합산된 신호에서 소정 주기만큼의 표본 신호를 추출하는 복수개의 샘플러와;

   상기 복수개의 샘플러와 일대일로 대응되게 구비되어 상기 추출된 표본 신호의 공액 복소수를 취하는 복수개의 복소공액 추출부와;

   상기 복수개의 배열 안테나와 일대일로 대응되게 구비되어 상기 복수개의 복소공액 추출부에서 추출된 공액 복소수와 상기 복소 역확산기의 출력 신호를 곱하는 복수개의 곱셈기와;

   상기 복수개의 곱셈기 출력을 합산하는 합산기와;

   상기 합산된 신호를 왈쉬(Walsh)역확산 하는 왈쉬 역확산기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 위상 추정을 이용한 스마트 안테나 장치.