KR20020093321A - 하이브리드 스마트 안테나 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 채널 환경의 변화를 핑거 출력의 신호 전력의 레벨로 판단하여 신호 환경이 양호한 경우에는 기준값 신호처리 방식을 적용하고, 신호환경이 양호하지 않은 경우에는 블라인드 신호 처리 방식을 적용하여 최적의 계수벡터 연산을 수행토록 한 하이브리드 스마트 안테나 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은 스마트 안테나 시스템에 수신된 신호의 전력을 측정하여 인-록 임계값 또는 아웃-록 임계값과 대소 비교한다. 또한 상기 비교결과 수신 신호 전력이 인-록 임계값 이상이거나, 아웃-록 임계값 이하일 경우 신호 처리 방식을 전환하여 채널 환경의 변화에 능동적으로 대처하며 최적의 계수벡터 연산을 수행토록 한다.

Description

하이브리드 스마트 안테나 시스템 및 그 제어 방법{Apparatus and controlling method for Hybrid smart antenna system}

본 발명은 스마트 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 채널 환경의 변화를 핑거 출력의 신호 전력의 레벨로 판단하여 신호 환경이 양호한 경우에는 기준값 신호처리 방식을 적용하고, 신호환경이 양호하지 않은 경우에는 블라인드 신호 처리 방식을 적용하여 최적의 계수벡터 연산을 수행토록 한 하이브리드 스마트 안테나 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이동통신 시스템의 기지국 안테나는 전방향 안테나 (Omnidirectional Antenna)가 사용되어 방향에 상관없이 일정한 이득을 주도록 제작한다. 이럴 경우 안테나에 송수신 되는 모든 신호들은 기지국의 송수신 안테나와의 거리에 따라 출력의 정도를 달리하여 송수신 되며 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 121도를 담당하도록 한다면 간섭의 영향을 1/3로 줄일 수 있다.

간섭의 영향을 줄일 수 있는 또다른 방법으로는 안테나가 하드웨어적으로 고정되어 정해진 특정 각으로부터 도달하는 신호에 대해 큰 이득을 주고 다른 방향에서 송수신 되는 간섭 신호에 매우 작은 이득을 주도록 제작하는 것도 있다. 그러나이 방법은 송수신체가 고정되어 있는 경우에 한하여야 한다.

다른 방법으로는 희망 신호를 송출하는 송신체가 이동하거나 그 신호의 도달 각이 상황에 따라 가변적일 때는 여러 안테나 소자로 구성된 배열(Array)을 사용하는 것이다. 배열 안테나는 원거리 신호원들의 위치를 파악하거나 그들로부터 나오는 신호들을 선택적으로 송수신 하는데 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, 셀 내의 각 단말기에 독립된 빔을 송수신간에 제공하고 원하는 단말기 방향으로 이들을 극대화되도록 빔형성 시킴으로서 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 가입자의 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.

도 1은 일반적인 스마트 안테나 시스템의 구성을 보인 도면이다.

도시된 바와 같이, 여기서 참조부호 101 ~ 100+N은 N개의 배열 안테나, 210은 상기 N개의 안테나로부터 수신되는 N개의 수신 신호(x1 ~ xN)를 사용하여 계수벡터를 생성하는 계수벡터 생성부, w1 ~ wN은 상기 계수벡터 생성부에서 출력된 N개의 계수벡터, 211 ~ 210+N은 상기 N개의 배열안테나(101 ~ 100+N)로 수신된 수신 신호를 승산하는 N개의 승산기, 400은 상기 승산된 N개의 신호를 합산하는 합산기를 나타낸다.

상기 N개의 배열 안테나(101 ~ 100+N)에서 수신한 각 신호는 기준신호 안테나와 sin(θ)만큼의 위상차를 가지고 있으며 상기 수신 신호는 다음과 같이 표현된다.

여기서, θ는 신호의 입사각이며 s(t)는 기준 신호이다.

상기 계수벡터 생성부(300)를 통하여 생성된 계수벡터는 입력신호벡터와 내적하여 y(t)신호를 구한다.

상기 스마트 안테나 시스템은 원하는 이동국의 방향으로 가장 큰 이득을 갖는 빔(Main Lobe: 주빔)을 형성하고, 다른 이동국의 방향으로는 상대적으로 적은 이득의 빔을 형성함으로써, CDMA시스템에서 문제가 되는 간섭의 영향을 줄이고 보다 많은 시스템 용량을 제공할 수 있는 이점이 있다.

이러한 배열 안테나를 사용하여 원하는 사용자의 신호를 더욱 큰 이득으로 수신하기 위해 형성되는 빔 패턴은 수신 신호를 이용하여 최적의 계수벡터를 구하는 신호처리 알고리즘에 따라 블라인드 기법과 기준값 신호를 이용하는 기법으로구분된다.

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

또한, 기준값 신호를 이용한 기법은 LMS(Least Mean Square; 최소 평균 제곱)와 같은 계수벡터 갱신을 위한 적응 알고리즘을 이용함으로써 상기한 블라인드 기법에 비해 연산량을 대폭 줄일 수 있지만 여전히 빔 형성기의 계수벡터 계산과정이 요구되며 채널환경이 열악한 경우에는 기준값 신호로 사용하는 파일롯 신호의 특성상 트래픽 신호보다 에러 발생률이 높은 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은 채널 환경의 변화를 핑거 출력의 신호 전력의 레벨로 판단하여 신호 환경이 양호한 경우에는 기준값 신호처리 방식을 적용하고, 신호환경이 양호하지 않은 경우에는 블라인드 신호 처리 방식을 적용하여 최적의 계수벡터 연산을 수행토록 한 하이브리드 스마트 안테나 시스템 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 스마트 안테나 시스템의 특징은,

외부의 무선 환경으로부터 신호를 수신 받는 신호 수신기와, 신호 수신기로부터 전달받은 수신신호벡터의 계수벡터를 블라인드 방식으로 구하는 제 1 신호프로세서와, 상기 신호 수신기로부터 전달받은 수신신호벡터의 계수벡터를 기준신호 적용 방식으로 구하는 제 2 신호프로세서를 구비한 스마트 안테나 시스템에 있어서,

상기 제 1 신호프로세서 또는 제 2 신호프로세서에서 출력되는 신호의 전력을 측정하는 신호전력 측정기와;

상기 신호전력 측정기의 결과 값에 따라 상기 신호 수신기에서 출력되는 수신 신호를 상기 제 1 신호프로세서 또는 제 2 신호프로세서로 전달토록 제어신호를 발생하는 스위치 제어기와;

상기 스위치 제어기에서 출력되는 제어신호에 대응하여 상기 신호 수신기의 출력을 제 1 프로세서 또는 제 2 프로세서에 선택적으로 전달하는 스위치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 스마트 안테나 시스템의 제어 방법은,

신호전력 측정기에서 수신 신호의 전력을 측정한 후 현재 핑거가 인-록(In-lock)상태인지 여부를 판단하여, 현재 핑거가 인-록 상태이면 수신 신호의 전력이이 아웃-록(Out-lock) 임계값 이하인지를 다시 판단하는 단계와;

상기 판단 결과, 수신 신호전력이 아웃-록 임계값 이상이면 현재의 신호처리방식을 유지하고 수신 신호전력이 아웃-록 임계값 이하인 경우에는 상기 임계값 이하인 상태가 일정시간 이상 유지되는지를 더 판단하여, 일정시간 이상 아웃-록 임계값 이하인 상태가 유지되면 기준값 신호처리 방식으로 전환하는 단계와;

상기 수신 신호 전력이 임계값 이하인 상태가 일정시간 이하일 경우에는 현재의 신호처리 방식을 유지하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 스마트 안테나 시스템의 구성을 보인 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 스마트 안테나 시스템의 구성 블록도이고,

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 스마트 안테나 시스템의 제어 방법을 보인 플로우차트이고,

도 4는 도 3에서 신호처리 방식 전환의 실시예를 설명하기 위한 설명도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 ~ 100+N : 배열 안테나

300 : 계수벡터 생성부

21 : 제 1 신호프로세서

22 : 제 2 신호프로세서

25 : 채널 엘리먼트

이하, 상기와 같은 기술적 사상에 따른 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 스마트 안테나 시스템의 구성 블록도이다.

도시된 바와 같이, 외부의 무선 환경으로부터 신호를 수신 받는 신호 수신기(20)와, 상기 신호 수신기의 출력을 제 1 프로세서(22) 또는 제 2 프로세서(23)로 전달하는 스위치(21)와, 상기 스위치(21)에 의하여 상기 신호 수신기(20)로부터 전달받은 수신신호벡터의 계수벡터를 블라인드 방식으로 구하는 제 1 신호프로세서(22)와, 상기 신호 수신기(20)로부터 전달받은 수신신호벡터의 계수벡터를 기준값 신호방식으로 구하는 제 2 신호프로세서(23)와, 상기 제 1 신호프로세서(22) 또는 제 2 신호프로세서(23)에서 출력되는 신호의 전력을 측정하는 신호전력 측정기(25)와, 상기 신호전력 측정기(25)의 결과 값에 따라 상기 신호수신기(20)출력의 스위칭을 제어하는 스위치 제어기(24)와, 상기 스위치 제어기(24)의 명령에 의하여 상기 신호 수신기의 출력을 제 1 프로세서(22) 또는 제 2프로세서(23)로 전달하는 스위치와, 상기 신호전력 측정기(25)로부터의 출력 신호를 전달받아 송수신 트래픽 신호를 처리하는 채널 엘리먼트(26)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 하이브리드 스마트 안테나 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.

우선 무선 신호가 신호 수신기(20)에 전달되면 상기 제 1 신호프로세서(22) 또는 제 2 신호프로세서(23)에서는 상기 스위치(21)를 통하여 상기 수신 신호의 계수벡터를 블라인드 방식 또는 기준값 신호방식으로 구한다.

신호전력 측정기(25)는 상기 제 1 신호프로세서(22) 또는 제 2 신호프로세서 (23)로부터 계산된 계수벡터를 전달받아 신호 전력을 측정하고 이를 채널 엘리먼트(26) 및 스위치 제어기(24)로 동시에 출력한다. 그리고 스위치 제어기(24)에서 상기 신호전력 측정기(25)로부터 전달된 신호 전력으로 현재 무선채널 환경이 양호한지를 판단하여 현재 계수벡터를 계산하는 방법(블라인드 방식 또는 기준값 신호방식)의 전환 여부를 결정하면, 상기 스위치(21)는 상기 스위치 제어기(24)의 명령에 의하여 상기 신호 수신기(20)의 출력을 제 1 프로세서(22) 또는 제 2 프로세서(23)로 전달하게 된다.

여기서 상기 스위치 제어기(24)에서 무선채널 환경이 양호한지를 판단하는 기준 및 방법을 더 설명하면 다음과 같다.

상기 종래 기술에서의 설명과 같이 기준값 신호방식을 이용한 신호처리(계수벡터 산출)방법은 그 빠른 연산 속도로 인하여 무선 신호 환경이 양호한 경우에 고속 데이터 통신의 실시간 처리가 가능한 이점이 있으며 반대로 블라인드 신호방식은 신호 환경이 양호하지 않은 경우에 정확한 계수벡터 계산에 적합하다.

따라서 본 발명에서 제안하는 하이브리드 스마트 안테나 시스템을 사용할 경우 상기 스위치 제어기(24)에서 수행하는 신호처리 방식(계수벡터 계산 방식)의 선택과 그 변화를 조절하는 방식을 결정하기 위하여 현재 무선 채널 환경이 양호한지를 판단해야 하는데, 이는 기지국 모뎀에서 사용하는 핑거의 인-록(In-lock) 과 아웃-록(Out-lock) 상태의 전환 및 전환에 필요한 임계값을 기준으로 하여 급격한 신호 환경의 변화에 따른 잦은 신호처리 방식의 변화에 대처하게 된다.

여기서 핑거(Finger)는 일반적인 CDMA 이동통신 시스템에서 역방향 통화 채널을 복조할 때 공간 다이버시티 효과를 위한 복조 요소를 의미하는 것으로 통상 4개가 존재하며 통상 신호환경이 양호할 경우에는 상기 핑거가 할당(In-lock) 상태가 되고, 신호환경이 양호하지 않은 경우에는 핑거가 해제(Out-lock) 상태가 된다. 이 핑거에 다중 경로 신호를 할당하고 복조함으로써 공간 다이버시티 효과를 얻게 된다.

따라서 상기 인-록(In-lock)상태에서 아웃-록(Out-lock) 임계값까지는 채널 환경이 양호한 것으로 판단하여 빠른 연산에 의한 고속 데이터 통신의 실시간 처리를 가능하게 하는 기준값 신호방식을 적용하고, 반대로 아웃-록(Out-lock)상태에서 인-록(In-lock) 임계값까지는 채널 환경이 양호하지 않은 것으로 판단하여 블라인드 신호방식을 적용하는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 스마트 안테나 시스템의 제어 방법을 보인 플로우차트이다.

먼저, 신호전력 측정기에서 수신 신호의 전력을 측정하면(S11), 현재 핑거가 인-록(In-lock)상태인지 여부를 판단하여(S13), 현재 핑거가 인-록 상태이면 상기 S11단계에서의 측정값이 아웃-록(Out-lock) 임계값 이하인지를 판단한다(S15).

상기 S15단계의 판단 결과, 수신 신호전력이 아웃-록 임계값 이상이면 현재의 신호처리(계수벡터 계산) 방식을 유지하고(S21) 수신 신호전력이 아웃-록 임계값 이하인 경우에는 상기 임계값 이하인 상태가 일정시간 이상 유지되는지를 더 판단하여(S17), 일정시간 이상 아웃-록 임계값 이하인 상태가 유지되면 기준값 신호처리 방식으로 전환하고, 상기 임계값 이하인 상태가 일정시간 이하일 경우에는 S21단계로 이동하여 현재의 신호처리 방식을 유지한다.

한편, 상기 S13단계의 판단 결과, 현재 핑거가 인-록(In-lock) 상태가 아닌 경우에는 핑거가 아웃-록(Out-lock) 상태인지를 판단하여(S23), 현재 핑거가 아웃-록 상태인 경우 상기 S11단계에서의 측정값이 인-록 임계값 이상인지를 판단한다 (S25).

상기 S25단계의 판단 결과, 수신 신호전력이 인-록 임계값 이하이면 현재의 신호처리(계수벡터 계산) 방식을 유지하고(S21) 수신 신호전력이 인-록 임계값 이상인 경우에는 상기 임계값 이상인 상태가 일정시간 이상 유지되는지를 더 판단하여(S27), 일정시간 이상 인-록 임계값 이상인 상태가 유지되면 블라인드 신호처리 방식으로 전환하고, 상기 임계값 이상인 상태가 일정시간 이하일 경우에는 S21단계로 이동하여 현재의 신호처리 방식을 유지한다.

도 4는 도 3에서 신호처리 방식 전환의 실시예를 설명하기 위한 설명도이다.

도시된 바와 같이, 시간축에서 ①구간 동안의 신호전력은 인-록 임계값 이상이므로 기준값 신호방식을 적용하고 ②구간에서는 신호전력이 인-록 임계값 이하이지만 아웃-록 임계값이상이므로 일정 시간 이내에 포함하기 때문에 여전히 기준값 신호방식을 사용한다. 또한 시간축에서 ③구간 동안의 신호전력은 아웃-록 임계값 이하이므로 무선 신호 환경이 양호하지 않은 것으로 간주하고 블라인드 신호방식으로 전환한다.

④구간은 신호전력이 증가하여 아웃-록 임계값보다 크지만 아직 인-록 임계값보다는 작기 때문에 블라인드 신호를 계속 적용하고, 이후 신호전력이 계속 증가하여 ⑤구간에서는 인-록 임계값을 초과하므로 신호 환경이 양호한 것으로 판단, 기준값 신호방식으로 전환하게 된다.

이상에서 상술한 본 발명 "하이브리드 스마트 안테나 시스템 및 그 제어 방법"은, 채널 환경의 변화를 핑거 출력의 신호 전력의 레벨로 판단하여 신호 환경이 양호한 경우에는 고속의 데이터 통신에 적합한 방식을 적용하고, 신호환경이 양호하지 않은 경우에는 정확한 연산을 수행하는 방식을 적용함으로써, 채널 환경의 변화에 더욱 능동적으로 대처할 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 외부의 무선 환경으로부터 신호를 수신 받는 신호 수신기와, 신호 수신기로부터 전달받은 수신신호벡터의 계수벡터를 블라인드 방식으로 구하는 제1 신호프로세서와, 상기 신호 수신기로부터 전달받은 수신신호벡터의 계수벡터를 기준신호 적용 방식으로 구하는 제2 신호프로세서를 구비한 스마트 안테나 시스템에 있어서,

   상기 제1 신호프로세서 또는 제 2 신호프로세서에서 출력되는 신호의 전력을 측정하는 신호전력 측정기와;

   상기 신호전력 측정기의 결과 값에 따라 상기 신호 수신기에서 출력되는 수신 신호를 상기 제1 신호프로세서 또는 제 2 신호프로세서로 전달토록 제어신호를 발생하는 스위치 제어기와;

   상기 스위치 제어기에서 출력되는 제어신호에 대응하여 상기 신호 수신기의 출력을 제1 프로세서 또는 제 2 프로세서에 선택적으로 전달하는 스위치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 스마트 안테나 시스템.
2. 스마트 안테나 시스템의 제어 방법에 있어서,

   신호전력 측정기에서 수신 신호의 전력을 측정한 후 현재 핑거가 인-록(In-lock)상태인지 여부를 판단하여, 현재 핑거가 인-록 상태이면 수신 신호의 전력이이 아웃-록(Out-lock) 임계값 이하인지를 다시 판단하는 단계와;

   상기 판단 결과, 수신 신호전력이 아웃-록 임계값 이상이면 현재의 신호처리방식을 유지하고 수신 신호전력이 아웃-록 임계값 이하인 경우에는 상기 임계값 이하인 상태가 일정시간 이상 유지되는지를 더 판단하여, 일정시간 이상 아웃-록 임계값 이하인 상태가 유지되면 기준값 신호처리 방식으로 전환하는 단계와;

   상기 수신 신호 전력이 임계값 이하인 상태가 일정시간 이하일 경우에는 현재의 신호처리 방식을 유지하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템의 제어 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 현재 핑거가 인-록(In-lock)상태인지 여부의 판단 결과 현재 핑거가 인-록(In-lock) 상태가 아닌 경우에는 핑거가 아웃-록(Out-lock) 상태인지를 판단하여, 현재 핑거가 아웃-록 상태인 경우 상기 수신 신호 전력이 인-록 임계값 이상인지를 더 판단하는 단계와;

   상기 판단 결과, 수신 신호전력이 인-록 임계값 이하이면 현재의 신호처리 방식을 유지하고 수신 신호전력이 인-록 임계값 이상인 경우에는 상기 임계값 이상인 상태가 일정시간 이상 유지되는지를 판단하여, 일정시간 이상 인-록 임계값 이상인 상태가 유지되면 블라인드 신호처리 방식으로 전환하는 단계와;

   상기 수신 신호 전력이 임계값 이상인 상태가 일정시간 이하일 경우 현재의 신호처리 방식을 유지하는 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템의 제어 방법.