KR20030064617A - 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하기 위한방법 및 장치 - Google Patents

안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하기 위한방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

다중 안테나들을 포함하는 안테나 어레이를 포함하는 통신 장치에서, 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 통신 장치는 통신 장치로부터 통신 유닛으로의 방위를 결정하고, 다중 안테나들 각각을 경유하여 통신 장치에 의해 통신 유닛으로부터 수신된 신호의 도달 방향을 결정한다. 더욱이, 통신 장치는 통신 장치로부터 통신 유닛으로의 거리를 결정하고, 또한 통신 유닛으로부터 통신 장치에 의해 수신된 다중 신호들을 기초로 하여 다중 신호 품질 메트릭들을 결정한다. 통신 장치는 그 다음 상기 결정된 방위 및 상기 결정된 도달 방향, 상기 결정된 거리 또는 상기 결정된 신호 품질 메트릭들 중의 어느 하나 이상을 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하고, 그것에 의해 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화한다.

Description

안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하기 위한 방법 및 장치{A method and apparatus for optimizing the usage of an antenna array beamforming technique}
다중 안테나들을 포함하는 안테나 어레이에 접속되는 베이스 사이트(base site) 및 다중 이동 가입자 유닛들을 포함하는 무선 원격통신 시스템에서, 상기 베이스 사이트에 의한 액티브 가입자 유닛으로의 방송(broadcast)은 다른 액티브 가입자 유닛으로의 방송과 간섭할 수 있다. 상기 간섭은 가입자 유닛에 의해 수신되는 무선 주파수(RF) 신호에 대해 용인할 수 없는 악화를 야기할 수 있고 성능이 저하되며 아마 통화가 절단될 것이다. 간섭을 줄이기 위하여, 의도되는 가입자 유닛으로 신호의 방송을 보다 집중시키고 동일 베이스 사이트 및 안테나 어레이를 사용하는 다른 액티브 가입자 유닛들과의 간섭이 줄어들도록 안테나 어레이 빔 유형을 적합하게 형성하기 위한 방법이 개발되었다.
안테나 어레이 빔 패턴을 적합하게 형성하기 위한 많은 기법들이 제안되었다. 다수의 이들 기법들은 최대 수신된(베이스 사이트에 의해 가입자 유닛으로) 신호 세기의 방향으로 안테나 어레이 빔을 집중시키는 것을 제공한다. 즉, 상기 기법들은 신호 부분들을 결합하기 전에 다중 안테나들 각각을 경유하여 가입자 유닛으로부터 수신된 신호의 각 부분에 대해 별개의 크기 및 위상 조정을 결정하고, 그것에 의해 상기 베이스 사이트로 하여금 상기 수신된 신호 및 간섭 신호들을 분해하고 상기 간섭 신호들을 제거하며 상기 수신된 신호를 최적화하도록 허용한다. 베이스 사이트가 가입자 유닛에 신호를 전송하는 경우, 수신된 신호를 기초로 하여 결정된 크기 및 위상 조정들은 다시 다중 안테나들 각각에 의해 전송되고 있는 신호의 각 부분에 인가된다.
그러나, 가입자 유닛에 신호를 방송하기 위하여 안테나 빔을 형성하는 것이 불리한 경우들이 있을 수 있다. 예를 들어, 가입자 유닛은 장애물 뒤에 위치할 수 있고, 그 결과 가입자 유닛의 인지된 방향인 최대 수신된 신호 세기의 방향으로 집중된 신호는 대신에 단지 상기 장애물의 가장자리에 집중된다. 넓은 방송 신호는 좁은 빔 신호보다 더 용이하게 장애물 주위에 방산할 것이고 빔 신호보다 가입자 유닛에 도달할 더 좋은 기회를 가질 것이다. 집중된 빔이 불리한 다른 경우는 페이딩(fading)이 수신된 신호 세기를 기초로 하여 가입자 유닛의 위치를 결정하는 것을 매우 어렵게 하는 환경에 가입자 유닛이 위치하는 경우이다. 빔 신호는 잘못된 방향을 목표로 삼을 수 있다. 또는 가입자 유닛이 상기 유닛의 전원에 문제로 인하여 감소하는 전력 레벨로 동작할 수 있고 약간 잘못된 방향의 빔 신호를 허용 가능하게 수신할 수 없을 것이다. 따라서, 안테나 어레이 빔 형성 기법의 채용에 적합한 경우인지에 대한 결정을 제공하는 방법 및 장치가 필요하다.
본 발명은 무선 원격통신 시스템들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 원격통신 시스템들에서 안테나 어레이들의 사용에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 원격통신 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 1의 베이스 사이트의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 1의 통신 유닛의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하기 위한 벡터들의 사용의 예시이다.
도 5a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하기 위하여 통신 장치에 의해 실행되는 단계들의 논리 흐름도이다.
도 5b는 도 5a의 연속이고 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하기 위하여 통신 장치에 의해 실행되는 단계들의 논리 흐름도이다.
다중 안테나들을 포함하는 안테나 어레이를 포함하는 통신 장치에서, 본 발명은 안테나 어레이 빔 형성(beamforming) 기법의 사용을 최적화하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 일 실시예에 있어서, 통신 장치는 상기 통신 장치로부터 통신 유닛으로의 방위(bearing)를 결정하고 다중 안테나들 각각을 경유하여 상기 통신 장치에 의해 상기 통신 유닛으로부터 수신된 신호의 도달 방향을 결정한다. 상기 통신 장치는 상기 방위를 상기 도달 방향과 비교하고, 상기 둘 간의 차이를 결정하며, 상기 결정된 차이를 소정의 차이 임계값과 비교한다. 그 다음 상기 통신 장치는 상기 결정된 차이와 상기 소정의 차이 임계값과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정한다.
대안적인 실시예에 있어서, 통신 장치는 베이스 사이트 및 통신 유닛간의 거리를 결정하고 상기 결정된 거리를 소정의 거리 임계값과 비교한다. 그 다음 상기 통신 장치는 상기 결정된 거리와 상기 소정의 거리 임계값과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정한다.
다른 대안적인 실시예에 있어서, 통신 장치는 통신 유닛으로부터 수신된 다중 신호들을 기초로 하여 다중 신호 품질 메트릭(metric)들을 결정하고, 상기 다중 신호 품질 메트릭들을 서로와 비교하며, 상기 다중 신호 품질 메트릭들의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정한다.
상기 결정된 차이와 상기 소정의 차이 임계값과의 비교, 상기 결정된 거리와 상기 소정의 거리 임계값과의 비교, 또는 상기 다중 신호 품질 메트릭들과 서로와의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정함으로써, 본 발명은 잘못된 방향의 빔 신호가 상기 통신 유닛에 의해 허용 가능하게 수신될 수 없는 환경에서 최대 빔 폭 방송(maximum beamwidth broadcast)을 채용하도록 결정함으로써 그리고 빔 신호가 상기 통신 유닛에 허용 가능하게 전송될 수 있는 환경에서 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하도록 결정함으로써 상기 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화한다.
본 발명은 도 1 내지 도 5b를 참조하여 보다 충분히 기술될 수 있다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 원격통신 시스템(100)의 블록도이다. 무선 원격통신 시스템(100)은 서로와 접속되고, 전용 T1 전화선들 또는 마이크로파 링크들과 같은, 네트워크(120)를 경유하여 시스템 제어기(122)에 접속되는, 다중의 지리적으로-별개의 통신 장치들(101-103)(3개 표시), 바람직하기로는 베이스 사이트(base site)들을 포함한다. 상기 3개의 베이스 사이트들(101-103), 상기 시스템 제어기(122) 및 상기 네트워크(120)는 일괄하여 고정 하부구조로 지칭된다. 위치에 고정되는 각 베이스 사이트(101-103)의 정확한 위치는 조사 또는 지리적인 위치 결정의 다른 방법들에 의해 결정되는 것으로서 높은 정확성을 가지고 알려진다. 시스템 제어기(122)는 제어기(122)로 하여금 데이터를 저장하고 프로그램들을 구동하며 계산들을 수행하도록 허용하는 프로세서(124), 바람직하기로는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 마이크로컨트롤러, 및 연관된 메모리(126)를 포함한다. 바람직하기로는, 메모리(126)는 시스템(100)에서 모든 베이스 사이트들(101-103)의 위치들을 포함하는 위치 데이터베이스(128)를 더 포함한다. 대안으로, 위치 데이터베이스(128)는 베이스 사이트들(101-103) 중의 하나와 같이, 시스템(100)에서 어디든지 위치할 수 있고, 네트워크(120)를 경유하여 시스템(100)의 다른 구성요소들에 접속될 수 있다.
각 베이스 사이트(101-103)는 각각의 서비스 커버리지 영역(111-113)에 통신 서비스를 제공한다. 각 커버리지 영역(111-113)은 3개의 섹터들로 세분된다. 즉,커버리지 영역(111)은 섹터들(131-133)로 세분되고, 커버리지 영역(112)은 섹터들(134-136)로 세분되며, 커버리지 영역(113)은 섹터들(137-139)로 세분된다. 각 섹터(131-139)는 상기 섹터의 각 커버리지 영역(111-113)의 360°범위 중에서 대략 120°의 범위를 차지한다. 각 베이스 사이트(101-103)는 바람직하기로는 다중 안테나 어레이들(141-143)(3개 표시)을 포함하고, 각 안테나 어레이는 상기 베이스 사이트가 놓여있는 커버리지 영역의 섹터들 중의 하나에 연관된다. 차례로, 각 안테나 어레이(141-143)는 다중 지향성 안테나들(즉, 안테나 어레이(141)는 안테나들(144, 145(2개 표시))을 포함하고, 안테나 어레이(142)는 안테나들(146, 147(2개 표시))을 포함하며, 안테나 어레이(143)는 안테나들(148, 149(2개 표시))을 포함한다)을 포함하고, 다중 지향성 안테나들은 커버리지 영역의 각 섹터와 연관된다. 당업자는 보다 많은 안테나들이 안테나 어레이에 포함되면 될수록, 더 좁게 집중된 빔이 상기 어레이에 의해 전송될 수 있다는 것을 이해한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베이스 사이트(101-103)의 블록도이다. 각 베이스 사이트(101-103)는 바람직하기로는 다중 안테나 어레이들(141-143) 및 그들의 연관된 안테나들(144-149)을 포함한다. 각 안테나(144-149)는 무선 주파수(RF) 필터(220), 국부 발진기(222), 및 아날로그-디지털 변환기(226) 각각에 접속되는 복조기(224)를 포함하는 각각의 수신기 유닛(204-209)에 접속된다. 각 수신기 유닛(204-209)은 프로세서(210), 바람직하기로는 마이크로프로세서 또는 디지털 신호 프로세서(DSP)에 더 접속된다. 프로세스(210) 및 연관된 메모리(212), 바람직하기로는 랜덤 액세스 메모리(RAM)는 베이스 사이트로 하여금 정보를 저장하고계산들을 수행하며 소프트웨어 프로그램들을 구동하도록 허용한다. 각 베이스 사이트(101-103)는 베이스 사이트에 타이밍 참조를 제공하는 프로세서(210)에 접속되는 타이밍 참조 유닛(214) 및 상기 타이밍 참조 유닛(214)에 접속되는 글로벌 위치확인 위성(GPS; Global Positioning Satellite) 수신기(216)를 더 포함한다.
각 베이스 사이트(101-103)는 상기 베이스 사이트가 자신의 타이밍 참조 유닛(210)을 동기화하는데 사용하는 공통 타임 베이스에 액세스한다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 공통 타임 베이스는 각 베이스 사이트(101-103)에서 상기 GPS 수신기(212)에 의해 제공되고, 상기 GPS 수신기(212)는 GPS 위성 신호에 액세스한다; 그러나, 당업자는 네트워크(120)의 부분이고 시간 동기화에 전용하는 전용 T1 링크를 경유하여 베이스 사이트에 접속되는 동기화 유닛과 같은, 베이스 사이트들(101-103) 각각에 매우 정확한 공통 타임 베이스를 제공하는 다른 방법들이 있고, 상기 동기화 유닛은 공통 타임 베이스를 생성하고 T1 링크를 경유하여 베이스 사이트들(101-103) 각각에 또는 베이스 사이트들(101-103) 각각에 의해 수신되는 신호를 방송하는 알려진 위치에 놓여있는 이동 유닛에 공통 타임 베이스를 공급하며, 상기 신호는 베이스 사이트들에 대해 동기화 타임 베이스로서 기능하고, 상기 다른 방법들은 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않으면서 사용될 수 있다는 것을 이해한다.
원격통신 시스템(100)은 또한 다중 통신 유닛들(110)을 포함하고, 그들 중에서 단 하나가 도 1에 도시된다. 통신 유닛(110)은 바람직하기로는 셀룰러 전화 또는 무선 전화이고, 도 3에 도시된 바와 같이, 바람직하기로는 안테나(308), 각각안테나(308)와 마이크로프로세서(304)에 접속되는 송신기(300)와 수신기(302), 및 마이크로프로세서(304)에 접속되는 메모리(306)를 포함한다.
통신 유닛(110)이 상기 시스템(100) 도처에 로밍하는 경우, 시스템 제어기(122)는 상기 통신 유닛(110)을 위해 서빙 베이스 사이트로서 서비스하는 베이스 사이트(예를 들어, 베이스 사이트(101))를 할당한다. 상기 서빙 베이스 사이트(101)는 상기 통신 유닛이 서빙 베이스 사이트의 서비스 커버리지 영역(111)의 섹터(즉, 섹터(131))내에 위치하는 동안 통신 유닛(110)에 대해 무선 통신 서비스들을 관리하고 제공한다.
베이스 사이트(101)로부터 통신 유닛(110)에 의해 수신된 RF 신호의 세기를 최적화하고, 베이스 사이트(101) 및 섹터(131)내의 다른 액티브 통신 유닛들간의 통신에서 RF 신호의 간섭을 최소화하기 위하여, 베이스 사이트(101)는 상기 RF 신호의 방송에 대해 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용한다. 상기 안테나 어레이 빔 형성 기법은 베이스 사이트(101)로 하여금 통신 유닛(110)에 좁게 집중된 신호를 방송하도록 허용한다. 그러나, 페이딩(fading)이 RF 신호의 수신에 중요한 영향을 갖거나 장애물이 통신 유닛(110) 및 베이스 사이트(101)간의 가시선 통신을 막는 경우와 같은, 어떤 신호 전파 상황들에서, 안테나 빔 형성 기법의 채용은 통신 유닛(110)으로의 실제 방향과 상이한 방향으로 발사되는 신호가 될 수 있다. 상기 안테나 빔 형성 기법에 의해 결정된 대로 발사된 신호의 방향과 통신 유닛으로의 방향간의 차이에 따라, 오히려 베이스 사이트(101)는 최대 빔 폭으로 방송하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 본 발명은 안테나 빔 형성 기법을 채용하든지 또는 대신에 최대 빔 폭으로 방송하는지를 결정함으로써 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
안테나 빔 형성 방법을 채용할지를 결정하는 시스템(100)의 동작은 다음과 같다. 시스템(100)은 통신 유닛(110)의 지리적인 위치를 결정한다. 바람직한 실시예에 있어서, 공통 타임 베이스에 관하여 동기화되는 통신 유닛(110)은 베이스 사이트들(101-103) 각각에 신호를 전송한다. 상기 신호는 통신 유닛(110)에 고유하게 대응하는 심벌들의 식별 시퀀스와 같은, 식별자를 포함하고, 동기화 심벌들, 파일럿 심벌들, 및 공통 타임 베이스에 관한 전송 시간 표시를 더 포함한다. 통신 유닛(110)으로부터 신호를 수신하는 경우, 베이스 사이트들(101-103) 각각은 상기 신호의 도달 시간을 결정하고 상기 결정된 도달 시간을 서빙 베이스 사이트(101)에 전송한다. 베이스 사이트(101)의 프로세서(210)는 베이스 사이트들(101-103)의 위치들을 획득하기 위하여 위치 데이터베이스(128)를 조회하고, 메모리(212)내의 프로그램들로서 저장된 삼각 측량(triangulation) 또는 다른 지리적인 교차 기법들을 사용함으로써 베이스 사이트 위치들을 기초로 하여 통신 유닛(110)의 위치, 및 베이스 사이트들(101-103) 각각으로부터 수신된 도달 시간 정보를 결정한다. 프로세서(210)는 그 다음 상기 결정된 위치를 메모리(212)에 저장한다.
본 발명의 대안적인 실시예에 있어서, 베이스 사이트들(101-103) 각각은 그들의 각각 결정된 도달 시간들을 제어기(122)에 전송한다. 제어기(122)의 프로세서(124)는 베이스 사이트들(101-103)의 위치들을 획득하기 위하여 위치 데이터베이스(128)를 조회하고, 메모리(126)내의 프로그램들로서 저장된 삼각 측량 또는 다른 지리적인 교차 기법들을 사용함으로써 베이스 사이트 위치들을 기초로 하여 통신 유닛(110)의 위치, 및 베이스 사이트들(101-103) 각각으로부터 수신된 도달 시간 정보를 결정한다. 그 다음 제어기(122)는 통신 유닛(110)의 위치를 베이스 사이트(101)에 전송하고, 여기서 상기 위치는 메모리(212)에 저장된다.
본 발명의 다른 대안적인 실시예에 있어서, 각 베이스 사이트(101-103)는 통신 유닛(110)의 지리적인 위치를 결정하기 위하여 상기 통신 유닛(110)에 신호를 전송한다. 각 신호는 각 신호를 전송하는 베이스 사이트(101-103)에 고유하게 대응하는, 심벌들의 식별 시퀀스와 같은, 식별자를 포함한다. 각 신호는 또한 공통 타임 베이스에 관한 전송 시간 표시를 포함한다. 통신 유닛(110)이 베이스 사이트들(101-103)로부터 상기 신호들을 수신하는 경우, 통신 유닛(110)은 다른 신호들 각각에 관하여 각 신호에 대한 도달 시간차를 결정하고, 상기 결정된 도달 시간차들을 베이스 사이트들(101-103) 중의 하나를 경유하여 제어기(122)에 전송한다. 제어기(122)내의 프로세서(124)는 베이스 사이트들(101-103)의 위치들을 획득하기 위하여 위치 데이터베이스(128)를 조회하고, 메모리(126)에 프로그램들로서 저장된 삼각 측량 또는 다른 지리적인 교차 기법들을 사용함으로써 베이스 사이트 위치들을 기초로 하여 통신 유닛(110)의 지리적인 위치, 및 통신 유닛(110)으로부터 수신된 도달 시간차 정보를 결정한다. 그 다음 제어기(122)는 통신 유닛(110)의 위치를 베이스 사이트(101)에 전송하고, 여기서 상기 위치는 메모리(212)에 저장된다.
본 발명의 또 다른 대안적인 실시예에 있어서, 통신 유닛(110)은 마이크로프로세서(304) 및 안테나(308)에 접속되는 GPS 수신기를 더 포함하고, GPS 위성들의 배치(constellation) 중에서 적어도 3개로부터 신호들을 수신하는 GPS 수신기를 사용함으로써 자신의 지리적인 위치를 스스로 결정한다. 그 다음, 통신 유닛(110), 바람직하기로는 마이크로프로세서(304)는 메모리(306)에 프로그램들로서 저장된 기법들인 GPS 시스템들에 적용되는 삼각 측량의 알려진 기법들에 따라 상기 위성 신호들을 기초로 하여 자신의 위치를 결정한다. 그 다음, 통신 유닛(110)은 상기 결정된 위치를 베이스 사이트(101)에 전송하고, 여기서 상기 위치는 메모리(212)에 저장된다.
그 다음, 베이스 사이트(101)내의 프로세서(210), 또는 대안으로 제어기(122)내의 프로세서(124)는 베이스 사이트(101) 및 통신 유닛(110)간의 거리를 결정한다. 프로세서(210)는 메모리(212), 또는 대안으로 메모리(126)에 저장된 거리 결정 알고리즘을 실행하고, 상기 알고리즘은 위치 데이터베이스(128)에 저장된 베이스 사이트(101)의 위치 및 메모리(212), 또는 대안으로 메모리(126)에 저장된 통신 유닛(110)의 상기 결정된 위치를 이용한다. 프로세서(210)는 또한 상기 2개의 저장된 위치들을 기초로 하여 베이스 사이트(101)로부터 통신 유닛(110)으로의 방위(bearing)를 결정한다. 프로세서(210)는 상기 결정된 거리를 메모리(212)에 저장된 소정의 거리 임계값, 예를 들어 150 미터와 비교한다. 소정의 거리 임계값을 결정하는데 고려되는 요인들 중에서 섹터(즉, 섹터(131))내의 통신 유닛들의 평균 속도 및 상기 섹터에 존재하는 장애물들이 있고, 통신 유닛이 서빙 베이스 사이트에 매우 근접해서 최대 대역폭 빔이 상기 통신 유닛에 도달하기에 충분한 에너지를 갖는 경우 또는 좁게 집중된 빔이 빈번하게 재조정되어야 할 만큼 너무 빨리 위치들을 변경시키는 경우, 최대 빔 폭 빔이 바람직하다. 당업자는 다양한 거리들이 소정의 거리 임계값으로 사용될 수 있다는 것과 채용되는 특정 임계값은 시스템 설계자에 달려있다는 것을 이해한다.
상기 결정된 거리가 상기 소정의 거리 임계값보다 작거나 같은 경우, 베이스 사이트(101)는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하지 않고 대신 최대 빔 폭으로 방송하도록 결정한다. 상기 결정된 거리가 상기 소정의 거리 임계값보다 큰 경우, 프로세서(210)는 통신 장치(110)의 상기 결정된 위치 및 베이스 사이트(101)에 의해 통신 유닛(110)으로부터 수신되는 신호의 도달 방향(DOA; direction of arrival)을 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하고, 상기 DOA는 후술되는 바와 같이 결정된다.
시스템(100)은 다음과 같이 베이스 사이트에 의해 서비스되는 통신 유닛으로부터 베이스 사이트에 의해 수신되는 신호의 DOA를 결정한다. 서빙 베이스 사이트(즉, 베이스 사이트(101))에 의해 서비스되는 섹터(즉, 섹터(131))에 위치하는 통신 유닛(즉, 통신 유닛(110))에 바람직하기로는 통신 유닛(110) 및 베이스 사이트(101)간의 무선 주파수(RF) 통신에 대한 주파수 대역폭을 포함하는 통신 채널이 할당된다. 통신 유닛(110)은 RF 신호(150)를 할당된 통신 채널에서 베이스 사이트(101)에 전송하고, 상기 RF 신호(150)는 안테나 어레이(141)의 다중 안테나들(144, 145) 각각에 수신된다.
제1 수신된 신호를 생성하기 위하여 안테나 어레이(141)의 다중안테나들(144, 145) 중에서 제1 안테나(144)에 의해 그리고 제2 수신된 신호를 생성하기 위하여 다중 안테나들(144, 145) 중에서 제2 안테나(145)에 의해 신호(150)가 수신된다. 안테나(144)는 상기 제1 수신된 신호를 상기 다중 수신기 유닛들(204-209) 중에서 제1 수신기 유닛(204)에 전달하고 안테나(145)는 상기 제2 수신된 신호를 상기 다중 수신기 유닛들(204-209) 중에서 제2 수신기 유닛(205)에 전달한다.
수신기 유닛(204)에서, 제1 수신된 신호는 RF 필터(220)에 전달되고, 여기서 대역외 잡음은 상기 신호로부터 제거되어 제1 필터링된 신호를 생성한다. 상기 제1 필터링된 신호는 국부 발진기(222)에 의해 생성되는 참조 신호와 함께 복조기(224)에 전달된다. 바람직하기로는, 상기 참조 신호의 주파수는 대체로 신호(150)의 주파수이다. 복조기(224)는 상기 제1 필터링된 신호를 상기 참조 신호와 혼합하여 제1 기저대역 신호를 생성한다. 상기 제1 기저대역 신호는 A/D(226)에 전달되고, 상기 A/D는 상기 제1 기저대역 신호를 디지털화하여 제1 디지털화된 기저대역 신호를 생성한다. 수신기 유닛(204)은 그 다음 상기 제1 디지털화된 기저대역 신호를 프로세서(210)에 전달한다.
상기 제1 수신된 신호의 처리 과정과 유사하게, 수신기 유닛(205)에서, 제2 수신된 신호는 RF 필터(220)에 전달되고, 여기서 대역외 잡음은 상기 신호로부터 제거되어 제2 필터링된 신호를 생성한다. 상기 제2 필터링된 신호는 국부 발진기(222)에 의해 생성되는 참조 신호와 함께 복조기(224)에 전달된다. 바람직하기로는, 상기 참조 신호의 주파수는 대체로 신호(150)의 주파수이다. 복조기(224)는 상기 제2 필터링된 신호를 상기 참조 신호와 혼합하여 제2 기저대역 신호를 생성한다. 상기 제2 기저대역 신호는 A/D(226)에 전달되고, 상기 A/D는 상기 제2 기저대역 신호를 디지털화하여 제2 디지털화된 기저대역 신호를 생성한다. 수신기 유닛(205)은 그 다음 상기 제2 디지털화된 기저대역 신호를 프로세서(210)에 전달한다.
상기 제1 디지털화된 기저대역 신호 및 상기 제2 디지털화된 기저대역 신호 각각을 수신하는 경우, 프로세서(210)는 상기 제1 수신된 신호 및 상기 제2 수신된 신호 각각에 대해, 도달 시간(TOA; time of arrival), 또는 대안으로 도달 위상을 결정한다. 각 TOA 또는 도달 위상 결정은 공통 타임 베이스를 참조하여 수행되고, 각각의 수신 안테나들(144, 145)로부터 프로세서(210)로의 상기 제1 및 제2 수신된 신호들 각각의 경로에서의 알려진 지연들을 기초로 하고, 상기 지연들은 메모리(212)에 저장된다.
그 다음 프로세서(210)는 메모리(212)에 저장된 DOA 알고리즘을 실행함으로써 신호(150)에 대한 도달 방향(DOA)을 결정한다. 상기 DOA 알고리즘은 상기 제1 및 제2 수신된 신호들 각각에 대한 TOA 결정들을 기초로 하여 신호(150)에 대한 DOA를 결정하고 추가로 어레이에서 다른 안테나들에 관하여 어레이(141)의 다중 안테나들(144, 145) 각각의 소정의 공간 분리(spatial separation) 및 방향 정렬(directional alignment)을 기초로 한다. 바람직하기로는, 다중 안테나들(144, 145) 각각의 상기 공간 분리, 바람직하기로는 반 파장 및 방향 정렬은 메모리(212)에 저장된다. 대안으로, 상기 DOA 알고리즘은 다중 안테나들(144, 145) 각각에 수신되는 신호의 위상 및 상기 다중 안테나들 각각의 소정의 공간 분리 및 정렬을 기초로 하여 신호(150)에 대한 DOA를 결정할 수 있다. DOA를 결정하기 위해 이용 가능한 많은 알고리즘들이 있다. 바람직한 실시예에서 사용되는 그러한 하나의 알고리즘은 회전 불변 기법들을 통한 신호 매개변수들의 추정(ESPRIT; Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) 알고리즘이고, 상기 알고리즘은 논문 "ESPRIT- 회전 불변 기법들을 통한 신호 매개변수들의 추정", (IEEE Transactions on Accoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 37, no. 7, July 1989)에 기술된다. 여기에 사용될 수 있는 다른 알고리즘은 다중 신호 식별 및 분류(MUSIC; Multiple Signal Identification and Classification)이다. 그 다음 프로세서(210)는 상기 결정된 DOA를 메모리(212)에 전달하고, 상기 결정된 DOA는 데이터 어레이에 저장된다.
바람직한 실시예에 있어서, 프로세서(210)가 어레이(141)의 다중 안테나들(144, 145) 각각을 경유하여 통신 유닛(110)으로부터 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호에 대해 DOA를 결정하며, 상기 DOA를 메모리(212)에 저장하는 상기 절차들은 1.25 밀리초(ms)마다 반복된다. 대략 0.4초가 걸리는, 메모리(212)내의 데이터 어레이에 320개의 DOA 결정들을 축적한 후에, 프로세서(210)는 메모리(212)에 저장되는 통계 분석 프로그램을 실행함으로써, 상기 축적된 DOA 결정들을 기초로 하여, DOA 평균 및 DOA 분산을 결정한다. 상기 DOA 평균은 베이스 사이트(101)에 의해 통신 유닛(110)으로부터 수신되는 신호들의 들어오는 방향을 기초로 하여 베이스 사이트(101)로부터 통신 유닛(110)으로의 추정된 지리적인 방향을 구성한다.
그 다음 시스템(100)은 베이스 사이트(101)로부터 통신 유닛(110)으로의 상기 추정된 지리적인 방향을 베이스 사이트(101)로부터 통신 유닛(110)으로의 결정된 방위와 비교하고, 상기 추정된 지리적인 방향과 상기 결정된 방위간의 차이를 결정하며, 상기 결정된 차이를 차이 임계값과 비교한다. 도 4는 비교를 수행하고 차이를 결정하기 위하여 벡터들의 사용을 도시하고 독자가 본 발명의 원리들을 더 잘 이해할 수 있도록 본 명세서에 제공된다. 프로세서(210)는 베이스 사이트(101)로부터 통신 유닛(110)의 결정된 지리적인 위치 쪽으로 연장하는 제1 벡터(404)(즉, 베이스 사이트(101)로부터 통신 유닛(110)으로의 결정된 방위) 및 베이스 사이트(101)로부터 통신 유닛(110)으로의 추정된 지리적인 방향으로 연장하는 제2 벡터(406)를 결정한다. 그 다음 프로세서(210)는 제1 벡터(404) 및 제2 벡터(406)간의 각도 차이(408)(즉, 교차각(cross-angle))를 결정한다.
프로세서(210)는 교차각(408)을 소정의 각도 임계값과 비교한다. 상기 소정의 각도 임계값은 전송된 신호를 가지고 통신 유닛에 도달하는 가능성을 최대화하려는 요구 및 한 섹터(즉, 섹터(131))에서 다른 방송들과 간섭하는 가능성을 최소화하려는 요구를 기초로 한다. 섹터(131)에서 트래픽 레벨, 섹터의 지리적인 특징들(언덕들 및 건물들과 같은), 섹터(131)에서 신호의 전파를 특징짓는데 사용되는 신호 전파 모델 및 안테나 어레이에서 안테나들의 수와 같은 요인들은 소정의 각도 임계값을 선택하는데 고려될 수 있다. 예를 들어, 안테나 어레이(141)가 2개의 안테나들을 포함하는 경우, 대략 80°인 교차각이 적합할 수 있지만, 안테나어레이(141)가 4개의 안테나들을 포함하는 경우, 대략 50°인 교차각이 적합할 수 있는데, 이것은 상기 어레이가 더 많은 수의 안테나들을 포함하는 경우 상기 안테나 어레이는 보다 좁게 집중된 빔을 전송할 수 있기 때문이다.
교차각(408)이 상기 소정의 각도 임계값보다 큰 경우, 베이스 사이트(101)는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하지 않고 대신에 최대 빔 폭으로 방송하도록 결정한다. 그러나, 교차각(408)이 소정의 각도 임계값보다 작거나 같은 경우 및 결정된 거리(402)로서 도 4에 도시되는, 상술된 바와 같이 베이스 사이트(101) 및 통신 유닛(110)의 상기 결정된 지리적인 위치간의 결정된 거리가 소정의 거리 임계값보다 큰 경우, 프로세서(210)는 후술되는 신호 품질 메트릭(metric) 변화율을 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정한다.
상기 신호 품질 메트릭 변화율은 신호 품질 메트릭의 다중 결정들을 기초로 하고, 상기 신호 품질 메트릭은 다음과 같이 결정된다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 각 베이스 사이트(101-103)는 RF 입력 신호(232)의 스펙트럼을 분석하기 위한 수단, 바람직하기로는 수신된 RF 신호(150)의 스펙트럼을 분석하기 위한 스펙트럼 분석기에 접속되는 신호 가산기(230)를 더 포함하고, 상기 가산기(230) 및 스펙트럼 분석기(232)는 바람직하기로는 프로세서(210)에 각각 포함된다. 상기 제1 수신된 신호로부터 유도되는 제1 디지털화된 기저대역 신호 및 상기 제2 수신된 신호로부터 유도되는 제2 디지털화된 기저대역 신호는 가산기(230)에서 결합되어 결합된 기저대역 신호를 생성한다. 상기 결합된 기저대역 신호는 그 다음 스펙트럼 분석기(232)에 제공되고 신호 품질 메트릭, 바람직하기로는 신호-대-잡음 비(SNR)가 결정된다. 당업자는 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않으면서 여기에 사용될 수 있는, 신호 전력 또는 비트 에러율들(디지털 통신 시스템들에 대해)과 같은 다양한 신호 품질 메트릭들이 있다는 것을 이해한다. 본 명세서에서 SNR의 사용은 본 발명의 원리들을 더 잘 예시하기 위하여 신호 품질 메트릭의 예를 독자에게 제공하는 것을 의미한다.
SNR은 스펙트럼 분석 기법들에 의해 결정된다. 결합된 기저대역 신호의 스펙트럼은 스펙트럼 분석기(232)에서 분석된다. 바람직한 실시예에 있어서, 스펙트럼 분석기(232)의 기능들은 프로세서(210)에 의해 수행되고, 결합된 기저대역 신호의 주파수 성분들 및 그 크기들을 결정하기 위하여 결합된 기저대역 신호에 대해 고속 푸리에 변환(FFT; fast Fourier transform)을 수행한다. 주파수 성분들의 크기들은 그 다음 통신 채널에서 그리고 통신 채널에 인접한 상위 및 하위 주파수 대역들에서, 바람직하기로는 밀리와트에 관한 데시벨들(dBm)로 전체 전력을 계산하는데 사용된다. 프로세서(210)는 그 다음 대역내 및 인접 대역 전체 전력 레벨들의 비를 계산하고 SNR을 생성하며, 상기 SNR을 메모리(212)에 저장한다. 당업자는 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않으면서 여기에 사용될 수 있는, 대역내 및 인접 대역 전력 레벨들을 비교하기 위한 평균 전력 계산 및 결합된 기저대역 신호의 주파수 스펙트럼을 얻기 위한 이산 변환과 같은 다른 공지된 스펙트럼 분석 기법들이 있다는 것을 이해한다. 본 명세서에서 FFT 및 전체 전력의 사용은 본 발명의 원리들을 더 잘 예시하기 위하여 스펙트럼 분석 기법의 예를 독자에게 제공하는 것을 의미한다.
바람직한 실시예에 있어서, 베이스 사이트(101)는 주기적으로, 바람직하기로는 0.4 초마다 한번, 통신 유닛(110)으로부터 수신된 신호들에 대해 상술된 바와 같이 신호 품질 메트릭을 결정하고 저장한다. 메모리(212)에 관하여, 프로세서(210)는 각각의 새로이 결정된 신호 품질 메트릭(즉, SNR)을 바로 전 신호 품질 메트릭 결정과 비교하고 2개의 신호 품질 메트릭들간의 차이를 기초로 하여 신호 품질 메트릭 변화율(즉, SNR에서의 변화율)을 결정한다. 프로세서(210)는 그 다음 결정된 신호 품질 메트릭 변화율을 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값과 비교한다. 상기 변화율 임계값은 바람직하기로는 섹터(즉, 섹터(131))에서 트래픽 유형 및 트래픽 레벨, 및 섹터내의 장애물들의 수와 같은 요인들을 기초로 하여 시스템(100)의 설계자에 의해 결정된다. 당업자는 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않으면서 다양한 값들이 상기 소정의 변화율 임계값으로 사용될 수 있다는 것을 이해한다.
바람직한 실시예에 있어서, 소정의 변화율 임계값은 페이딩 또는 장애물들 또는 다양한 다른 요인들로 인하여 시스템(100)에 의해 허용되는 신호 품질 악화의 최대 비율이고, 그 이상인 경우 시스템(100), 바람직하기로는 베이스 사이트(101)는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하지 않을 것이다. 프로세서(210)는 이전 신호 품질 메트릭 결정으로부터 새로이 결정된 신호 품질 메트릭을 빼서 신호 품질 메트릭 변화율을 결정한다. 그 차이가 소정의 변화율 임계값보다 큰 경우, 프로세서(210)는 통신 유닛(110)으로의 전송을 위해 최대 빔 폭을 채용한다. 예를 들어, 단지 본 발명의 원리들을 예시하기 위하여, 새로이 결정된 SNR이 '-10 dBm'이고 바로 이전 SNR이 '0 dBm'인 경우, 신호 품질 메트릭 변화율은 '초당 0 dBm - (-10 dBm) = 10 dBm'이다. 상기 결정된 변화율(초당 10 dBm)은 소정의 변화율 임계값, 예를 들어 '초당 8 dBm'과 비교된다. 상기 결정된 변화율이 상기 변화율 임계값보다 큰 경우, 프로세서는 통신 유닛(110)으로의 전송들을 위해 최대 빔 폭을 채용한다. 그러나, 상기 결정된 변화율이 상기 변화율 임계값보다 작거나 같은 경우, 그리고 상술된 바와 같이, 교차각(408)이 소정의 각도 임계값보다 작거나 같은 경우 그리고 결정된 거리(402)가 소정의 거리 임계값보다 큰 경우, 프로세서(210)는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하도록 결정한다.
안테나 빔 형성 기법들은 공지된 기술이다. 많은 것이 최대 수신된(통신 유닛(110)으로부터 베이스 사이트(101)에 의해) 신호 세기의 방향으로 안테나 빔을 집중시키는 것을 기초로 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 베이스 사이트(101)는 미국 특허 제5,936,569호, "안테나 유형 조정을 위한 방법 및 장치(Method and Arrangement for Adjusting Antenna Pattern)"에 기술된 안테나 빔 형성 기법을 채용한다. 상기 특허는 본 발명의 양수인에게 양도되었고 본 명세서에 포함된다. 안테나 빔의 유형을 결정하는데 사용되는 기법은 본 명세서에서 중요하지 않고, 당업자는 다양한 빔 형성 방법들 중의 어느 하나가 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않으면서 여기에 사용될 수 있다는 것을 이해한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하도록 결정하기 전에 시스템(100)에 의해 결정된 요인들 및 각각의 3개의 소정의 임계값들간의 3개의 결정된 차이들을 고려한다. 그러나, 본 발명의 대안적인 실시예들에 있어서, 시스템(100), 바람직하기로는 베이스 사이트(101)는 상기 3개의 결정된 차이들 중의 어느 하나를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정한다. 즉, 베이스 사이트(101)는 결정된 거리(402)가 소정의 거리 임계값보다 큰 경우 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하고, 결정된 거리(402)가 소정의 거리 임계값보다 작거나 같은 경우 최대 빔 폭 방송을 채용하도록 결정할 수 있다. 대안으로, 베이스 사이트(101)는 교차각(408)이 소정의 각도 임계값보다 작거나 같은 경우 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하고, 교차각(408)이 소정의 각도 임계값보다 큰 경우 최대 빔 폭 방송을 채용하도록 결정할 수 있다. 또는 다른 대안적인 실시예에 있어서, 베이스 사이트(101)는 결정된 신호 품질 메트릭 변화율이 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값보다 작거나 같은 경우 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하고, 결정된 신호 품질 메트릭 변화율이 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값보다 큰 경우 최대 빔 폭 방송을 채용하도록 결정할 수 있다.
어떤 상황에서 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하고 다른 상황에서 최대 빔 폭을 채용하도록 결정함으로써, 본 발명은 베이스 사이트(101)에 의해 전송되는 신호가 통신 유닛(110)에 의해 수신될 가능성을 최적화하고, 통신 유닛(110)으로의 방송이 섹터(131)내의 다른 통신 유닛들로의 방송들과 간섭의 가능성을 최소화함으로써 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하려고 한다. 베이스 사이트(101)로부터 통신 유닛(110)으로의 방위 및 통신 유닛(110)으로부터 수신된 신호들의 도달 방향간의 차이가 소정의 임계값을 초과하는 것은 안테나 어레이 빔을 최대 수신된 신호 세기 방향으로 집중시키는 안테나 어레이 빔 형성 기법이 잘못된 방향을 갖는 안테나 빔이 된다는 것을 나타낸다. 그러한 경우에 있어서, 최대 안테나 빔 폭의 사용은 베이스 사이트(101)에 의해 전송된 신호의 통신 유닛(110)에 의한 수신을 더 잘 보장할 것이다. 더욱이, 신호 품질 메트릭에서 변화율을 감시함으로써, 베이스 사이트(101)는 통신 유닛이 약간 잘못된 방향을 갖는 빔 신호를 허용가능하게 수신할 수 없는지를 결정할 수 있는데, 이것은 예를 들어 상기 통신 유닛이 건물 뒤를 통과하거나 도시의 협곡을 통과하고 있기 때문이고, 최대 빔 폭 방송의 회절 또는 산란이 보다 적합할 수 있다. 더욱이, 통신 유닛(110)이 베이스 사이트의 소정의 거리내에 있는 경우, 최대 빔 폭 방송은 통신 유닛(110)에 도달하기에 충분한 에너지를 가져야 하지만 좁게 집중된 빔은 통신 유닛(110)의 움직임들에 따라갈 수 없을 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하고 그것에 의해서 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하기 위하여 통신 장치에 의해 실행되는 단계들의 논리 흐름도(500)이다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 통신 장치는 다중 안테나들을 포함하는 안테나 어레이를 포함하는 베이스 사이트이다. 상기 통신 장치는 다중 수신기 유닛들을 더 포함하고, 다중 안테나들의 각각의 안테나는 다중 수신기 유닛들의 개별적인 수신기 유닛에 접속되며, 프로세서는 다중 수신기 유닛들 각각에 접속되고, 메모리는 상기 프로세서에 접속된다.
논리 흐름이 시작되고(501), 통신 장치, 바람직하기로는 베이스 사이트가 통신 유닛, 바람직하기로는 셀룰러 전화 또는 무선 전화의 위치를 결정(502)한다. 바람직하기로는 통신 장치는 다중 통신 장치들 각각에서 신호의 도달 시간을 기초로 하여 그리고 다중 통신 장치들 각각의 지리적인 위치를 저장하는 위치 데이터베이스를 참조하여 통신 유닛의 위치를 결정한다. 통신 장치는 바람직하기로는 위치 데이터베이스를 참조하여 자신의 위치를 결정하고(503), 통신 장치의 위치 및 통신 유닛의 위치간의 거리를 결정한다(504). 통신 장치는 결정된 거리를 소정의 거리 임계값과 비교하고(505), 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정한다(506).
결정된 거리가 소정의 거리 임계값보다 작거나 같은 경우, 통신 장치는 최대 빔 폭으로 방송하도록 결정하고(507), 논리 흐름은 종료된다(508). 결정된 거리가 소정의 거리 임계값보다 큰 경우, 통신 장치는 또한 도달 방향(DOA)을 결정한 후 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정한다.
DOA를 결정하기 위하여, 통신 장치는 제1 수신된 신호를 생성하기 위하여 다중 안테나들 중에서 제1 안테나를 경유하여 통신 유닛으로부터의 신호를 수신하고(509), 제2 수신된 신호를 생성하기 위하여 다중 안테나들 중에서 제2 안테나를 경유하여 통신 유닛으로부터의 상기 신호를 수신한다(510). 통신 장치는 그 다음 상기 제1 수신된 신호 및 상기 제2 수신된 신호를 기초로 하여 상기 신호의 DOA를 결정한다(511). 바람직한 실시예에 있어서, 통신 유닛은 상기 제1 수신된 신호의 도달 시간 및 상기 제2 수신된 신호의 도달 시간을 결정한다. 대안으로, 통신 장치는 상기 제1 수신된 신호의 위상 및 상기 제2 수신된 신호의 위상을 결정한다. 통신 장치는 그 다음 메모리에 저장된 DOA 알고리즘을 실행함으로써 그리고 상기제1 및 제2 수신된 신호들의 결정된 도달 시간, 또는 대안으로 위상들을 기초로 하여 상기 신호의 DOA를 결정한다. 상기 신호의 결정된 DOA는 통신 장치에 의해 통신 유닛으로부터 수신된 신호를 기초로 하여 통신 장치로부터 통신 유닛으로의 추정된 지리적인 방향을 구성한다.
통신 장치는 통신 장치로부터 통신 유닛의 결정된 위치로의 방위를 결정하고(512), 그 다음 상기 방위를 상기 신호의 DOA와 비교한다(513). 바람직한 실시예에 있어서, 통신 장치는 상기 방위를 기초로 하여 제1 벡터를 결정하고 상기 DOA를 기초로 하여 제2 벡터를 결정한다. 통신 장치는 그 다음 상기 2개의 벡터들을 비교하고 상기 2개의 벡터들의 비교를 기초로 하여 상기 방위 및 상기 DOA간의 차이를 결정하며(514), 상기 차이는 상기 2개의 벡터들 간의 각도 차이(즉, 교차각)로서 결정된다.
상기 통신 장치는 상기 제1 및 제2 벡터들간의 결정된 차이, 즉 교차각을 소정의 차이 임계값, 바람직하기로는 소정의 각도 임계값과 비교하고(515), 상기 비교를 기초로 하여, 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채택할지를 결정한다(516). 상기 결정된 차이가 상기 소정의 각도 임계값보다 더 큰 경우, 통신 장치는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하지 않도록 결정하고(517), 대신에 최대 빔 폭 방송을 채용하며, 논리 흐름은 종료된다(508). 결정된 차이가 소정의 각도 임계값보다 작거나 같은 경우, 통신 장치는 신호 품질 메트릭 변화율을 더 결정한 후 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정한다.
신호 품질 메트릭 변화율을 결정하기 위하여, 통신 장치는 통신 유닛에 의해통신 장치에 전송된 다중 신호들 중에서 제1 신호를 수신하고(518), 상기 제1 신호를 기초로 하여 제1 신호 품질 메트릭을 결정한다(519). 통신 장치는 또한 다중 신호들 중에서 제2 신호를 수신하고(520), 상기 제2 신호를 기초로 하여 제2 신호 품질 메트릭을 결정하는데(521), 여기서 상기 제2 신호는 상기 제1 신호와 상이하다. 바람직하기로는, 상기 제1 및 제2 신호 품질 메트릭들은 각각 신호-대 잡음 비(SNR)이다; 그러나, 당업자는 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않으면서, 신호 전력 또는 비트율 에러와 같은, 다른 신호 품질 메트릭들이 여기에 사용될 수 있다는 것을 이해한다. 통신 장치는 제1 신호 품질 메트릭을 제2 신호 품질 메트릭과 비교하고(522), 상기 제1 및 제2 신호 품질 메트릭들의 비교를 기초로 하여 신호 품질 메트릭 변화율을 결정한다(523).
통신 장치는 신호 품질 메트릭 변화율을 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값과 비교하고(524), 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채택할지를 결정한다(525). 상술된 바와 같이, 통신 장치가 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하지 않도록 결정하기 전에, 소정의 변화율 임계값은 페이딩 또는 장애물들 또는 다양한 다른 요인들로 인하여 통신 장치에 의해 허용되는 신호 품질 악화의 최대 비율이다. 신호 품질 메트릭 변화율이 소정의 변화율 임계값보다 더 큰 경우, 통신 장치는 최대 빔 폭 방송을 채용하고(526), 논리 흐름이 종료된다(508). 결정된 변화율이 소정의 변화율 임계값보다 작거나 같은 경우, 그리고 결정된 거리가 소정의 거리 임계값보다 큰 경우, 그리고 각도 차이가 소정의 각도 임계값보다 작거나 같은 경우, 통신 장치는 안테나 빔 형성 기법을 채용하고(527) 논리 흐름은 종료된다(508).
본 발명의 바람직한 실시예는 3개의 결정들 각각(즉, 통신 유닛까지의 결정된 거리, 통신 유닛으로의 방위 및 DOA간의 결정된 차이, 및 결정된 신호 품질 메트릭 변화율)을 3개의 각각의 임계값들(즉, 소정의 거리 임계값, 소정의 차이 임계값, 및 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값)과 비교한 후, 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하도록 결정한다. 그러나, 당업자는 통신 장치가 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하기 위하여 모든 단계들(501 내지 527)이 필요한 것은 아니라는 것을 이해한다. 본 발명의 제1 대안적인 실시예에 있어서, 통신 장치는 단계들(502 내지 506)을 실행한다. 그 다음, 결정된 거리가 소정의 거리 임계값보다 작거나 같은 경우(단계 506), 안테나 어레이는 최대 대역폭으로 방송하고(507), 논리 흐름이 종료된다(508). 결정된 거리가 소정의 거리 임계값보다 더 큰 경우(단계 506), 안테나 어레이는 안테나 빔 형성 기법을 채용하고(단계 527) 논리 흐름이 종료된다.
본 발명의 제2 대안적인 실시예에 있어서, 통신 장치는 단계들(502 및 509 내지 516)을 실행한다. 그 다음, 통신 장치의 위치 및 DOA간의 결정된 차이가 소정의 차이 임계값보다 더 큰 경우(단계 516), 안테나 어레이는 최대 대역폭으로 방송하고(517) 논리 흐름이 종료된다(508). 결정된 거리가 소정의 차이 임계값보다 작거나 같은 경우(단계 516), 안테나 어레이는 안테나 빔 형성 기법을 채택하고(단계 527) 논리 흐름이 종료된다(508).
본 발명의 제3 대안적인 실시예에 있어서, 통신 장치는 단계들(518 내지 525)을 실행한다. 그 다음, 통신 장치의 위치 및 DOA간의 결정된 차이가 소정의 거리 임계값보다 큰 경우(단계 525), 안테나 어레이는 최대 대역폭으로 방송하고(526) 논리 흐름이 종료된다(508). 결정된 거리가 소정의 차이 임계값보다 작거나 같은 경우(단계 525), 안테나 어레이는 안테나 빔 형성 기법을 채용하고(527) 논리 흐름이 종료된다(508).
결국, 본 발명은 통신 장치, 바람직하기로는 베이스 사이트에 의해 통신 유닛으로 RF 신호의 방송을 위한 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정함으로써 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 베이스 사이트는 안테나 어레이를 포함하고, 상기 안테나 어레이는 다중 안테나들을 포함한다. 베이스 사이트는 통신 유닛의 지리적인 위치, 베이스 사이트로부터 통신 유닛의 결정된 위치로의 방위, 및 다중 안테나들 각각을 경유하여 통신 유닛으로부터 베이스 사이트에 의해 수신된 신호의 DOA를 결정한다. 베이스 사이트는 상기 방위를 상기 DOA와 비교하고, 상기 비교를 기초로 하여 차이를 결정하며, 상기 결정된 차이를 소정의 차이 임계값과 비교한다. 베이스 사이트는 또한 베이스 사이트 및 통신 유닛간의 거리를 결정하고, 상기 결정된 거리를 소정의 거리 임계값과 비교한다. 베이스 사이트는 또한 통신 유닛으로부터 수신된 신호들을 기초로 하여 다중 신호 품질 메트릭들을 결정하고, 상기 다중 신호 품질 메트릭들을 기초로 하여 신호 품질 메트릭 변화율을 결정하며, 상기 결정된 신호 품질 메트릭 변화율을 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값과 비교한다. 상기 결정된 차이, 상기 결정된 거리, 및 상기 결정된 신호 품질 메트릭 변화율과 그들 각각의 임계값들 각각과의 비교를 기초로 하여, 베이스 사이트는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정한다.
본 발명을 사용함으로써, 베이스 사이트는 베이스 사이트에 의해 전송된 신호가 통신 유닛에 의해 수신될 가능성을 최적화하고, 상기 통신 유닛으로의 방송이 다른 통신 유닛으로의 방송들과의 간섭에 대한 가능성을 최소화한다. 본 발명은 안테나 어레이 빔 형성 기법이 채용되는 경우 통신 유닛 및 베이스 사이트간의 페이딩 또는 장애물들의 존재가 잘못된 방향을 갖는 빔 신호가 되고 잘못된 방향을 갖는 빔 신호가 통신 유닛에 의해 허용 가능하게 수신될 수 없는 환경에서 최대 빔 폭 방송의 채용을 제공함으로써 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화한다. 그러나, 페이딩 또는 장애물들의 영향이 그다지 크지 않은 환경에서, 본 발명은 가까운 통신 유닛들로의 방송들과 최소 간섭을 제공하는 빔 신호가 되는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용함으로써 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화한다.
본 발명은 특히 본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 도시되고 기술되었지만, 당업자는 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않으면서 형태 및 상세에서 다양한 변경들이 가해질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 복수의 안테나들을 포함하는 안테나 어레이를 포함하는 통신 장치를 포함하는 무선 원격 통신 시스템에서, 안테나 어레이 빔 형성(beamforming) 기법을 채용할지를 결정하고 그것에 의해 상기 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하기 위한 방법에 있어서,
    통신 유닛의 위치를 결정하는 단계;
    상기 통신 장치의 위치를 결정하는 단계;
    상기 통신 유닛의 위치 및 상기 통신 장치의 위치간의 거리를 결정하는 단계;
    상기 결정된 거리를 소정의 거리 임계값과 비교하는 단계; 및
    상기 결정된 거리와 소정의 거리 임계값과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할 것인지를 결정하는 상기 단계는 상기 결정된 거리가 상기 소정의 거리 임계값보다 더 큰 경우 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하기로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 복수의 안테나들을 포함하는 안테나 어레이를 포함하는 통신 장치를 포함하는 무선 원격 통신 시스템에서, 안테나 어레이 빔 형성(beamforming) 기법을 채용할지를 결정하고 그것에 의해 상기 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하기 위한 방법에 있어서,
    상기 통신 장치로부터 통신 유닛의 위치로의 방위(bearing)를 결정하는 단계;
    제1 수신된 신호를 생성하기 위하여 상기 복수의 안테나들 중에서 제1 안테나를 경유하여 상기 통신 유닛으로부터의 신호를 수신하는 단계;
    제2 수신된 신호를 생성하기 위하여 상기 복수의 안테나들 중에서 제2 안테나를 경유하여 상기 통신 유닛으로부터의 상기 신호를 수신하는 단계;
    상기 제1 수신된 신호 및 상기 제2 수신된 신호를 기초로 하여 상기 신호의 도달 방향을 결정하는 단계;
    상기 통신 유닛의 위치를 상기 신호의 도달 방향과 비교하는 단계;
    상기 방위 및 상기 비교를 기초로 한 도달 방향간의 차이를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 차이를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 결정된 차이를 소정의 차이 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하고, 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 상기 단계는 상기 결정된 차이와 상기 소정의 차이 임계값과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 신호의 도달 방향을 결정하는 상기 단계는:
    상기 제1 수신된 신호의 도달 시간을 결정하는 단계;
    상기 제2 수신된 신호의 도달 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 제1 수신된 신호의 도달 시간 및 상기 제2 수신된 신호의 도달 시간을 기초로 하여 상기 신호의 도달 방향을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 신호의 도달 방향을 결정하는 상기 단계는:
    상기 제1 수신된 신호의 위상을 결정하는 단계;
    상기 제2 수신된 신호의 위상을 결정하는 단계; 및
    상기 제1 수신된 신호의 위상 및 상기 제2 수신된 신호의 위상을 기초로 하여 상기 신호의 도달 방향을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 통신 유닛의 위치를 상기 신호의 도달 방향과 비교하는 상기 단계는:
    상기 방위를 기초로 하여 제1 벡터를 결정하는 단계;
    상기 도달 방향을 기초로 하여 제2 벡터를 결정하는 단계; 및
    상기 제1 벡터를 상기 제2 벡터와 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 방위 및 상기 도달 방향의 차이를 결정하는 상기 단계는 상기 제1 벡터 및 상기 제2 벡터간의 각도 차이를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 각도 차이를 소정의 각도 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하고, 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 상기 단계는 상기 각도 차이와 상기 소정의 각도 임계값과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 통신 장치의 위치를 결정하는 단계;
    상기 통신 유닛 및 상기 통신 장치간의 거리를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 거리를 소정의 거리 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하고,
    안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 상기 단계는 상기 방위 및 상기 도달 방향간의 상기 결정된 차이 및 상기 결정된 거리와 상기 소정의 거리 임계값과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 베이스 사이트(base site)는 상기 통신 유닛으로부터 복수의 신호들을 수신하고, 상기 방법은:
    상기 통신 유닛으로부터 상기 복수의 신호들 중에서 제1 신호를 수신하는 단계;
    상기 제1 신호를 기초로 하여 제1 신호 품질 메트릭(metric)을 결정하는 단계;
    상기 통신 유닛으로부터 상기 복수의 신호들 중에서 제2 신호를 수신하는 단계;
    상기 제2 신호를 기초로 하여 제2 신호 품질 메트릭을 결정하는 단계; 및
    신호 품질 메트릭 변화율을 생성하기 위하여 상기 제1 신호 품질 메트릭을 상기 제2 신호 품질 메트릭과 비교하는 단계를 더 포함하고,
    안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 상기 단계는 상기 방위 및 상기 도달 방향간의 상기 결정된 차이, 상기 결정된 거리와 상기 소정의 거리 임계값과의 비교, 및 상기 신호 품질 메트릭 변화율을 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 방위 및 상기 도달 방향간의 상기 결정된 차이를 소정의 차이 임계값과 비교하는 단계; 및
    상기 신호 품질 메트릭 변화율을 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하고,
    안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 상기 단계는 상기 결정된 차이가 상기 소정의 차이 임계값보다 더 큰 경우, 상기 결정된 거리가 상기 소정의 거리 임계값보다 더 작은 경우, 또는 상기 신호 품질 메트릭 변화율이 상기 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값보다 더 큰 경우에는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하지 않도록 결정하는 단계 및 상기 결정된 차이가 상기 소정의 차이 임계값보다 더 작은 경우, 상기 결정된 거리가 상기 소정의 거리 임계값보다 더 큰 경우, 및 상기 신호 품질 메트릭 변화율이 상기 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값보다 더 작은 경우에는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하도록 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제3항에 있어서, 베이스 사이트(base site)는 상기 통신 유닛으로부터 복수의 신호들을 수신하고, 상기 방법은:
    상기 통신 유닛으로부터 상기 복수의 신호들 중에서 제1 신호를 수신하는 단계;
    상기 제1 신호를 기초로 하여 제1 신호 품질 메트릭(metric)을 결정하는 단계;
    상기 통신 유닛으로부터 상기 복수의 신호들 중에서 제2 신호를 수신하는 단계;
    상기 제2 신호를 기초로 하여 제2 신호 품질 메트릭을 결정하는 단계; 및
    상기 제1 신호 품질 메트릭을 상기 제2 신호 품질 메트릭과 비교하는 단계를 더 포함하고,
    안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 상기 단계는 상기 방위 및 상기 도달 방향간의 상기 결정된 차이 및 상기 제1 신호 품질 메트릭과 상기 제2 신호 품질 메트릭과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 신호 품질 메트릭과 상기 제2 신호 품질 메트릭과의 비교를 기초로 하여 신호 품질 메트릭 변화율을 결정하는 단계; 및
    상기 신호 품질 메트릭 변화율을 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하고,
    안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 상기 단계는 상기 방위 및 상기 도달 방향간의 상기 결정된 차이 및 상기 신호 품질 메트릭 변화율과 상기 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 복수의 안테나들을 포함하는 안테나 어레이를 포함하고 안테나 어레이 빔 형성(beamforming) 기법을 채용하는 베이스 사이트(base site)에서, 안테나 어레이빔 형성 기법을 채용할지를 결정하고 그것에 의해 상기 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하기 위한 방법에 있어서,
    통신 유닛으로부터 제1 신호를 수신하는 단계;
    상기 제1 신호를 기초로 하여 제1 신호 품질 메트릭을 결정하는 단계;
    상기 통신 유닛으로부터 제2 신호를 수신하는 단계;
    상기 제2 신호를 기초로 하여 제2 신호 품질 메트릭을 결정하는 단계;
    상기 제1 신호 품질 메트릭을 상기 제2 신호 품질 메트릭과 비교하는 단계; 및
    상기 제1 신호 품질 메트릭과 상기 제2 신호 품질 메트릭과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 신호 품질 메트릭과 상기 제2 신호 품질 메트릭과의 비교를 기초로 하여 신호 품질 메트릭 변화율을 결정하는 단계; 및
    상기 신호 품질 메트릭 변화율을 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하고,
    안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 상기 단계는 상기 신호 품질 메트릭 변화율과 상기 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1 수신된 신호를 생성하기 위하여 통신 유닛으로부터 신호를 수신하는 제1 안테나 및 제2 수신된 신호를 생성하기 위하여 상기 통신 유닛으로부터 상기 신호를 수신하는 제2 안테나를 구비하는 안테나 어레이;
    상기 안테나 어레이에 접속되는 프로세서로서, 상기 프로세서는 상기 통신 유닛의 지리적인 위치를 결정하고, 상기 통신 장치로부터 상기 통신 유닛의 지리적인 위치로의 방위(bearing)를 결정하며, 상기 제1 수신된 신호의 도달 시간을 결정하고, 상기 제2 수신된 신호의 도달 시간을 결정하며, 상기 제1 및 제2 수신된 신호들 각각의 도달 시간을 기초로 하여 상기 통신 유닛으로부터 상기 신호의 도달 방향을 결정하고, 상기 방위를 상기 도달 방향과 비교하며, 상기 비교를 기초로 하여 상기 방위 및 상기 도달 방향간의 차이를 결정하고, 상기 결정된 차이를 소정의 차이 임계값과 비교하며, 상기 결정된 차이와 상기 소정의 차이 임계값과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정함으로써 안테나 어레이 빔 형성 기법의 사용을 최적화하는 프로세서; 및
    상기 프로세서에 접속되는 메모리로서, 상기 통신 장치의 상기 결정된 위치, 상기 소정의 차이 임계값, 및 도달 방향 알고리즘을 저장하는 메모리를 포함하는 통신 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 프로세서는 추가로 상기 통신 유닛 및 베이스사이트(base site)간의 거리를 결정하고, 상기 결정된 거리를 소정의 거리 임계값과 비교하며, 상기 결정된 차이와 상기 소정의 차이 임계값과의 비교 및 상기 결정된 거리와 상기 소정의 거리 임계값과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하고, 상기 소정의 거리 임계값은 상기 메모리에 저장되는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 프로세서는 추가로 상기 통신 유닛으로부터 복수의 신호들을 수신하고, 상기 복수의 신호들 중에서 제1 신호에 대한 제1 신호 품질 메트릭(metric)을 결정하며, 상기 통신 유닛으로부터 상기 복수의 신호들 중에서 제2 신호를 수신하고, 상기 제2 신호에 대한 제2 신호 품질 메트릭을 결정하며, 신호 품질 메트릭 변화율을 생성하기 위하여 상기 제1 신호 품질 메트릭을 상기 제2 신호 품질 메트릭과 비교하고, 상기 신호 품질 메트릭 변화율을 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값과 비교하며, 상기 결정된 차이와 상기 소정의 차이 임계값과의 비교, 상기 결정된 거리와 상기 소정의 거리 임계값과의 비교, 및 상기 신호 품질 메트릭 변화율과 상기 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값과의 비교를 기초로 하여 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용할지를 결정하고, 상기 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값은 상기 메모리에 저장되는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 결정된 차이가 상기 소정의 차이 임계값보다 더 큰 경우, 상기 결정된 거리가 상기 소정의 거리 임계값보다 더 작은경우, 또는 상기 신호 품질 메트릭 변화율이 상기 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값보다 더 큰 경우에는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하지 않도록 결정하고, 상기 결정된 차이가 상기 소정의 차이 임계값보다 더 작은 경우, 상기 결정된 거리가 상기 소정의 거리 임계값보다 더 큰 경우, 및 상기 신호 품질 메트릭 변화율이 상기 소정의 신호 품질 메트릭 변화율 임계값보다 더 작은 경우에는 안테나 어레이 빔 형성 기법을 채용하도록 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
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