KR20040001840A - 단말기 위치정보를 이용한 능동형 기지국 안테나 장치 및빔 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신 가입자의 단말기 위치정보를 이용하여 가입자 분포에 따라 안테나의 빔을 조정하는 것이 가능한 능동형 기지국 안테나 장치 및 빔 제어방법에 관한 것이다.

종래 틸팅각 조정장치는 설치와 유지관리가 복잡하고 이에 소요되는 시간과 비용이 상당하다는 문제점을 갖고 있었다. 이를 해결하기 위해 안출된 본 발명은 단말기에 내장된 GPS 기능중 위치정보를 이용하여 가입자가 현재의 위치에서 최적의 통화품질을 이용할 수 있도록 기지국 안테나의 빔을 상하 또는 좌우로 조정함으로써 최적화된 셀 커버리지가 되도록 제어할 수 있는 기지국 안테나 장치 및 빔 제어방법이다.

국내에서는 현재까지 이동통신용 단말기에 GPS가 내장되지 않았지만 미국 등지에서는 GPS를 단말기에 내장시키는 것을 법제화하고 있다. 본 발명은 상기와 같은 GPS 기능중 위치정보를 이용하여 기지국 안테나의 빔을 조정하여 최적화된 셀 커버리지가 되도록 제어함으로써 종래에 고안된 스마트 안테나가 복잡하고 장치비가 많이 투입되는 한계로 인해 상용화되지 못하고 있는데 비해 본 발명은 용이하게 구현이 가능하다는 효과를 갖는다.

Description

단말기 위치정보를 이용한 능동형 기지국 안테나 장치 및 빔 제어방법{Adaptive antenna device by using GPS signal of mobile phone and beam control method thereof}

본 발명은 이동통신 가입자의 단말기 위치정보를 이용하여 원격지에서도 안테나의 빔을 조정하는 것이 가능한 능동형 기지국 안테나 장치 및 빔 제어방법에 관한 것이다.

종래 배열 안테나의 빔, 특히 틸팅각을 조정하는 방법은 크게 안테나를 설치구조물에 고정시키는 클램프(clamp)를 이용한 기계적인 방법과 각 복사소자로의 급전선로상에 구비되는 다수의 이상기(phase shifter)를 이용한 전기적인 방법으로 나눌 수 있다.

상기 기계적인 방법은 설치시 안테나의 지향방향을 클램프에 구비되는 각도기로 확인해 가면서, 볼트를 풀고 안테나를 상하로 조정한 후 다시 너트를 조이는 것과 같은 수작업을 통해 요구되는 틸팅각으로 안테나를 지향시키는 방법이다. 따라서, 이러한 방법은 기계적인 수작업으로 인해 그 정밀도가 떨어지고, 풍향에 의한 영향을 받을 수도 있는 등 신뢰성이 상당히 떨어진다. 또한, 설치시 장시간동안 높은 설치 구조물에 올라가 있어야 하므로 위험하고, 이에 소요된 시간도 상당하며, 이미 설치된 배열 안테나의 틸팅각을 변경하여야 할 필요가 있는 경우, 다시 설치 구조물에 올라가야 하는 등의 문제점을 안고 있다.

상기 이상기를 이용한 전기적인 조정 방법은 전력분배기로부터 각 복사소자로의 급전선로상에 각각 이상기를 구비시키고 이를 제어하는 제어수단을 이용하여 각 복사소자로 급전되는 신호들간의 위상을 변화시켜 줌으로써 배열 안테나의 틸팅각을 조정하는 방법이다.

그런데, 상기한 이상기를 이용한 종래의 조정 방법은 상기 기계적인 조정 방법에 비해 정밀도는 향상되지만, 설치시 각 이상기의 이상각을 조정하기 위해서 설치자가 직접 설치 구조물에 올라가 상기 이상기 제어수단을 조정해야 하는 번거로움과 이를 위한 인원의 할당과 소요되는 시간의 낭비 등의 문제점을 여전히 갖고 있다. 또한, 틸팅각을 변경해야 할 필요가 있는 경우에 다시 올라가 조정해야 하는 수고도 해야 한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 단말기에 내장된 GPS 기능중 위치정보를 이용하여 가입자가 현재의 위치에서 최적의 통화품질을 이용할 수 있도록 기지국 안테나의 빔을 상하 또는 좌우로 조정함으로써 최적화된 셀커버리지가 되도록 제어할 수 있는 기지국 안테나 장치 및 제어방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

도 1은 GPS 신호 수신을 나타내는 구성도.

도 2는 종래 기술에 개시된 능동형 안테나의 동작을 나타내는 개념도.

도 3은 일반적인 적응 배열 안테나에서 수행되는 가중치 계산 과정.

도 4는 본 발명에 따른 단말기 위치정보를 이용한 능동형 기지국 안테나 장치의 시스템 구성을 나타내는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 단말기 위치정보를 이용한 능동형 기지국 안테나 장치 및 빔 제어방법에 대한 일실시예를 도시한 흐름도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11. GPS 위성 12, 401. 단말기

13. GPS 수신기 14, 403. 기지국

15, 404. 기지국제어국 16, 405. 교환국

201. 곱셈기 202. 합산기

203. 적응처리기 402. 안테나

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 단말기 위치정보를 이용한 능동형 기지국 안테나 장치는, GPS가 내장된 가입자 단말기로부터 위치정보를 수신하고, 기지국은 상기 위치정보를 기지국제어국 또는 교환국으로 전송하며, 상기 기지국제어국 또는 교환국은 상기 위치정보를 분석하여 기지국에 제어신호를 발하며, 기지국은 상기 제어신호에 의해 안테나의 빔이 가입자군쪽으로 최적화되도록 안테나를 제어한다. 또한, 상기와 같은 제어를 위해 본 발명은 전기적으로 수직/수평 빔 제어가 가능한 안테나와; 안테나 제어장치를 포함하여 구성된다.

이하, 첨부하는 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 단말기 위치정보를 이용한 능동형 기지국 안테나 장치의 빔 조정장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도 1은 GPS 신호 수신을 나타내는 구성도이다. GPS 위성에서 사용되는 신호는 주파수가 1.57542GHz인 L1 신호와 1.2276GHz의 L2 신호가 있는데, L1 주파수는 일반에게 공개된 C/A(coarse and access)코드로서 24개의 위성이 동일 주파수를 사용하며, L2 주파수는 P(protect)코드로서 군사목적으로 사용되고 있기 때문에 일반에게 공개되지 않으며 각 위성마다 코드패턴을 달리하고 있다. 상기 L1 주파수의 C/A코드는 GPS 수신기가 4개의 GPS 위성으로부터 신호를 수신하여 단독 측위할 경우 100m 정도의 정밀도를 얻을 수 있다.

상기 도 1에서 가입자의 단말기에 내장된 GPS 수신기가 GPS 위성으로부터 수신한 위치정보를 이동통신망에 의한 무선채널을 통해 당해지역을 관장하는 기지국으로 보내어지고, 이러한 가입자 위치정보가 기지국을 통제하는 기지국제어국, 또는 다수의 기지국제어국을 관장하는 교환국으로 전송된다.

즉, 도 1에서와 같이 가입자 단말기(12)는 내장된 GPS 수신기(13)에 의해 GPS 위성(11)으로부터 수신한 위치정보를 받아 이동통신망의 무선채널을 통하여 기지국(14)으로 전송하며, 상기 기지국(14)은 이들 다수 가입자 단말기의 위치정보를 다시 기지국제어국(15) 또는 교환국(16)에 보내도록 구성된다.

상기 기지국(14)으로부터 받은 가입자의 위치정보는 교환국(16)에서 밀집된 가입자군을 판별하고 기지국(14)에 제어신호를 보내 안테나의 빔을 지향시키게 된다. 이와같이, 상기 위치신호를 분석하고 제어신호를 발하는 기능은 기지국제어국(15) 단위로 설치하거나 교환국(16) 단위로 설정할 수 있다.

도 2는 종래 기술에 개시된 능동형 안테나의 동작을 나타내는 개념도이다.

상기 능동형 안테나 방식은 안테나 어레이(antenna array)에서 개개의 소자가 입력신호를 수신하여 얻은 정보에 의해 자동적으로 안테나를 최적의 방향으로 조정하도록 구성된다. 이는 도 2에 도시된 바와 같이 크게 안테나 어레이(도시되지 않음), 복수개의 곱셈기(201), 합산기(202), 적응치를 조절해 주는 적응처리기(203)로 구성된다.

상기 도 2를 참조하여 종래 기술에 개시된 능동형 안테나의 동작을 간략하게 설명하면, 적응적 배열을 가지는 복수개의 안테나로부터 수신된 배열 입력 벡터 신호(x1~xn)들은 곱셈기(201-1~201-n)로 인가되고, 적응처리기(203)에 의해 조절되는 복소 가중치(w₁~w_n)들과 각각 곱해져 출력된다. 상기 출력되는 신호는 합산기(202)에서 결합되어 배열 출력(y)을 얻음으로써 빔을 성형에 있어 원하는 신호가 오는 방향으로 이득을 주고 간섭신호가 오는 방향으로 널(null)을 형성하여 공간적으로 선택적인 수신을 가능하게 한다.

상술한 바와 같이 종래 기술에 개시된 능동형 안테나의 적응 가중치를 조절해 주는 적응처리기(203)는 안테나 어레이에 수신된 배열 입력 벡터(x1~xn)와 배열 출력(y)만을 가지고 적응 가중치(w₁~w_n)를 조절한다. 이때 최적의 가중치를 구하여 신호원의 방향을 찾아내기 위해 계산, 수신신호 벡터의 자기 상관 행렬 계산, 자기상관 행렬의 역행렬과 고유 벡터를 구하는 계산 등을 포함하는 복잡한 계산 처리 과정을 거쳐야 하므로 상기 적응처리기의 처리 시간이 길고 회로가 길고 회로가 복잡하여 실제적인 이동통신 시스템에 적용하는데 많은 어려움이 있다.

즉, 종래 기술에 개시된 능동형 안테나 시스템들은 그 동작을 수행하는데 있어서 원하는 신호의 위치 및 간섭신호원의 분포 등에 대한 사전정보를 필요로 할 뿐만 아니라, 실제의 통신환경에 적용하고자 할때 가장 문제시되는 막대한 계산량이 요구된다. 도 3은 일반적인 적응 배열 안테나에서 수행되는 가중치 계산 과정을 나타낸다.

도 3과 같은 연산과정에서 최적의 빔을 형성하기 위한 가중치를 계산하기 위해 다수의 표본화가 이루어지고 각 경로마다 상관 행렬, 공분산 행렬 등이 재구성되어 역행렬 과정 등의 복잡한 연산을 거치게 된다. 이 가중치 계산 과정에서 수행되는 계산량이 너무나 커서 현재 지원되는 마이크로 프로세서의 기술로는 실시간 처리에 어려움이 있어 다수의 가입자가 빠른 속도로 이동하는 경우 적응적으로 빔이 신호를 추적하지 못하는 결과를 초래하게 된다.

물론 현재 많은 연구결과로 계산량이 줄어든 알고리즘이 소개되고 있지만 안테나 element 수가 N이고 사용자 수가 M일 경우 내부에서는 N×M 개의 기본적인 신호처리 단위가 필요하게 된다. 이러한 각각의 단위는 고가의 고속 신호처리 모듈에서 처리되어야만 하며, 방대한 표본치와 계산된 데이터를 저장하기 위해 매우 큰 대용량의 메모리를 필요로 하게 된다. 즉, 기본적으로 알고리즘을 지원하기 위해서는 새로운 비용이 필수적으로 소요될 뿐만 아니라, 기본적인 비용 외에도 알고리즘에 의해 동작하는 빔 형성 모듈, 그리고 그에 따른 신호처리부는 현 이동통신 시스템에서는 적용되어 있지 않기 때문에 이를 구현하기 위한 구성부의 교체 등이 요구되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, GPS 수신기에 의해 획득된 위치정보를 이용하여 기지국 안테나의 빔을 제어함으로써 사용자가 위치하는 특정 영역의 차별화된 서비스가 가능해진다. 즉, 서비스 영역내 임의의 특정 지역에 사용자들이 밀집되어 있을 경우, 전방향으로 복사되는 것보다 높은 이득을 갖도록 안테나의 빔을 조정하여 수용용량의 증대와 통신품질을 개선할 수 있다. 이 과정은 기지국 내에 복잡한 가중치 행렬을 계산하기 위한 별도의 디지털 신호처리부가 필요하지 않으며, 기지국과 기지국제어국 또는 교환국간에 단말기의 위치정보와 제어신호만을 이용하여 빔을 제어하는 것이므로 현재의 시스템에 특별한 수정을 필요로 하지 않는다.

상기와 같은 기지국 안테나에 있어서 빔 제어 방식으로는 안테나 소자에 급전되는 신호의 위상제어를 이용하여 수직 빔을 틸트시키는 방식과, 반치각이 작은 다수개의 빔을 형성하여 스위칭에 의해 수평 빔을 조절하는 방식이 복합적으로 사용될 수 있으므로 기지국내에 별도의 빔 형성 모듈을 구비하지 않아도 된다.

도 4는 본 발명에 따른 단말기 위치정보를 이용한 능동형 기지국 안테나 장치의 시스템 구성을 나타내는 도면이다. 본 발명은 상술한 바와 같이 GPS 단말기로부터의 위치정보를 이용하여 기지국 안테나를 제어함으로써 셀간 간섭을 줄이고 특정 기지국이나 섹터의 부하를 줄일 수 있다.

현재 단말기에 GPS 수신기능을 내장하고자 하는 주된 목적은 가입자가 위급한 상황에 처해 있을 경우 기지국제어국 또는 교환국에서 가입자 단말기로부터의 위치정보에 의해 신속한 구조를 하기 위한 것이다. 본 발명은 GPS가 내장된 단말기를 소유하고 있는 가입자 정보가 기지국제어국 또는 교환국에 전송되므로 이를 이용하여 상기와 같은 목적 이외에도 시스템의 효율적인 운용과 통화품질을 향상시킬 수 있도록 기지국제어국 또는 교환국에서 단말기의 위치정보에 따라 가입자 분포를 분석하고, 분석된 결과에 의해 기지국 안테나의 수평/수직 빔을 조정할 수 있으며 분석시간을 제외하면 실시간으로 제어가 가능하다.

즉, 상기 도 4에서 GPS가 내장된 단말기(401)가 전화를 걸 경우 기지국제어국(404) 또는 교환국(405)은 단말기의 전화번호, PN, 위치정보 등을 분석할 수 있는데, 이 방법은 기존의 기지국 수신신호레벨 분석방법이나 기지국간 측량법에 의한 위치정보 분석방법보다 훨씬 정확한 위치분석이 가능하다. 또한, 사업자는 각 기지국별 또는 각 섹터별 안테나에 대한 정보를 이미 알고 있으므로 상기에서 분석된 정보를 이용하여 수시로 안테나의 제어가 가능하다.

도 5는 본 발명에 따른 단말기 위치정보를 이용한 능동형 기지국 안테나 장치 및 빔 제어방법에 대한 일실시예를 도시한 흐름도로서, 먼저 GPS 수신기를 내장한 단말기(401)의 위치정보가 기지국(403)으로 전달되면(501), 상기 기지국(403)은 단말기(401)의 위치정보를 수신하여(502) 기지국제어국(404) 또는 교환국(405)으로 위치정보를 전달한다(503).

상기 503단계에서 위치정보를 수신한 기지국제어국(404) 또는 교환국(405)은위치정보를 분석하여(504) 현재 안테나(402)의 빔 방향이 가입자쪽으로 최적화되어있는지 확인한다(505). 상기 505단계에서 안테나(402)의 빔 방향이 최적화되어 있을 경우 506단계로 진행되어 안테나(402)의 빔방향을 유지하라는 신호를 기지국(403)으로 전송하여 상기의 안테나 빔 방향을 유지한다.

또한, 상기 505단계에서 안테나의 빔 방향이 최적화되어 있지 않다면 507단계로 진행되어 기지국(403)으로 안테나의 빔 방향을 조절하는 제어신호를 전송한다.

508단계에서 상기 제어신호를 수신한 기지국(403)은 분석된 결과에 따라 기지국 안테나(402)의 수평/수직 빔을 조정하여 안테나의 빔이 가입자군쪽으로 최적화되도록 실시간으로 안테나(402)의 방향을 조절하는 방법이다.

이상에서는, 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해 기술하고 도시하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 특허청구범위에 기재된 본 고안의 기술적 사상으로부터 벗어남이 없이, 다양하게 변형 및 변경될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 단말기 위치정보를 이용한 능동형 기지국 안테나 장치는 단말기에 내장된 GPS 기능중 위치정보를 이용하여 기지국 안테나의 빔을 제어함으로서 최적화된 셀 커버리지가 되도록 제어할 수 있다. 또한, 현재까지 고안된 스마트 안테나는 매우 복잡하고 장치비가 많이 투입되는데 비해 본 발명은 간단히 구현이 가능하다고 하는 효과를 갖는다.

Claims (2)

1. 기지국에서 GPS가 내장된 가입자 단말기로부터 위치정보를 수신하는 제 1 단계와;

   상기 기지국에서 수신된 위치정보를 지지국제어국 또는 교환국으로 전달하는 제 2단계와;

   상기 기지국제어국 또는 교환국에서 상기 위치정보를 분석하여 기지국에 제어신호를 전달하는 제 3 단계와;

   상기 제어신호를 수신한 기지국은 상기 제어신호에 의해 안테나의 빔이 가입자군쪽으로 최적화되도록 안테나를 제어하는 제 4 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단말기 위치정보를 이용한 능동형 기지국 안테나 장치의 빔 제어방법.
2. 각종 무선통신 기지국에 사용되는 안테나에 있어서,

   GPS가 내장된 가입자 단말기로부터 위치정보를 수신하고,

   기지국은 상기 위치정보를 기지국제어국 또는 교환국으로 전송하며,

   상기 기지국제어국 또는 교환국은 상기 위치정보를 분석하여 기지국에 제어신호를 발하며,

   기지국은 상기 제어신호에 의해 안테나의 빔이 가입자군쪽으로 최적화되도록 안테나를 제어하기 위하여,

   전기적으로 수직/수평 빔 제어가 가능한 안테나와;

   안테나 제어장치를 포함하여 구성되는 단말기 위치정보를 이용한 능동형 기지국 안테나 장치.