KR20080090914A - 스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트 안테나의 방향 인식 장치 및 방법에 관한 것으로서 본 발명이 제공하는 스마트 안테나에서 신호의 방향 인식 장치는 복수로 구성되고 미리 결정된 방법으로 직렬로 배열된 안테나들과,미리 구성된 데이터 베이스가 저장되는 저장부와, 상기 배열된 안테나로 전달되는 수신 신호들의 합성 신호를 직류 신호로 변환하는 무선 직류 컨버터와, 상기 직류 신호를 상기 무선 직류 컨버터로부터 전달받아 상기 직류 신호의 크기값을 구하고, 상기 크기값을 상기 데이터 베이스에서 검색하여 상기 크기값에 대응하는 상기 수신 신호들의 위상차와 상기 수신 신호들이 상기 안테나들로 입력되는 방향을 결정하는 제어부를 포함한다. 이에 의하여 스마트 안테나에서 수신된 신호들의 위상차 정보를 고주파 대역에서 알아낼 수 있음으로써 방향 인식 장치의 구성을 간소화하고 그 비용을 줄일 수 있다.

스마트 안테나(Smart Antenna), 방향 인식(Direction Of Arrival: DOA Estimation), 무선-직류 컨버터(RF-DC Converter)

Description

스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치 및 방법{METHOD AND APPRATUS FOR DIRECTION OF ARRIVAL ESTIMATION OF SIGNAL IN A SMART ANTENNA}

도 1은 종래 스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치의 블록 구성도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법을 설명하는 제1 개념도,

도 3(a), (b)는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법을 설명하는 제2 개념도,

도 4(a), (b)는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법을 설명하는 제2 개념도,

도 5(a), (b)는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법을 설명하는 제3 개념도,

도 6(a), (b)는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법을 설명하는 제4 개념도,

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법을 설명하는 순서도,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치를 설명하는 블록 구성도.

본 발명은 스마트 안테나의 장치 및 방법 관한 것으로서, 특히 스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치 및 방법에 관한 것이다.

스마트(Smart) 안테나 시스템이란 무선 통신 시스템에서 송신기 혹은 수신기에서 복수개의 안테나 소자들을 일정한 형태로 배열하여 각 안테나 소자에서 원하는 방향으로 안테나 빔(Beam)을 성형하도록 하여 상기 송수신기의 성능을 높이는 기술이다.

무선 통신 시스템의 대표적인 예인 이동 통신 시스템을 예로 들어 스마트 안테나의 기본적인 개념에 대하여 설명한다. 이동 통신 시스템에서 하나의 기지국의 안테나는 다수의 이동 단말에 대하여 빔(Beam)을 방사함으로서 통신 서비스를 제공한다. 기지국이 이동 단말로 전송하는 신호는 크게 공통채널신호와 전송채널신호로 분류할 수 있다. 상기 공통채널 신호는 파일롯(Pilot) 채널신호, 동기(Sync)채널신호, 호출(Paging) 채널신호와 같이 기지국으로부터 셀 내에 있는 모든 이동 단말들에 전송되어야 하는 신호이며, 상기 전송채널신호는 특정 이동단말에 전송되어야 하는 트래픽(Traffic) 신호를 말한다. 이때, 기지국 송신 안테나에서 공통채널신호와 같이 소정의 신호를 모든 이동단말기들로 송신하는 경우가 아니라, 전송채널신호와 같이 원하는 특정 이동단말로 특정한 신호를 공통채널과 같은 방식으로 송신 할 경우는 그 이동 단말을 향한 송신 빔(Beam) 이외의 에너지는 쓸모 없게 되고 이와 같은 에너지는 해당 이동 단말을 제외한 타 이동 단말들에게는 간섭신호로 작용하게 된다. 따라서 전송채널신호를 어떤 수단에 의해 원하는 특정 이동 단말의 방향으로만 송신할 수 있다면, 작은 송신 전력으로 양질의 통화품질을 유지할 수 있고, 다른 이동 단말들로의 간섭 신호들을 감소시킴으로써 결국 통신 용량을 증대시키는 효과를 가져올 수 있다. 이러한 개념에 바탕을 둔 것이 지능형 안테나(Intelligent Antennas)라고 불리는 스마트 안테나(Smart Antenna)이다.

또한 상기 이동 통신 시스템의 스마트 안테나가 특정한 이동 단말로 빔을 방사하기 위하여는 이동 단말의 방향을 추적할 수 있어야 하는데 이와 같이 스마트 안테나가 이동 단말이 위치하는 방향을 인식하는 기술을 "방향 인식(Direction Of Arrival(DOA) Estimation)"이라고 한다. 일반적으로 방향 인식 기술은 신호 소스(Source)에서 전송된 신호가 다중 경로를 거쳐서 스마트 안테나에 배열된 복수의 안테나 소자들로 수신되면 상기 수신된 신호들의 위상(Phase)차를 이용하여 상기 소스의 방향을 결정될 수 있는 것을 말한다.

상술한 예에서 스마트 안테나와 방향 인식의 개념에 대한 설명의 편의상 이동 통신 시스템을 그 예로 들었으나 상기 스마트 안테나는 일반적인 무선 통신 시스템에서도 사용되어 시스템의 성능을 높일 수 있음은 물론이다.

도 1은 종래 스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치의 블록 구성도이다. 임의의 소스(Source)로부터 송신된 다중 경로를 가지는 신호들은 배열 안테나들(111, 113)을 통하여 저잡음 증폭기들(115, 117)로 전달되어 저잡음 증폭된다. 이후 혼합 기(119)에서 주파수 하향 변환되어 기저대역 신호로 변환된다. 상기 기저대역 신호는 아날로그 디지털 컨버터(Analog Digital Converter:ADC)(121)에서 디지털 신호로 변환되며 제어부(123)는 전달된다. 상기 제어부(123)는 상기 디지털 신호를 처리하여 입력 신호의 위상차를 알아낸다. 이후 상기 제어부(137)는 상기 위상차를 이용하여 수신 신호의 입사각을 역추적하여 소스의 방향을 인식할 수 있다.

상술한 바와 같이 종래 스마트 안테나의 신호 방향 인식에 사용되는 수신 신호들의 위상차를 알아내기 위하여 고주파 신호를 혼합기(119)에서 기저 대역 신호로 변환하는 방식을 사용한다. 이같은 방식은 수신 신호를 기저 대역에서 신호를 처리하기 위한 혼합기(119) 이후의 복잡한 구성이 추가로 필요하게 된다. 따라서 상기 기저 대역 신호의 처리를 위한 구성들로 인하여 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한 상기 구성의 복잡성으로 인하여 소규모의 스마트 안테나를 구현하는데 어려운 문제점과 기저대역에서 신호가 처리되기 위한 시간 지연으로 인하여 신호 방향 인식이 지연되는 문제가 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 고주파 대역에서 수신 신호들의 위상 정보를 알 수 있는 방향 인식 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 측면은 구성의 복잡도가 감소된 방향 인식 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면은 스마트 안테나의 신호의 방향 인식 시간을 단축시 킬수 있는 방향 인식 방법 및 장치를 제공한다.

따라서 본 발명이 제공하는 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법은 복수로 구성되고 미리 결정된 방법으로 직렬로 배열된 안테나들로 전달되는 수신 신호들의 합성 신호를 직류 신호로 변환하는 과정과, 상기 직류 신호의 크기값을 구하는 과정과, 상기 직류 신호의 크기값을 미리 구성된 데이터 베이스에서 검색하여 상기 크기값에 대응하는 상기 수신 신호들의 위상차 및 상기 수신 신호들의 입력 방향을 결정하는 과정을 포함한다.

또한 본 발명이 제공하는 스마트 안테나에서 신호의 방향 인식 장치는 복수로 구성되고 미리 결정된 방법으로 직렬로 배열된 안테나들과,미리 구성된 데이터 베이스가 저장되는 저장부와, 상기 배열된 안테나로 전달되는 수신 신호들의 합성 신호를 직류 신호로 변환하는 무선 직류 컨버터와, 상기 직류 신호를 상기 무선 직류 컨버터로부터 전달받아 상기 직류 신호의 크기값을 구하고, 상기 크기값을 상기 데이터 베이스에서 검색하여 상기 크기값에 대응하는 상기 수신 신호들의 위상차와 상기 수신 신호들이 상기 안테나들로 입력되는 방향을 결정하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한 다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 방향 인식 방법을 설명하는 제1 개념도이다. 도 2는 임의의 신호 소스가 안테나로부터 방향을 변경시키면서 신호를 전송한 상태를 가정한 것이다. 임의의 소스로부터 송신된 신호들(211, 213, 215)이 안테나 A(201)와 안테나 B(203)로 각각 입사된다고 가정한 다. 또한 안테나 A(201)와 안테나 B(203)는 λ/4(λ는 소스가 전송한 신호의 파장) 거리만큼 떨어져서 배열된 것으로 가정한다.

이하에서는 상기 세 가지 방향에서 안테나들(201,203)로 입력되는 신호들의 위상차에 대하여 설명한다. 이하에서는 설명의 편의상 배열 안테나가 2개인 것을 가정하였으나 스마트 안테나는 통신 환경에 따라서 2개 이상의 개수로 구성된 배열 안테나들로도 구성될 수 있음은 물론이다.

도 3(a),(b)는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 방향 인식 방법을 설명하는 제2 개념도이다. 도 3(a),(b)는 신호 215가 안테나 A(201)와 안테나 B(203)로 입사되어 합쳐지는 과정을 설명한다. 신호 215는 안테나 A(201)에 먼저 입사되고 안테나 B(201)에는 양 안테나 사이의 거리 λ/4로 인하여 +90°만큼 위상이 지연된 상태에서 입사된다. 따라서 안테나 A(201)의 입력 신호는 안테나 B(203)의 입력 신호보다 -90°의 위상차를 갖는다. 이후 안테나 A(201)에 입력된 신호는 안테나 B(203)의 신호와 합쳐지기까지 거리 λ/4 에 의하여 +90°의 위상차를 갖게 된다. 이를 통해 두 신호가 합쳐지는 지점인 안테나 B(203)에서 두 신호의 위상차이는 0이 된다. 도 3(a)에서 안테나 A(201)에 입력된 신호와 안테나 B(203)에 입력된 신호 의 파형이 각각 도시되었고, 상기 두 신호가 합쳐진 후의 파형이 도 3(b)를 통해 보여지고 있다. 상기 도 2(a)에서 두 신호들의 위상차가 같기 때문에 합해진 신호의 크기가 두 배로 증가하였다.

도 4(a),(b)는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 방향 인식 방법을 설명하는 제2 개념도이다. 도 4(a),(b)는 신호 211이 안테나 A(201)와 안테나 B(203)로 입사되어 합해지는 과정을 설명한다. 신호 211은 안테나 A(201)와 안테나 B(203)로 동시에 입사되므로 0°의 위상차를 가지나 안테나 A(201)에 입사된 신호는 선로상에서 90°만큼 위상 지연을 갖게 되므로 안테나 B(203)에 90°의 위상차이를 갖는다. 안테나 B(203)에서 상기 두 신호의 파형은 도 4(a)에 도 입사된 신호와 만나는 지점에서 두 신호는 시되었다. 도 4(b)는 상기 두 신호가 합해진 파형을 도시하고 있는데 90°위상차에 의하여 상기 도 3(b)와 비교하여 신호의 크기가 작은 것을 알 수 있다.

도 5(a),(b)는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 방향 인식 방법을 설명하는 제3 개념도이다. 도 5(a),(b)는 안테나 A(201)와 안테나 B(203)로 입사되어 합해지는 과정을 설명한다. 이 경우도 상기 도 3 및 도 4에서 설명된 바와 동일한 방식으로 두 신호가 만나는 지점에서 180°의 위상차를 갖게 되고 이렇게 합쳐진 신호가 0이 됨을 알 수 있다. 두 신호의 개별 파형과 합해진 파형은 각각 도 5(a),(b)에 도시되었다.

도 6(a), (b)는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 방향 인식 방법을 설명하는 제4 개념도이다. 상기 도 2 내지 도 5에서 설명된 바와 같이 배열 안테나들(201,203)로 입력되는 신호들을 합한 신호의 크기는 그 안테나의 입력되는 신호들의 위상차에 따라서 달라진다. 따라서 입사 신호의 방향을 변화시키면 두 신호가 합쳐지는 때의 두 신호의 위상차가 달라지고 또한 두 신호가 합해진 신호의 크기도 달라지게 된다. 이것은 도 6(a)에 도시되었다. 즉, 상기 도 6(a)는 -90°에서 +90°까지 20° 위상차로 입사되도록 신호의 입사 방향이 변화되었을 경우에 두 안테나에 입사된 신호가 합쳐진 후의 파형들을 보여 준다. 또한 도 6(b)는 상기 도 6(a)의 신호들의 크기를 위상차에 따라 도시한 것이다. 도 6(b)를 살펴보면 위상차가 0°인 경우에는 크기(Amplitude)가 0이되며, 위상차가 -90°인 경우에는 크기가 2 위상차가 90°인 경우에는 크기가 0인 것을 알 수 있다.

즉, 상기 도 2 내지 도 6에서 설명한 바를 검토하면 고주파 대역의 신호를 기저 대역의 신호로 변환하지 않은 상태에서도 배열 안테나들로 입력되는 신호들의 위상 정보를 얻을 수 있다면 입력 신호의 방향을 알 수 있다. 본 발명에서는 상기 위상 정보를 얻는 방법으로 입력 신호들을 합성한 신호의 크기들의 정보를 통해서 역으로 위상 정보를 얻을 수 있다. 즉, 실험적으로 신호들의 위상차에 대한 합성 신호의 크기에 대하여 데이터 베이스화한 후 실제 안테나에 입력된 신호들을 합성한 신호의 크기를 상기 데이터 베이스와 비교하면 상기 안테나에 입력된 신호들의 위상 정보를 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 안테나의 방향 인식 방법을 설명하 는 순서도이다. 도 7을 참조하면 701 단계에서는 사전 설정된 방법에 의하여 복수의 안테나들을 직렬로 배열된 이후에 상기 안테나들에 입력되는 신호의 방향을 변화시키면서 상기 신호의 방향 각각에서 상기 신호들 간의 위상차와 상기 신호들의 합성 신호의 크기를 데이터 베이스로 구성한다. 상기 데이터 베이스는 룩업 테이블(LookUp Table)의 형태로 구성될 수 있다.

703 단계에서는 상기 직렬로 배열된 안테나를 통하여 신호들을 수신하고, 705 단계에서는 상기 수신 신호들의 합성 신호의 크기 값을 구한다. 상기 합성 신호의 크기 값을 구하기 위한 과정을 설명한다. 상기 합성 신호는 교류 신호인데 이의 크기 값을 알아내기 위하여 교류 신호를 정류하고 정류된 신호를 직류로 변환한다. 이후 상기 직류 신호의 크기를 측정함으로써 상기 합신 신호의 크기 값이 결정된다. 707 단계에서는 상기 합성 신호의 크기 값에 대응되는 수신 신호들의 위상차와 신호의 입력 방향을 상기 701 단계에서 구성한 데이터 베이스에서 검색한다. 상기 도 7에 의한 과정을 본 발명에서는 "위상 정보에서 크기 정보로의 자동 변환(Automatic transformation of phase information into amplitude information)"이라고 칭한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나의 방향 인식 장치를 설명하는 블록 구성도이다. 도 8에 도시된 방향 인식 장치는 도 1에 설명된 종래의 방향 인식 장치와 비교하면 도 1에 도시된 병렬 안테나 배열구조인 데 반해 도 8의 안테나 배열구조는 직렬 배열 구조로 구성된다. 즉, 도 1에서는 각각의 안테나(111,113)로 입사된 신호의 정보를 디지털 신호의 처리를 위한 제어부(137)까지 전달해야만 하기 때문에 각각의 고주파 전송선이 각각 요구되고, 안테나의 배열은 병렬 배열(Parallel array)방식을 따르게 된다. 그러나, 본 발명인 도 8에서는 입력신호들의 위상차에서 크기 정보로의 변환이 고주파 영역에서 수행되도록 하기 위하여 안테나들(811,813)이 직렬로 연결되는 구조를 가지게 된다.

두 개의 안테나(811, 813)를 직렬 배열(Series array)방식으로 배치함과 동시에 두 안테나 간격을 특정거리로 설정함으로써 "위상 정보에서 크기 정보로의 자동 변환(Automatic transformation of phase information into amplitude information)"이 수행될 수 있다. 상기 안테나 간격의 하나의 예로써 두 개의 안테나가 λ/4(=90°)의 거리로 하나의 전송선에 직렬 연결될 수 있다.

상기 직렬 연결된 두 개의 안테나들(811,813)이 수신한 신호들은 상기 안테나 B(813)에서 하나로 합쳐진 후 LNA(815)에서 저잡음 증폭되고 무선-직류 컨버터(RF-DC Converter)(817)로 전달된다. 상기 무선 직류 컨버터는 상기 저잡음 증폭된 무선 신호를 직류로 변환하는 기능을 수행하는 것으로서 정류 다이오드 등을 이용하는 정류기(Rectifier)와 커패시터 등을 이용하는 평활기(Regulator)에 의하여 구성될 수 있다. 즉, 하나의 전송선에서 합해진 신호들은 정류기에 의하여 정류되고 상기 정류된 신호는 평활기를 통해서 교류에서 직류 신호로 변환된다. 상기 무선-직류 컨버터(RF-DC Converter)(817)를 통과한 직류 신호는 제어부(819)로 전달되며, 제어부는 상기 직류 신호의 크기를 측정하여 저장부(821)에 미리 저장된 데이터 베이스를 검색하여 상기 직류 신호의 크기에 해당하는 위상 정보를 알아내고 상기 위상 정보에 의하여 수신 신호의 방향을 알 수 있다. 상기 데이터 베이스는 상기 도 7의 701 단계에서 설명된 바와 같으므로 그 설명은 생략한다.

상기 도 8과 같은 신호 방향 인식 장치에 의하여 두 개의 수신 신호를 합성하여 처리하면 고주파 영역에서 사용되는 LNA의 개수도 감소되고, 위상 정보를 알아내기 위하여 기저 대역 영역에서 신호를 처리할 필요가 없게 되므로 장치의 복잡도가 크게 감소될 수 있다.

상술한 본 발명의 기술적 구성에 의하여 스마트 안테나의 수신된 신호들의 위상차 정보를 고주파 대역에서 알아낼 수 있다. 따라서 기저 대역에서 디지털 신호를 처리하지 않음으로 인하여 위상차 정보를 알아내기 위한 시간을 단축함으로써 안테나 시스템의 성능을 높일 수 있다. 또한 기저 대역에서 디지털 신호를 처리하기 위한 구성이 필요하지 않으므로 전체 시스템의 복잡도를 감소시켜 제품 제작의 비용을 줄이고 안테나 시스템을 소형화 할 수 있다.

Claims (10)

1. 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법에 있어서,

   복수로 구성되고 미리 결정된 방법으로 직렬로 배열된 안테나들로 전달되는 수신 신호들의 합성 신호를 직류 신호로 변환하는 과정과,

   상기 직류 신호의 크기값을 구하는 과정과,

   상기 직류 신호의 크기값을 미리 구성된 데이터 베이스에서 검색하여 상기 크기값에 대응하는 상기 수신 신호들의 위상차 및 상기 수신 신호들의 입력 방향을 결정하는 과정을 포함하는 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법.
2. 제 1항에 있어서 상기 직류 신호로 변환하는 과정은,

   상기 수신 신호들의 합성 신호를 정류하는 과정과,

   상기 정류된 신호를 평활하게 하게 과정으로 구성되는 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법.
3. 제 1항에 있어서 상기 데이터 베이스는,

   룩업 테이블(LookUp Table)인 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법.
4. 제 1항에 있어서 상기 데이터 베이스는,

   상기 안테나들로 입력되는 신호들의 입력 방향 변화에 따른 상기 신호들 간의 위상차 정보와 상기 신호들의 합성 신호의 크기 정보로 구성되는 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법.
5. 제 1항에 있어서 상기 안테나들은,

   상기 안테나들 상호간 상기 수신 신호들의 파장의 1/4에 해당하는 거리만큼 떨어진 스마트 안테나의 신호 방향 인식 방법.
6. 스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치에 있어서,

   복수로 구성되고 미리 결정된 방법으로 직렬로 배열된 안테나들과,

   미리 구성된 데이터 베이스가 저장되는 저장부와,

   상기 배열된 안테나로 전달되는 수신 신호들의 합성 신호를 직류 신호로 변환하는 무선 직류 컨버터와,

   상기 직류 신호를 상기 무선 직류 컨버터로부터 전달받아 상기 직류 신호의 크기값을 구하고, 상기 크기값을 상기 데이터 베이스에서 검색하여 상기 크기값에 대응하는 상기 수신 신호들의 위상차와 상기 수신 신호들이 상기 안테나들로 입력 되는 방향을 결정하는 제어부를 포함하는 스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치.
7. 제 6항에 있어서 상기 무선 직류 컨버터는,

   상기 수신 신호들의 합성 신호를 정류하는 정류기; 및,

   상기 정류된 신호를 평활하게 하는 평활기로 구성되는 스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치.
8. 제 6항에 있어서 상기 데이터 베이스는,

   룩업 테이블(LookUp Table)로 구성되는 스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치.
9. 제 6항에 있어서 상기 데이터베이스는,

   상기 안테나들로 입력되는 신호들의 입력 방향 변화에 따른 상기 신호들간의 위상차 정보와 상기 신호들의 합성 신호 크기 정보로 구성되는 것인 스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치.
10. 제 6항에 있어서 상기 안테나들은,

    상기 안테나들 상호간 상기 수신 신호들의 파장의 1/4에 해당하는 거리만큼 떨어진 스마트 안테나의 신호 방향 인식 장치.

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