KR20100128800A

KR20100128800A - Cg algorithm application method for applying for two dimensional smart antenna beam forming

Info

Publication number: KR20100128800A
Application number: KR1020090047421A
Authority: KR
Inventors: 홍영진
Original assignee: 동명대학교산학협력단
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2010-12-08

Abstract

PURPOSE: A CG algorithm application method for forming an antenna beam on a plane smart antenna is provided to obtain high performance communication quality by applying the CG algorithm to a plane array. CONSTITUTION: An antenna comprises a plane array comprising M rows and N columns. The plane array of M rows and N columns is replaced by a linear array comprising one row and MXN columns. A weight vector is obtained by applying the replaced linear array to the CG algorithm. The performance of the plane array is obtained by applying the CG algorithm.

Description

CG Algorithm Application Method for Applying For Two Dimensional Smart Antenna Beam Forming}

본 발명은 평면 스마트 안테나에 CG(Conjugate Gradient) 알고리즘을 적용하는 방법에 관한 것으로, 특히 CDMA 업링크 채널에 CG 방법을 평면 스마트 안테나의 빔 형성 알고리즘(Beam Forming Algorithm)으로 사용가능하게 하는 평면 스마트 안테나에 CG 알고리즘을 적용하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of applying a conjugate gradient algorithm to a planar smart antenna, and in particular, to a CDMA uplink channel, a planar smart antenna that enables the CG method to be used as a beam forming algorithm of a planar smart antenna. To a method of applying a CG algorithm.

이동 통신 시스템의 성능 및 용량은 셀 간 혹은 셀 내에서 발생되는 동일채널 간섭 신호와 경로손실 , 다중경로 페이딩, 신호의 지연 및 도플러 확산 및 음영현상 등의 무선 전파채널 특성에 의해 근본적으로 제한된다. 따라서 현재의 이동시스템은 이러한 성능 및 용량 제한현상에 대한 보상 기술로 전력제어, 채널코딩, 레이크(rake) 수신, 디버시티 안테나, 셀의 섹터화, 주파수 분할, 대역확산 등의 기술을 응용하고 있다. The performance and capacity of a mobile communication system are fundamentally limited by co-channel interfering signals and intra-cell radio propagation channel characteristics such as path loss, multipath fading, signal delay and Doppler spreading and shadowing. Therefore, current mobile systems are applying power control, channel coding, rake reception, diversity antenna, cell sectorization, frequency division, and spread spectrum as compensating technologies for performance and capacity limitation. .

그러나 이동 통신 서비스의 욕구가 점차 다양해지면서 그 수요도 크게 늘어남에 따라 기존의 기술만으로는 증대되는 고성능, 고용량의 필요를 충족시키기는 점차 어려워지고 있다. However, as the needs of mobile communication services are diversified, the demands are greatly increased, and it is increasingly difficult to meet the needs of high performance and high capacity, which are only increased by existing technologies.

이러한 요구에 대한 대응 기술로서, 다중 안테나를 사용하여 빔포밍 기술을 사용하는 스마트 안테나 기술이 있다. 스마트 안테나 기술의 구성요소는 안테나 어레이, RF 트랜시버, 빔 형성기 및 RF 조정기술로 구성되는데, 안테나 어레이는 다수의 안테나로 구성되어 안테나 빔 패턴 형성하며 안테나 수가 증가할수록 빔 패턴이 좁아져 성능이 증가하지만 시스템의 복잡도를 고려해 4~12개의 안테나를 사용하며, RF 트랜시버는 각 안테나에 의한 RF 입출력 신호를 업링크/다운링크하는 컨버터로서 RF/IF 모듈로 구성된다. 빔형성기는 시간 지연제어를 위한 등화기(equalizer)로, 스위칭형 빔 형성 방법과 적응형 빔 형성 방법이 있는데, 스위칭형은 미래 몇 개의 방향에 대한 가중치 벡터를 설정하여 빔을 형성하는 것이고, 적응형은 원하는 사용자 신호대 간섭 신호의 비를 최대화하도록 원하는 사용자의 위치에 따라 가중치 벡터를 계속 갱신하는 방식이다.There is a smart antenna technology that uses a beamforming technology using multiple antennas as a response technology to this demand. The components of smart antenna technology consist of antenna array, RF transceiver, beamformer and RF coordination technology. The antenna array consists of multiple antennas to form antenna beam pattern, and as the number of antennas increases, the beam pattern narrows and performance increases. Considering the complexity of the system, four to twelve antennas are used. The RF transceiver is an RF / IF module that uplink / downlinks the RF input and output signals by each antenna. The beamformer is an equalizer for time delay control, and there is a switched beamforming method and an adaptive beamforming method. The switching type is to form a beam by setting weight vectors for several future directions. Type is a method of continuously updating the weight vector according to the position of the desired user so as to maximize the ratio of the desired signal to the interference signal.

스마트 안테나 기술은 전송 거리가 멀어지면서 발생하는 신호감쇄를 해결하기 위한 기술로, 원하는 가입자가 있는 곳에서는 보강간섭이 일어나도록 하고 원치않는 가입자가 있는 곳에서는 상쇄간섭이 일어나도록 빔 형성을 하는데, 이러한 빔 형성을 위해서는 웨이트 벡터를 계산해 주어야 한다. Smart antenna technology is a technology to solve the signal attenuation that occurs when the transmission distance is far away, so that the constructive interference occurs in the presence of the desired subscriber, and the beam shaping so that the cancellation interference occurs in the presence of the unwanted subscriber. The weight vector needs to be calculated for beam forming.

그러나 이러한 웨이트 벡터 계산에 응용되는 알고리즘들은 대부분 선형 어레이에만 적용되는 알고리즘으로써, 공간적인 제한으로 스마트 안테나의 크기를 선형으로 확장하기 어려워 스마트 안테나를 평면 어레이로 확장해야 하는 경우, 상술한 선형 어레이에 적용되는 알고리즘을 평면 어레이에 그대로 적용키 어려운 문제가 있다.However, most of the algorithms applied to the weight vector calculations are applied only to linear arrays. When the smart antennas need to be expanded to planar arrays due to spatial limitations, it is difficult to linearly scale the smart antennas. It is difficult to apply the algorithm to a planar array as it is.

따라서, 선형 어레이 중심의 알고리즘을 평면 어레이에 적용할 수 있는 방법이 필요하다.Therefore, there is a need for a method that can apply a linear array-oriented algorithm to a planar array.

본 발명의 목적은 안테나 빔 형성을 위해 스마트 안테나의 선형 어레이에만 적용되었던 CG(Conjugate Gradient) 알고리즘을 평면 어레이의 평면 스마트 안테나에 적용하는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method of applying a conjugate gradient algorithm (CG), which was applied only to a linear array of smart antennas for antenna beam formation, to a planar smart antenna of a flat array.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 평면 스마트 안테나에 CG 알고리즘을 적용하는 방법은 M 개의 행과 N 개의 열로 구성된 평면 어레이를 갖는 안테나에 있어서, 상기 M행 N열의 평면 어레이를 1 개의 행과 M×N 개의 열로 이루어진 선형 어레이로 치환하여 CG(Conjugate Gradient) 알고리즘에 적용하여 웨이트 벡터를 얻는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, a method of applying a CG algorithm to a planar smart antenna according to the present invention is an antenna having a planar array composed of M rows and N columns, wherein the planar array of M rows and N columns is divided into one row and one row. A weight vector is obtained by substituting a linear array of M × N columns and applying it to a CG algorithm.

바람직하게는, 상기 웨이트 벡터 w(t)는 Preferably, the weight vector w (t) is

이며,

,

여기서, M은 상기 안테나의 행의 개수 및 N은 상기 안테나의 열의 개수이다.Where M is the number of rows of the antenna and N is the number of columns of the antenna.

보다 바람직하게는, 상기 평면 어레이의 mn번째 안테나에 입력되는 신호의 합 v_mn(t)는 More preferably, the sum of the signals input to the mnth antenna of the planar array v _mn (t) is

이며, 여기서, dn 은 참조 열에서 n번째 열까지의 거리, dm은 참조 행에서 m번째 행까지의 거리, λ는 반송파의 파장, n(t)는 각 안테나에 걸리는 백색 잡음이다.

Where dn is the distance from the reference column to the nth column, dm is the distance from the reference row to the mth row, λ is the wavelength of the carrier wave, and n (t) is white noise applied to each antenna.

본 발명에 의하면, 선형 어레이에만 적용되었던 CG 알고리즘을 평면 어레이에도 적용할 수 있도록 하여, 안테나 설치에 있어서 공간 크기의 제약을 받지 않고, 고성능의 통신 품질을 제공할 수 있는 스마트 안테나를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to apply a CG algorithm applied only to a linear array to a flat array, thereby providing a smart antenna capable of providing high performance communication quality without being limited by space size in antenna installation. .

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 평면 스마트 안테나에서 안테나 빔 형성을 위해 CG 알고리즘을 적용하는 방법을 설명하기 위한 평면 안테나의 일 예를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an example of a planar antenna for explaining a method of applying a CG algorithm for antenna beam formation in a planar smart antenna according to an embodiment of the present invention.

CDMA 네트워크의 기지국에 설치된 M× N(예컨대, 3×3) 평면 스마트안테나의 구조를 도 1과 같이 구성하는 경우, L 개의 가입자 신호가 입사각으로 θi를, 방위각으로 φi를 갖는다고 가정할 때 m번째 행, n번째 열의 안테나에 입력되는 수신 신호의 합 v_mn(t)는 다음의 수학식 1을 통해 얻을 수 있다. When the structure of the M × N (eg, 3 × 3) planar smart antenna installed in the base station of the CDMA network is configured as shown in FIG. The sum v _mn (t) of the received signals input to the antennas of the first row and the nth column may be obtained through Equation 1 below.

여기서, dn 은 참조 열에서 n번째 열까지의 거리, dm은 참조 행에서 m번째 행까지의 거리, λ는 반송파의 파장, n(t)는 각 안테나에 걸리는 백색 잡음이다. Where dn is the distance from the reference column to the nth column, dm is the distance from the reference row to the mth row, λ is the wavelength of the carrier wave, and n (t) is white noise applied to each antenna.

CG(Conjugate Gradient) 알고리즘은 원하는 신호와 간섭 신호가 섞여 있을 때 웨이트 벡터를 생성시켜 원하는 신호의 입력 방향을 추적하는 기능을 갖으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 평면 어레이에서 예컨대 3행 3열(3×3) 어레이에서, 첫 번째 행의 세 개의 안테나, 두 번째 행의 세 개의 안테나, 그리고 세 번째 행의 세 개의 안테나를 각각 직렬 배열한 9개의 안테나를 갖는 선형 어레이의 꼴로 치환하여, CG 알고리즘에 적용하여 평면 어레이의 성능을 얻을 수 있었다. Conjugate Gradient (CG) algorithm has a function of tracking the input direction of a desired signal by generating a weight vector when the desired signal and the interference signal are mixed. As shown in FIG. In a (3 × 3) array, CG is replaced by a linear array with three antennas in the first row, three antennas in the second row, and three antennas in the third row, each with nine antennas arranged in series. By applying the algorithm, the performance of the planar array can be obtained.

이어, 웨이트 벡터 w(t)는 아래의 수학식 2를 이용하여 얻을 수 있다.Subsequently, the weight vector w (t) can be obtained by using Equation 2 below.

여기에서, M은 안테나 행의 개수, N은 안테나 열의 개수이다.Where M is the number of antenna rows and N is the number of antenna columns.

따라서, 상기 웨이트 벡터를 이용하여, 스마트 안테나의 빔을 형성할 수 있 게 된다.Therefore, the beam of the smart antenna can be formed using the weight vector.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사항을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical details of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims

In an antenna having a flat array of M rows and N columns,

The planar array of M rows and N columns is replaced with a linear array consisting of one row and M × N columns to be applied to a CG (Conjugate Gradient) algorithm to obtain a weight vector.

How to apply CG algorithm to planar smart antenna.

The method of claim 1,

The weight vector w (t) is

,

Where M is the number of rows of the antenna and N is the number of columns of the antenna.

How to apply CG algorithm to planar smart antenna.

The method according to claim 1 or 2,

The sum of the signals input to the mnth antenna of the planar array v _mn (t) is

,

How to apply CG algorithm to planar smart antenna.