KR20200061190A - 빔 조향 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

복수의 수신 안테나를 포함하는 수신 배열 안테나를 가진 수신 장치는 상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 신호로부터 초기 수신 빔 셋팅을 위한 수신 빔 형성 가중치를 계산하고, 상기 수신 빔 형성 가중치를 이용하여 초기 수신 빔을 형성한다. 그리고 상기 복수의 수신 안테나의 회전각을 계산하여 가중치 인자로 환산한 후, 상기 복수의 수신 안테나의 수신 빔 형성 가중치와 상기 복수의 수신 안테나의 회전각에 대응하는 가중치 인자를 이용하여 상기 복수의 수신 안테나의 수신 빔 형성 가중치를 갱신한다.

Description

빔 조향 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR BEAM STEERING}

본 발명은 빔 조향 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카세그레인 안테나 또는 수십에서 수백 개의 안테나 소자를 가지는 배열 안테나와 같은 고이득 안테나에서 송수신 빔 일치를 위한 빔 조향 방법 및 장치에 관한 것이다.

이동통신 시스템에서 전송용량을 높이거나 음영지역을 해소하기 위해서는 이를 중계하는 무선 중계 장치(백홀)가 필요하게 되는데, 현재 출시되는 무선 중계 장치에는 카세그레인 안테나가 주로 장착되고 이러한 안테나는 이득이 약 40dBi 이상이며 빔 폭이 1도 내외로 매우 고이득의 안테나이며 사용되는 주파수 또한 수십 GHz 대역을 사용하게 되므로 직진성이 높아 거의 가시영역에서 사용한다.

대부분 20GHz 대역이나 E 대역(70~80GHz)을 사용하는 무선 중계 장치는 주파수 대역이 이동통신 액세스 망에 비해 매우 높고 부품의 수요성으로 인해 부품의 제작이 어렵고 고가이므로 출력 전력을 높이는데 제약을 받게 된다. 즉, 6GHz 미만의 주파수 대역에서 수십 W를 비교적 저가로 쉽게 구현할 수 있는 반면에 E 대역에서는 1W의 출력을 얻는 것이 기술적으로 매우 어려울 뿐만 아니라 많은 비용을 요구하게 된다. 따라서 이러한 출력 전력의 제한을 극복하기 위해 안테나 이득을 높여야 하고 높은 이득의 안테나를 구현하면 빔 폭을 극단적으로 줄일 수 밖에는 없으므로 송수신 안테나의 위치나 방향을 잘 맞추어야만 원활한 통신을 할 수 있다.

송신기의 빔 폭이 1도의 안테나로 1km를 전송하는 무선 중계 장치를 설치할 경우 수신 지점에서는 약 17m 정도의 3dB의 빔 반경이 만들어지므로 수신기의 설치 조건을 고려하면 설치 위치에 많은 제약이 생기게 되며, 또한 송수신 빔의 조향이 1도 이내로 빔의 방향을 맞추어야 한다. 기존에는 이러한 빔 조향을 위해서 GPS를 통해 대략적인 송수신기의 위치와 방향을 맞추고 수신측 안테나를 수동으로 회전하거나 위치를 이동하면서 송신 기준신호의 신호 크기가 최대가 되는 지점으로 반복적이고 기계적으로 튜닝하여 설치한다. 이러한 방법은 사람이 안테나의 설치 위치에서 작업해야 하는 번거로움과 위험성이 존재하고 설치가 완료된 이후 외부 환경에 의해 안테나가 틀어진 경우에는 성능저하를 감수해야 하는 단점이 있다. 또한 바람에 의해 안테나가 수시로 틀어지는 경우는 보정 자체가 불가능하다는 단점이 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 극단적으로 좁은 빔 폭을 가지는 송수신 안테나의 빔을 일치시켜 전송 거리를 최대화하고 전송 효율을 높일 수 있는 빔 조향 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 복수의 수신 안테나를 포함하는 수신 배열 안테나를 가진 수신 장치에서 송수신 빔간 일치를 위한 빔 조향 방법이 제공된다. 빔 조향 방법은 상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 신호로부터 초기 수신 빔 셋팅을 위한 수신 빔 형성 가중치를 계산하는 단계, 상기 수신 빔 형성 가중치를 이용하여 초기 수신 빔을 형성하는 단계, 상기 복수의 수신 안테나의 회전각을 계산하는 단계, 상기 복수의 수신 안테나의 회전각을 가중치 인자로 환산하는 단계, 그리고 상기 복수의 수신 안테나의 수신 빔 형성 가중치와 상기 복수의 수신 안테나의 회전각에 대응하는 가중치 인자를 이용하여 상기 복수의 수신 안테나의 수신 빔 형성 가중치를 갱신하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 보다 용이하게 송수신 빔 일치를 수행하여 통신 성능을 향상시키고 통신 서비스의 거리를 확장하는 효과를 가진다. 이를 통해 무선 중계 장치의 설치가 용이하고 비용 절감을 이룰 수 있으며 통신요금의 인하 효과를 가져올 수 있다.

또한 바람 등의 외부 환경에 의해 안테나가 수시로 틀어지는 경우에도 송수신 빔 일치를 수행할 수 있어 통신 서비스의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 좁은 빔 폭을 가지는 고이득 송수신 안테나의 이격 각도의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 이격 각도에 따른 이득 감소를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고이득 배열 안테나의 빔 패턴의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고이득 배열 안테나의 빔 형성 및 빔 조향을 도식화한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 각각 본 발명의 실시 예에 따른 고이득 배열 안테나를 사용하는 경우 빔 일치 방법을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 빔 일치를 위한 수신 장치를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 수신 장치에서 빔 일치를 위한 빔 조향 방법을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 빔 일치를 위한 송신 장치를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치에서 빔 일치를 위한 빔 조향 방법을 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 빔 조향 방법 및 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 좁은 빔 폭을 가지는 고이득 송수신 안테나의 이격 각도의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 이격 각도에 따른 이득 감소를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 송수신 안테나가 각각 40dBi의 이득과 3dB 빔 폭이 1도 정도의 펜슬 빔을 가질 수 있으며, 송수신 빔간 약 1도의 빔 불일치가 발생할 때 도 2에 도시한 바와 같이 17dB 정도의 이득 감쇄를 나타날 수 있으며, 이는 전송 거리 측면에서 매우 큰 손실이 된다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고이득 배열 안테나의 빔 패턴의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고이득 배열 안테나의 빔 형성 및 빔 조향을 도식화한 도면이다.

통상의 카세그레인 안테나와 같은 단일 고이득 안테나는 자동으로 빔 형성을 통해 빔 일치를 수행하는 것이 불가능하다. 따라서, 도 3 및 도 4에서는 이차원 배열 안테나를 적용하여 삼차원 빔 형성을 통해 빔 일치를 구현할 경우 빔 패턴의 형성이 가능함을 도식적으로 나타낸 것이다.

70~80GHz의 E 대역의 무선 주파수를 사용하는 무선 중계 장치에서의 송수신 안테나로서, 통상 카세그레인 안테나와 같이 40dBi와 동일한 안테나 이득을 얻기 위한 평판형 배열 안테나를 사용하는 경우 수백 개의 안테나 소자를 필요로 한다. 안테나 소자의 수를 줄이기 위해서는 각 안테나 소자가 약 20dBi의 이득을 가지는 혼 형태의 금속형 안테나 소자로 구현되어야 하고, 이러한 형태의 안테나 소자로 이차원 배열 안테나를 구성할 경우 약 16개 혹은 25개 정도의 안테나 소자만을 통해 카세그레인 안테나와 동일한 이득의 배열 안테나를 구현할 수 있다. 그러나 구현 시에 20dBi 정도의 혼 안테나가 가지는 개구면은 약 10~20mm 정도가 되고 배열 안테나를 원활히 구성하기 위한 안테나간 간격은 반파장으로서 약 3~4mm 정도가 되므로 안테나간 간격이 4~5배 정도로 커진다. 이렇게 구현되는 배열 안테나는 도 3에 도시한 바와 같이 빔 패턴에 있어 많은 수의 부엽 레벨이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 배열 안테나의 구현은 일반적이지 않으나 본 발명의 실시 예에서 무선 중계 장치의 빔 일치를 위해서는 큰 범위의 빔 조향이 필요치 않고 단지 수도 이내의 빔 조향만을 필요로 하므로, 배열 안테나를 사용하여도 적절한 단일 안테나 빔 패턴을 통해 충분히 부엽 레벨을 필터링 할 수 있어 깨끗한 송수신 빔을 구현할 수 있다. 즉, 도 3에서 나타낸 바와 같이 부엽 패턴이 많이 포함된 배열 안테나 빔 패턴이 형성되더라도 고이득의 단일 안테나 빔 패턴에서는 3dB 빔 폭이 좁으므로 실제로 방사되는 빔 패턴에서는 부엽 레벨은 필터링하고 원하는 빔 만을 송수신 할 있다.

또한 도 4를 참고하면, 이러한 형태의 배열 안테나는 빔 형성 가중치의 가변을 통해 약 10도 이내에서 빔의 조향이 가능하므로 현실적인 구현이 가능하다.

도 5 내지 도 8은 각각 본 발명의 실시 예에 따른 고이득 배열 안테나를 사용하는 경우 빔 일치 방법을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 송수신 안테나의 설치 시에는 송수신 빔의 방향이 불일치하므로, 초기 빔 셋업의 절차가 필요하게 된다. 초기 빔 셋업을 위한 첫 번째 단계는 수신 안테나의 빔 형성 단계로서, 도 5에서 도시한 바와 같이 송신기는 송신 빔 형성 가중치를 통해 송신 안테나의 송신 빔 패턴을 전방향으로 방사하고, 수신기에서는 빔 형성을 위한 적응형 알고리즘이나 DoA(Direction of Arrival, 도래각) 알고리즘을 통해 최적의 수신 빔 형성 가중치를 계산한 후 수신된 신호에 수신 빔 형성 가중치를 적용하여 수신 빔을 형성한다. 두 번째 단계는 송신 안테나의 빔 형성 단계로서, 도 6에 도시한 바와 같이 송신기는 송신 안테나 각각을 통해 특정한 코드로 구분 가능한 기준 신호를 전방향으로 송신하고, 수신 빔 형성이 완료된 수신기에서는 각각의 송신 안테나로부터 방사된 기준 신호를 수신한 후 기준 신호를 이용하여 각각의 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 채널을 측정하고, 측정된 채널 값을 송신기로 피드백한다. 그러면 송신기는 수신한 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 채널 값을 토대로 각 송신 안테나에 대응하는 송신 빔 형성 가중치를 계산하고, 각 송신 안테나에 대응하는 송신 빔 형성 가중치를 이용하여 최적의 송신 빔을 형성한다.

초기 빔 셋업 단계에서 송수신 안테나의 빔 형성이 완료되고 나면, 도 7에 도시한 바와 같이 송수신 안테나의 설치 위치에 이격이 발생할 때, 도 5 및 도 6에서 설명한 방법을 이용하여 수신 빔 틸팅(Beam Tilting) 및 송신 빔 틸팅을 통해 송신 빔과 수신 빔간의 일치를 수행할 수 있다.

초기 빔 셋업 단계 이후에는 송수신 빔 추적 단계가 수행된다. 도 8에 도시한 바와 같이 앞서 언급된 방법으로 초기에 송수신 빔 일치를 수행하였다 하더라도 외부 환경, 즉 바람 등의 원인에 의해 송수신 안테나가 설치된 기구물이 지속적으로 회전할 수 있다. 이 경우, 빔 추적 과정을 통해 송수신 빔을 보정한다. 빔 추적 과정에서는 송신기와 수신기에서 각각 송신 빔 틸팅 및 수신 빔 틸팅을 수행하여야 최적의 빔 일치를 할 수 있으며 이를 위해서는 비교적 간단한 방법으로, 송신기 및 수신기에서는 각 안테나의 회전각을 측정하여 이를 빔 형성 가중치에 반영하여 송수신 빔을 지속적으로 갱신하는 방법을 사용한다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 빔 일치를 위한 수신 장치를 나타낸 도면이다.

도 9를 참고하면, 수신 장치(10)는 복수의 수신 안테나(100₁~100_n)를 포함하는 수신 배열 안테나, 복수의 RF 수신기(110₁~110_n), 복수의 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter, ADC)(120₁~120_n), 복수의 빔 형성기(130₁~130_n), 빔 합성기(140), S/N(Signal to Noise ratio) 검출기(150), 채널 검출기(160), 가중치 계산기(170), 회전각 탐지기(180) 및 가중치 저장기(190)를 포함한다.

배열 안테나의 각 수신 안테나(100₁~100_n)는 신호를 수신하여 대응하는 RF 수신기(110₁~110_n)로 전달한다.

각 RF 수신기(110₁~110_n)는 각 수신 안테나(100₁~100_n)를 통해 수신된 신호를 기저대역 신호로 변환한 후 대응하는 ADC(120₁~120_n)로 전달한다.

각 ADC(120₁~120_n)는 각 RF 수신기(110₁~110_n)에 의해 변환된 기저대역 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하여 대응하는 빔 형성기(130₁~130_n)로 전달한다.

각 빔 형성기(130₁~130_n)는 각 ADC(120₁~120_n)에 의해 변환된 디지털 신호에 가중치 저장기(190)에 저장된 각 수신 안테나(100₁~100_n)에 대응하는 빔 형성 가중치를 곱하여 빔을 형성한다.

빔 합성기(150)는 각 빔 형성기(130₁~130_n)에 의해 형성된 빔을 합성하여 수신 빔을 생성하여 출력한다.

S/N 검출기는 각 ADC(120₁~120_n)에 의해 변환된 디지털 신호로부터 S/N 값을 검출한다.

채널 검출기(160)는 각 ADC(120₁~120_n)에 의해 변환된 디지털 신호로부터 각 송신 안테나와 각 수신 안테나 사이의 채널을 측정하고, 측정한 채널 값을 송신기로 피드백한다.

가중치 계산기(170)는 초기 빔 셋업을 위해 각 수신 안테나(100₁~100_n)의 기저대역 신호로부터 평균제곱오차(mean square error, MSE)를 최소화하는 빔 형성 가중치를 계산한 후, 각 수신 안테나(100₁~100_n)에 대응하는 수신 빔 형성 가중치를 가중치 저장기(190)에 전달한다.

회전각 탐지기(180)는 S/N 검출기에 의해 검출된 S/N 값으로부터 수신 안테나(100₁~100_n)의 회전각을 측정하고, 측정된 수신 안테나(100₁~100_n)의 회전각을 가중치 인자로 환산한다.

가중치 저장기(190)는 초기 빔 셋업 시에 가중치 계산기(170)에 의해 계산된 각 수신 안테나(100₁~100_n)에 대응하는 수신 빔 형성 가중치를 저장하고, 저장된 각 수신 안테나(100₁~100_n)에 대응하는 수신 빔 형성 가중치에 수신 안테나(100₁~100_n)의 가중치 인자를 곱하여 지속적으로 각 수신 안테나(100₁~100_n)에 대응하는 수신 빔 형성 가중치를 갱신한다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 수신 장치에서 빔 일치를 위한 빔 조향 방법을 나타낸 도면이다.

도 10을 참고하면, 수신 장치(10)는 각 수신 안테나(100₁~100_n)를 통해 신호를 수신하면(S110), 초기 빔 셋업을 위해 각 수신 안테나(100₁~100_n)의 기저대역 신호에서 MSE를 최소화하는 수신 빔 형성 가중치를 계산하여 저장하고(S120), 각 수신 안테나(100₁~100_n)에 대응하는 수신 빔 형성 가중치를 이용하여 수신 빔을 형성한다(S130).

또한 수신 장치(10)는 각 수신 안테나(100₁~100_n)를 통해 수신된 신호로부터 외부 환경에 의한 각 수신 안테나(100₁~100_n)의 회전각을 계산하고(S140), 각 수신 안테나(100₁~100_n)의 회전각을 가중치 인자로 환산한다(S150).

수신 장치(10)는 초기에 계산되어 저장된 각 수신 안테나(100₁~100_n)에 대응하는 수신 빔 형성 가중치에 각 수신 안테나(100₁~100_n)의 회전각에 따른 가중치 인자를 곱하여 각 수신 안테나(100₁~100_n)에 대응하는 수신 빔 형성 가중치를 갱신함으로써(S160), 지속적으로 외부 환경에 따른 수신 빔을 보정하는 기능을 수행한다.

또한 수신 장치(10)는 송신 안테나의 송신 빔 형성 가중치를 계산하기 위해 송신 안테나에서 송신되는 기준 신호로부터 채널 값을 추정하여 이를 송신 장치로 피드백한다(S170).

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 빔 일치를 위한 송신 장치를 나타낸 도면이다.

도 11을 참고하면, 송신 장치(20)는 복수의 빔 형성기(210₁~210_n), 복수의 디지털 아날로그 변환기(Digital to Analog Converter, DAC)(220₁~220_n), 복수의 RF 송신기(230₁~230_n), 가중치 계산기(240), 회전각 탐지기(250), 복수의 송신 안테나(260₁~260_n)를 포함하는 송신 배열 안테나 및 가중치 저장기(270)를 포함한다.

각 빔 형성기(210₁~210_n)는 초기 빔 셋업 시에 가중치 계산기(240)에 의해 계산되어 저장된 각 송신 안테나(260₁~260_n)에 대응하는 송신 빔 형성 가중치를 각 송신 안테나(260₁~260_n)의 송신 데이터에 곱하여 송신 빔을 형성한다.

각 DAC(220₁~220_n)는 각 송신 안테나(260₁~260_n)의 송신 빔에 해당하는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 대응하는 RF 송신기(230₁~230_n)로 전달한다.

각 RF 송신기(230₁~230_n)는 각 송신 안테나(260₁~260_n)에 해당하는 아날로그 신호를 기저대역 신호에서 무선 신호로 변환하여 대응하는 송신 안테나(260₁~260_n)로 전달한다.

가중치 계산기(240)는 초기 빔 셋팅을 위해 수신기로부터 수신한 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 채널 값을 토대로 각 송신 안테나에 대응하는 송신 빔 형성 가중치를 계산하여 가중치 저장기(270)로 전달한다.

회전각 탐지기(250)는 송신 안테나(260₁~260_n)의 회전각을 측정하고, 측정된 송신 안테나(260₁~260_n)의 회전각을 가중치 인자로 환산한다. 예를 들면, 회전각 탐지기(250)는 자이로 센서를 포함할 수 있으며, 자이로 센서를 이용하여 송신 안테나(260₁~260_n)의 회전각을 측정할 수 있다. 이때 회전각 탐지기(250)는 시간적으로 계속 송신 안테나(260₁~260_n)의 회전각을 누적하여 회전각 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

각 송신 안테나(260₁~260_n)는 대응하는 RF 송신기(230₁~230_n)로부터 전달 받은 무선 신호를 송출한다.

가중치 저장기(270)는 초기 빔 셋업 시에 가중치 계산기(240)에 의해 계산된 각 송신 안테나(260₁~260_n)에 대응하는 송신 빔 형성 가중치를 저장하고, 저장된 각 송신 안테나(260₁~260_n)에 대응하는 송신 빔 형성 가중치에 송신 안테나(260₁~260_n)의 가중치 인자를 곱하여 지속적으로 각 송신 안테나(260₁~260_n)에 대응하는 송신 빔 형성 가중치를 갱신한다.

도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치에서 빔 일치를 위한 빔 조향 방법을 나타낸 도면이다.

도 12를 참고하면, 송신 장치(20)는 수신 장치에 의해 계산된 각 송신 안테나와 수신 안테나간 채널 값을 이용하여 각 송신 안테나(260₁~260_n)에 대응하는 송신 빔 형성 가중치를 계산하여 저장하고(S210), 초기 송신 빔 셋팅을 위해 각 송신 안테나(260₁~260_n)에 대응하는 송신 빔 형성 가중치를 이용하여 송신 빔을 형성한다(S220).

송신 장치(20)는 수신 빔 추적과 마찬가지로 외부 환경에 의한 송신 안테나(260₁~260_n)의 회전각을 계산하고(S230), 각 송신 안테나(260₁~260_n)의 회전각을 가중치 인자로 환산한다(S240).

송신 장치(20)는 초기에 계산되어 저장된 각 송신 안테나(260₁~260_n)에 대응하는 수신 빔 형성 가중치에 각 수신 안테나(100₁~100_n)의 회전각에 따른 가중치 인자를 곱하여 각 송신 안테나(260₁~260_n)에 대응하는 송신 빔 형성 가중치를 갱신함으로써(S250), 지속적으로 외부 환경에 따른 송신 빔을 보정하는 기능을 수행한다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

1. 복수의 수신 안테나를 포함하는 수신 배열 안테나를 가진 수신 장치에서 송수신 빔간 일치를 위한 빔 조향 방법으로서,
   상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 신호로부터 초기 수신 빔 셋팅을 위한 수신 빔 형성 가중치를 계산하는 단계,
   상기 수신 빔 형성 가중치를 이용하여 초기 수신 빔을 형성하는 단계,
   상기 복수의 수신 안테나의 회전각을 계산하는 단계,
   상기 복수의 수신 안테나의 회전각을 가중치 인자로 환산하는 단계, 그리고
   상기 복수의 수신 안테나의 수신 빔 형성 가중치와 상기 복수의 수신 안테나의 회전각에 대응하는 가중치 인자를 이용하여 상기 복수의 수신 안테나의 수신 빔 형성 가중치를 갱신하는 단계
   를 포함하는 빔 조향 방법.

Images