KR100278543B1 - Smart Antenna System Using Parallel Searcher - Google Patents
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Abstract
본 발명은, CDMA 통신 방식의 기지국에서 지향성을 갖는 안테나 소자들을 이용하여 공간 필터링에 의한 계산 없이 원하는 사용자의 방향으로 신호를 송수신할 수 있는 스마트 안테나 시스템을 제공하기 위한 것이다.The present invention provides a smart antenna system capable of transmitting and receiving a signal in a direction of a desired user without calculation by spatial filtering using antenna elements having directivity in a CDMA communication base station.
본 발명에 따른 RAKE 수신기(41,42,---,4N)는 A/D변환기(31,32,---,3M)로부터 입력된 신호의 칩지연의 정도에 따라 해당 신호를 스위칭함과 더불어 결합하여 출력하는 스위칭 및 결합기(11)와, A/D변환기(31,32,---,3M)로부터 수신된 디지털신호를 인가받아 원하는 사용자의 확산코드와 같은 확산코드를 갖춘 신호가 어떤 안테나소자 방향에서 크게 수신되는가를 탐색하는 다수의 신호용 탐색기(141,----,14M)로 이루어진 병렬 탐색기(14), 이 병렬 탐색기(14)의 탐색결과를 인가받아 그 정보를 기초로 상기 스위칭 및 결합기(11)를 제어하는 제어기(15), 상기 스위칭 및 결합기(11)로부터의 출력신호를 인가받아 역확산을 수행하는 다수의 핑거(121,122,---,12K) 및, 이 핑거(121,122,---,12K)로부터의 출력신호에 대해 시간 지연을 고려한 다음 수신된 각 경로 신호 전력의 비로 합산하여 출력하는 최대 비 결합기(13)를 구비하여 이루어지고, 상기 다수의 탐색기를 이용하여 각 안테나소자 방향으로부터 수신된 사용자의 경로 신호 수신전력을 추정하고, 그중 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나방향의 신호를 결합하여 역확산을 수행하도록 된다.The RAKE receivers 4 1 , 4 2 , ---, 4 N according to the present invention depend on the degree of chip delay of the signal input from the A / D converter 3 1 , 3 2 , ---, 3 M. A spreading code of a desired user is received by receiving a digital signal received from the switching and combiner 11 and the A / D converters 3 1 , 3 2 , ---, 3 M that combines and outputs the corresponding signals. Parallel searcher (14) consisting of a plurality of signal searchers (14 1 , ----, 14 M ) for searching in which antenna element direction a signal with a spreading code such as A controller 15 that receives the search result and controls the switching and combiner 11 based on the information, and a plurality of fingers 12 1 that receive an output signal from the switching and combiner 11 and perform despreading. , 12 2 , ---, 12 K ) and each path signal received after taking into account the time delay for the output signal from this finger 12 1 , 12 2 , ---, 12 K And a maximum non-coupler 13 that sums and outputs the ratio of the powers, and estimates a path signal reception power of a user received from each antenna element direction using the plurality of searchers, and has a reception power of a threshold value or more. Despreading is performed by combining signals in the antenna direction.
Description
본 발명은 스마트 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 병렬 탐색기를 이용한 스마트 안테나 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a smart antenna system, and more particularly to a smart antenna system using a parallel searcher.
현재 상용중인 CDMA 시스템에 있어서 기지국에 속한 다른 사용자의 신호는 간섭잡음으로 처리된다. 따라서, 하나의 기지국에서 같은 주파수를 공유하는 사용자의 수가 증가하면 다중접속 간섭잡음이 증가되어 수신 신호의 비트 에러 확률이 증가됨에 따라 시스템의 성능이 저하된다. 따라서, 현재의 CDMA 시스템은 기지국에 속한 사용자의 수를 제한함으로써 시스템의 성능을 일정 수준 이상(음성 통신의 경우 비트 에러율은
따라서, 이러한 비트 에러율을 충족시키기 위해서는 하나의 기지국에서 서비스되는 사용자의 수를 더욱 제한하거나 셀의 크기를 줄여야만 한다. 그러나, 셀의 크기를 줄이면, 기지국을 더욱 많이 증설하여야 하고(기지국 설치비용이 증가), 또한 핸드오프(handoff)가 너무 빈번히 발생된다는 문제가 야기된다. 따라서, 현재 셀의 크기를 줄이지 않으면서도 하나의 기지국에서 많은 사용자에게 고품질의 멀티미디어 통신 서비스를 제공하기 위한 스마트 안테나 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Therefore, in order to satisfy this bit error rate, it is necessary to further limit the number of users served by one base station or reduce the size of the cell. However, reducing the size of the cell causes the problem that more base stations must be added (base station installation costs increase) and handoff occurs too frequently. Therefore, the research on the smart antenna system for providing a high quality multimedia communication service to a large number of users in one base station without reducing the size of the current cell is being actively conducted.
스마트 안테나 시스템은 다수의 배열 안테나 소자를 이용하여 각각의 안테나 소자에서 수신되는 신호들의 이득 및 위상을 조절하여, 기지국에서 원하는 사용자의 방향으로부터 전파되어 오는 신호만을 수신하고 그 이외의 방향에서 전파되어오는 다중접속 간섭에 의한 잡음 신호레벨은 크게 감소시켜, 시스템의 성능을 향상시키고 기지국의 채널 용량을 증가시키도록 된 시스템이다.Smart antenna system uses a plurality of array antenna elements to adjust the gain and phase of the signals received at each antenna element, and receives only the signals propagated from the direction of the desired user at the base station and propagates in other directions The noise signal level due to the multiple access interference is greatly reduced, thereby improving the performance of the system and increasing the channel capacity of the base station.
그러나, 무선 채널 환경에서 사용자의 신호는 서로 다른 시간 지연 및 위상 지연을 갖는 다중경로 신호로 입사된다. 따라서, 현재의 CDMA 기지국 시스템의 레이크(RAKE) 수신기에서는 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 다중경로 신호들을 모두 검출하고, 다수의 핑거에서 해당 핑거와 시간 지연이 일치하는 경로 신호에 대한 역 확산을 수행하며, 이를 수신한 경로 신호 전력의 비로 결합해 줌으로써 시스템의 안정도를 높이고 성능을 향상시켜왔다.However, in a wireless channel environment, the user's signal is incident as a multipath signal with different time delays and phase delays. Accordingly, the RAKE receiver of the current CDMA base station system detects all of the multipath signals having a reception power higher than a threshold value and performs despreading on a path signal whose time delay coincides with a corresponding finger on a plurality of fingers. Combining this with the ratio of received path signal power has increased system stability and performance.
일반적으로 시간 지연이 다른 다중경로 신호들은 서로 다른 방향에서 수신된다. 따라서, CDMA 통신 방식의 기지국에 스마트 안테나 시스템을 적용하기 위해서는 RAKE 수신기의 각 핑거에서 이 핑거와 시간 지연이 일치하는 경로 신호의 방향을 추정하고, 이 방향에서만 신호를 수신하기 위한 공간 필터링을 수행해야 한다. 또한, 공간 필터링을 수행하기 위해서는 해당 사용자의 경로 방향에서만 신호를 수신하기 위한 복소 가중치 벡터를 추정하여, 이 벡터를 각각의 안테나 소자에서 수신한 모든 디지털 데이터에 곱해주어야 하나, 이는 많은 계산량을 필요로 하기 때문에 이러한 스마트 안테나 시스템을 실제로 구현하고자 할 경우에는 시스템의 가격이 상승하고 복잡도가 증가한다.In general, multipath signals with different time delays are received in different directions. Therefore, in order to apply the smart antenna system to the base station of the CDMA communication method, each finger of the RAKE receiver needs to estimate the direction of the path signal in which the finger coincides with the time delay, and perform spatial filtering to receive the signal only in this direction. do. In addition, in order to perform spatial filtering, a complex weight vector for receiving a signal only in a path direction of a corresponding user must be estimated and multiplied by this vector to all digital data received by each antenna element, which requires a large amount of computation. Therefore, if the actual implementation of such smart antenna system, the price of the system increases and the complexity increases.
예컨대, 신호의 대역폭이 20MHz이고, A/D 변환기에서 현재의 기지국 시스템과 같이 I채널 4배와 Q채널 4배의 오버 샘플링을 해준다면, 각 안테나 소자에서 수신하여 변환된 디지털 신호의 데이터율은 초당 20×8M칩(chip)이다. 이 데이터에 공간 필터링을 수행하기 위하여 복소 가중치 벡터를 곱해주면 20×8×4M clock/sec의 계산이 요구된다 (복소수의 곱셈에 4 clock이 요구된다고 가정).For example, if the bandwidth of the signal is 20 MHz and the A / D converter performs oversampling of I channel 4 times and Q channel 4 times as in the current base station system, the data rate of the digital signal received and converted in each antenna element is 20 x 8M chips per second. Multiplying this data by the complex weight vector to perform spatial filtering requires calculation of 20 × 8 × 4M clock / sec (assuming 4 clocks are required for multiplication of complex numbers).
배열 안테나 소자의 수가 8 개일 경우, 각 안테나 소자에서 수신한 모든 데이터에 복소 가중치 벡터를 곱해주어야 하므로 20×8×4×8M clock/sec의 계산이 요구되고, 각 핑거에서 시간 지연이 일치하는 신호에 대한 공간 필터링을 따로 해주어야 하기 때문에 한 사용자의 복조기에서는 총 20×8×4×8×3M clock/sec = 15.36 Gcps의 계산이 요구된다(핑거가 3개일 경우). 또한, 신호의 경로 방향을 추정하기 위하여 복소 가중치 벡터를 구해주어야 하는데, 상기 계산에서는 이 계산량을 제외한 것인데도 그 계산량이 매우 많음을 알 수 있다.If the number of array antenna elements is 8, all data received from each antenna element must be multiplied by the complex weight vector, so a calculation of 20 × 8 × 4 × 8M clock / sec is required, and the signal with the same time delay at each finger. Since the spatial filtering must be done separately, one user's demodulator requires a total calculation of 20 × 8 × 4 × 8 × 3M clock / sec = 15.36 Gcps (with three fingers). In addition, to estimate the path direction of the signal, a complex weight vector must be obtained. In the above calculation, it is understood that the calculation amount is very large even though this calculation amount is excluded.
공간 필터링에 의한 계산량을 줄이기 위해 역확산을 먼저 수행하고, 이 신호에 복소 가중치 벡터를 곱해줄 수도 있으나, 이 방식은 각 안테나 소자 수의 배수 만큼의 상관기가 더 필요하기 때문에 시스템의 복잡도가 증가된다.Despreading is first performed to reduce the computation by spatial filtering, and the signal can be multiplied by a complex weight vector, but this method increases the complexity of the system because it requires more correlators as multiples of the number of antenna elements. .
따라서, 공간 필터링에 의한 계산 없이 공간 필터링을 수행하기 위한 스위치드(switched) 빔 안테나 시스템의 사용이 고려되기도 한다. 스위치드 빔 안테나 시스템은 지향성을 갖는 다수의 안테나 소자를 이용하여 신호를 수신한다. 이 시스템의 기지국에서는 수신된 신호의 크기가 어느 안테나 방향에서 가장 크게 수신되는가를 판단하여 그 안테나 방향으로부터의 신호를 복조기로 보내주면, 복조기에서는 이 방향의 신호에 대한 프로세싱을 수행한다(CDMA 통신 방식을 사용할 경우에는 역확산을 수행한다). 만약, 이 방향에서의 신호 전력이 임계치 이하로 떨어지면, 기지국에서는 신호가 가장 크게 수신되는 방향을 다시 탐색하여 그 중에서 가장 수신 전력이 큰 안테나 방향으로부터의 신호를 복조기에 보낸다. 그러나, 각 경로 신호는 여러 방향에서 수신되며 때로는 상당히 광범위한 범위로 퍼져서(즉, 수신 각도 분산이 크게) 수신된다. 따라서, 이 경우 한 안테나 방향에서만의 신호를 잡아주면, 그 이외의 방향에서 수신되는 해당 사용자의 신호를 상당 부분 잃게되어 시스템의 성능이 저하될 수 있다.Thus, the use of a switched beam antenna system to perform spatial filtering without calculation by spatial filtering may be considered. Switched beam antenna systems receive signals using a plurality of directional antenna elements. The base station of the system determines in which antenna direction the received signal is received the largest and sends a signal from the antenna direction to the demodulator, and the demodulator performs processing on the signal in this direction (CDMA communication method). If you use, despread). If the signal power in this direction falls below the threshold, the base station again searches for the direction in which the signal is received the most and sends a signal from the antenna direction with the largest received power to the demodulator. However, each path signal is received in several directions and sometimes spreads over a fairly wide range (i.e., with a large reception angle dispersion). Therefore, in this case, if the signal is caught only in one antenna direction, a significant portion of the signal of the corresponding user received in the other direction may be lost and the performance of the system may be degraded.
현재, 원하는 사용자의 신호와 다른 방향에서 수신되는 다른 사용자에 의한 간섭 잡음을 줄여 시스템의 용량과 성능을 향상시키려는 스마트 안테나 시스템 기술은 크게 세 가지 방향으로 연구되고 있다.Currently, smart antenna system technology is being studied in three directions to improve the capacity and performance of a system by reducing interference noise caused by a different user received from a different direction from a desired user's signal.
첫번째 기술은 다중경로 신호가 수신되면, RAKE 수신기의 핑거에서 이 핑거와 시간 지연이 일치하는 경로 신호의 방향을 추정하여 이 방향으로부터만 신호를 수신하는 공간 필터링을 수행한 후에, 이 신호를 이용하여 역확산을 수행하는 방식이다(미국 특허 제5,621,752호, 발명의 명칭; Adaptive sectorization in a spread spectrum communication system와, Ayman F. Naguib의 "Adaptive Antennas for CDMA Wireless Network", Ph. D. thesis, Stanford University, 1996. 8. 참조).In the first technique, when a multipath signal is received, the finger of the RAKE receiver estimates the direction of a path signal whose time delay coincides, and performs spatial filtering to receive the signal only from this direction. Despreading (US Pat. No. 5,621,752, Title of the Invention; Adaptive sectorization in a spread spectrum communication system and Ayman F. Naguib, "Adaptive Antennas for CDMA Wireless Network", Ph. D. thesis, Stanford University , August 8, 1996).
그러나, 상기한 바와 같이 이 방식은 공간 필터링에 의한 계산량이 너무 많아서 이를 실제로 구현하기 위해서는 매우 빠른 DSP 칩의 사용이 요구된다.However, as described above, this method requires too much computation by spatial filtering, so that a very fast DSP chip is required to actually implement it.
두번째 기술은 첫번째 기술과 마찬가지로 RAKE 수신기의 핑거에서 공간 필터링을 수행하는 것은 같으나, 핑거에서 역확산을 먼저 수행한 후에 공간 필터링을 수행하는 방식이다. 이 방식은 공간 필터링에 의한 계산량은 크게 감소되지만(첫번째 방식에 비해 약 1/처리이득 배), 안테나 소자 수의 배수 만큼(안테나 소자의 수가 M일 때 M배)의 상관기가 요구되기 때문에 시스템의 복잡도가 증가한다.In the second technique, as in the first technique, spatial filtering is performed on the finger of the RAKE receiver, but despreading is performed on the finger first, and then spatial filtering is performed. This method reduces the computational complexity due to spatial filtering (about 1 / process gain times compared to the first method), but requires a correlator of as many times as the number of antenna elements (M times when the number of antenna elements is M). Complexity increases.
세번째 기술은 스위치드 빔 안테나 시스템이다. 스위치드 빔 안테나 시스템은 지향성을 갖는 다수의 안테나 소자를 이용하여 신호를 수신함으로써 공간 필터링에 의한 계산 없이 지향성 신호를 수신할 수 있으나, 신호가 상당히 광범위하게 퍼져서 수신될 때 어느 한 안테나 방향에서 수신한 신호만을 이용하여 역확산을 수행해 줌으로써 시스템의 성능과 안정성이 저하될 수 있다. 또한, 현재 이 방식은 FDMA와 TDMA 방식용으로 많이 개발되기 때문에 CDMA 통신 방식에서 시간 지연 및 수신 각도가 다른 각 경로 방향 신호를 어떻게 처리할 것인가에 대한 구체적인 설명이 되어 있지 않다. 이는 FDMA 와 TDMA 통신 방식에서는 여러 개의 경로 신호 중에서 신호의 수신 전력이 가장 큰 한 방향의 신호만을 이용하여 복조를 하는 반면에, CDMA 통신 방식에서는 수신 전력이 임계치 이상인 다수의 경로 신호를 모두 이용하여 역확산을 수행하기 때문이다.The third technique is a switched beam antenna system. The switched beam antenna system can receive a directional signal without calculation by spatial filtering by receiving a signal using a plurality of directional antenna elements, but the signal received in any one antenna direction when the signal is widely spread and received By performing despreading with bays, the performance and stability of the system can be degraded. In addition, since this scheme is developed for FDMA and TDMA schemes, there is no detailed description on how to handle each path direction signal having a different time delay and reception angle in the CDMA communication scheme. In the FDMA and TDMA communication methods, demodulation is performed using only one direction signal having the largest signal reception power among several path signals, whereas in the CDMA communication method, the signal is reversed by using all the path signals whose reception power is above a threshold. This is because diffusion is performed.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, CDMA 통신 방식의 기지국에서 지향성을 갖는 안테나 소자들을 이용하여 공간 필터링에 의한 계산 없이 원하는 사용자의 방향으로 신호를 송수신할 수 있는 스마트 안테나 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, and provides a smart antenna system that can transmit and receive signals in the direction of the desired user without calculation by spatial filtering using antenna elements having directivity in the base station of the CDMA communication method Its purpose is.
또한 본 발명은, 수신 신호의 각도 분산이 클 경우에도 (즉, 사용자의 신호가 광범위하게 퍼져서 수신될 때) 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나 방향의 신호를 모두 수신하여 역확산을 수행해 줌으로써, 시스템의 성능을 향상시키고 보다 안정적으로 신호를 수신할 수 있도록 된 스마트 안테나 시스템을 제공함에 또 다른 목적이 있다.In addition, the present invention, even when the angular dispersion of the received signal is large (that is, when the user's signal is widely spread and received) by receiving all the signals in the direction of the antenna having a received power above the threshold to perform despreading, Another object is to provide a smart antenna system that improves performance and allows for more stable signal reception.
도 1a는 선형 구조의 배열 안테나소자를 나타낸 도면,1A is a diagram illustrating an array antenna element having a linear structure;
도 1b는 원형 구조의 배열 안테나소자를 나타낸 도면,Figure 1b is a view showing the array antenna element of a circular structure,
도 2는 선형 구조를 갖춘 8개의 배열 안테나소자의 빔 패턴,2 is a beam pattern of eight array antenna elements having a linear structure;
도 3은 다수의 지향성 배열 안테나 소자를 이용한 병렬 탐색 스마트 안테나 시스템용 기지국 블록도,3 is a block diagram of a base station for a parallel search smart antenna system using a plurality of directional array antenna elements;
도 4는 병렬 탐색기를 이용한 RAKE 수신기의 블록도,4 is a block diagram of a RAKE receiver using a parallel searcher;
도 5는 수신 신호와 병렬 탐색기의 탐색 결과르 나타낸 도면,5 is a diagram illustrating a search result of a received signal and a parallel searcher;
도 6은 무지향성 배열 안테나소자를 이용한 병렬 탐색 스마트 안테나 시스템용 기지국 블록도,6 is a block diagram of a base station for a parallel search smart antenna system using a non-directional array antenna element;
도 7은 빔포밍부를 상세히 나타낸 도면.7 is a view illustrating in detail a beamforming unit.
A1,A2,---,AM--- 지향성 배열 안테나소자A 1 , A 2 , ---, A M --- directional array antenna element
B1,B2,---,BM--- 무지향성 배열 안테나소자B 1 , B 2 , ---, B M --- Omnidirectional array antenna element
11,12,---,1M--- 저잡음 증폭기1 1 , 1 2 , ---, 1 M --- low noise amplifier
21,22,---,2M--- 다운콘버터2 1 , 2 2 , ---, 2 M --- downconverter
31,32,---,3M---A/D변환기3 1 , 3 2 , ---, 3 M --- A / D converter
41,42,---,4N--- RAKE 수신기4 1 , 4 2 , ---, 4 N --- RAKE Receiver
51,52,---,5N--- 판단기5 1 , 5 2 , ---, 5 N --- Judgment
61,62,---,6N--- 디인터리버6 1 , 6 2 , ---, 6 N --- deinterleaver
71,72,---,7N--- 비터비 디코더7 1 , 7 2 , ---, 7 N --- Viterbi decoder
11 --- 스위칭 및 결합기11 --- switching and combiner
121,122,---,12K--- 핑거12 1 , 12 2 , ---, 12 K --- Finger
13 --- 최대 비 결합기13 --- Max Non Combiner
14 --- 병렬 탐색기14 --- Parallel Explorer
141,---,14M--- 신호용 탐색기14 1 , ---, 14 M --- Signal searcher
15 --- 제어기15 --- controller
22 --- 빔포밍부22 --- beamforming unit
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 병렬탐색기를 이용한 스마트 안테나 시스템은, 다수의 지향성 배열 안테나소자와; 이 안테나소자로부터 수신한 신호를 증폭하는 다수의 저잡음증폭기; 이 저잡음증폭기에 의해 증폭된 신호를 I채널 및 Q채널 신호의 기저대역신호로 변환시키는 다수의 다운콘버터; 이 다운콘버터에 의해 변환된 신호를 시스템 확산코드의 데이터율 보다 더 높은 데이터율을 갖는 디지털신호로 변환시키는 다수의 A/D변환기; 이 A/D변환기로부터 입력된 신호의 칩지연의 정도에 따라 해당 신호를 스위칭함과 더불어 결합하여 출력하는 스위칭 및 결합기와, 상기 A/D변환기로부터 수신된 디지털신호를 인가받아 원하는 사용자의 확산코드와 같은 확산코드를 갖춘 신호가 어떤 안테나소자 방향에서 크게 수신되는가를 탐색하는 다수의 신호용 탐색기로 이루어진 병렬 탐색기, 이 병렬 탐색기의 탐색결과를 인가받아 그 정보를 기초로 상기 스위칭 및 결합기를 제어하는 제어기, 상기 스위칭 및 결합기로부터의 출력신호를 인가받아 역확산을 수행하는 다수의 핑거 및, 이 핑거로부터의 출력신호에 대해 시간 지연을 고려한 다음 수신된 각 경로 신호 전력의 비로 합산하여 출력하는 최대 비 결합기를 구비하여 이루어진 다수의 RAKE 수신기; 이 RAKE 수신기에서 출력된 신호를 인가받아 그 디지탈값이 1인가 0인가의 여부를 판단하는 다수의 판단기; 이 판단기로부터의 출력신호를 인가받아 디인터리빙하는 디인터리버 및; 이 디인터리버로부터의 출력신호를 인가받아 에러를 수정하는 비터비 디코더를 구비하여 구성되고; 상기 다수의 탐색기를 이용하여 각 안테나소자 방향으로부터 수신된 사용자의 경로 신호 수신전력을 추정하고, 그중 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나방향의 신호를 결합하여 역확산을 수행하도록 된 것을 특징으로 한다.Smart antenna system using a parallel probe according to the present invention for achieving the above object, a plurality of directional array antenna elements; A plurality of low noise amplifiers for amplifying a signal received from the antenna element; A plurality of downconverters for converting the signal amplified by the low noise amplifier into baseband signals of I and Q channel signals; A plurality of A / D converters for converting the signal converted by the downconverter into a digital signal having a data rate higher than that of the system spreading code; A switching and combiner for switching and outputting a corresponding signal according to the degree of chip delay of the signal input from the A / D converter, and a spreading code of a desired user receiving a digital signal received from the A / D converter Parallel searcher consisting of a plurality of signal searchers for searching in which antenna element direction a signal having a spreading code such as a large signal is received, and a controller for controlling the switching and combiner based on the information obtained from the search result of the parallel searcher. And a plurality of fingers for performing despreading upon receiving the output signal from the switching and combiner, and a maximum non-coupler for summing the output signals from the fingers and adding them to the ratio of the received power of each path signal. A plurality of RAKE receiver provided with; A plurality of determiners that receive a signal output from the RAKE receiver and determine whether the digital value is 1 or 0; A deinterleaver for receiving and deinterleaving the output signal from the determiner; A Viterbi decoder that receives an output signal from the deinterleaver and corrects an error; Using the plurality of searchers, the path signal reception power of the user received from each antenna element direction is estimated, and despreading is performed by combining a signal of an antenna direction having a reception power of a threshold or more.
또한 본 발명에 따른 병렬탐색기를 이용한 스마트 안테나 시스템은, 다수의 무지향성 배열 안테나소자와; 이 안테나소자로부터 수신한 신호를 증폭하는 다수의 저잡음증폭기; 이 저잡음증폭기에 의해 증폭된 신호를 I채널 및 Q채널 신호의 기저대역신호로 변환시키는 다수의 다운콘버터; 이 다운콘버터에 의해 변환된 신호를 시스템 확산코드의 데이터율 보다 더 높은 데이터율을 갖는 디지털신호로 변환시키는 다수의 A/D변환기; 이 A/D변환기로부터 입력되는 디지털신호를 수신한 후, 해당 디지탈 데이터에 서로 다른 방향에 상응하는 복소 가중치 벡터를 곱해줌으로써 M개의 출력신호들이 서로 다른 M개의 방향에서 신호를 수신한 것과 같게 하는 지향성을 갖는 M개의 신호로 만드는 빔포밍부; 상기 A/D변환기로부터 입력된 신호의 칩지연의 정도에 따라 해당 신호를 스위칭함과 더불어 결합하여 출력하는 스위칭 및 결합기와, 상기 A/D변환기로부터 수신된 디지털신호를 인가받아 원하는 사용자의 확산코드와 같은 확산코드를 갖춘 신호가 어떤 안테나소자 방향에서 크게 수신되는가를 탐색하는 다수의 신호용 탐색기로 이루어진 병렬 탐색기, 이 병렬 탐색기의 탐색결과를 인가받아 그 정보를 기초로 상기 스위칭 및 결합기를 제어하는 제어기, 상기 스위칭 및 결합기로부터의 출력신호를 인가받아 역확산을 수행하는 다수의 핑거 및, 이 핑거로부터의 출력신호에 대해 시간 지연을 고려한 다음 수신된 각 경로 신호 전력의 비로 합산하여 출력하는 최대 비 결합기를 구비하여 이루어진 다수의 RAKE 수신기; 이 RAKE 수신기에서 출력된 신호를 인가받아 그 디지탈값이 1인가 0인가의 여부를 판단하는 다수의 판단기; 이 판단기로부터의 출력신호를 인가받아 디인터리빙하는 디인터리버 및; 이 디인터리버로부터의 출력신호를 인가받아 에러를 수정하는 비터비 디코더를 구비하여 구성되고; 셀(또는 섹터)을 다수의 방향으로 나눈 후, 각 방향에 대한 복소 가중치 벡터를 각각의 안테나소자에서 수신한 신호에 곱하여 지향성이 있는 다수의 신호를 만든 다음 상기 다수의 탐색기를 이용하여 각 안테나소자 방향으로부터 수신된 사용자의 경로 신호 수신전력을 추정하고, 그중 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나방향의 신호를 결합하여 역확산을 수행하도록 된 것을 특징으로 한다.In addition, a smart antenna system using a parallel probe according to the present invention, a plurality of non-directional array antenna elements; A plurality of low noise amplifiers for amplifying a signal received from the antenna element; A plurality of downconverters for converting the signal amplified by the low noise amplifier into baseband signals of I and Q channel signals; A plurality of A / D converters for converting the signal converted by the downconverter into a digital signal having a data rate higher than that of the system spreading code; After receiving the digital signal input from the A / D converter, the digital data is multiplied by the complex weight vector corresponding to the different directions to direct the M output signals as if they were received in the different M directions. A beamforming unit configured to have M signals; A switching and combiner for switching and outputting a corresponding signal according to the degree of chip delay of the signal input from the A / D converter, and a spreading code of a desired user receiving a digital signal received from the A / D converter Parallel searcher consisting of a plurality of signal searchers for searching in which antenna element direction a signal having a spreading code such as a large signal is received, and a controller for controlling the switching and combiner based on the information obtained from the search result of the parallel searcher. And a plurality of fingers for performing despreading upon receiving the output signal from the switching and combiner, and a maximum non-coupler for summing the output signals from the fingers and adding them to the ratio of the received power of each path signal. A plurality of RAKE receiver provided with; A plurality of determiners that receive a signal output from the RAKE receiver and determine whether the digital value is 1 or 0; A deinterleaver for receiving and deinterleaving the output signal from the determiner; A Viterbi decoder that receives an output signal from the deinterleaver and corrects an error; After dividing a cell (or sector) into a plurality of directions, a complex weight vector for each direction is multiplied by a signal received from each antenna element to produce a plurality of signals having a directivity, and then each antenna element using the plurality of searchers. It is characterized in that the path signal reception power of the user received from the direction is estimated, and despreading is performed by combining a signal in the antenna direction having a reception power of more than a threshold value among them.
(실시예)(Example)
이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 기지국 안테나는 지향성을 갖는 다수의 안테나 소자로 구성되어 있다. 이러한, 안테나 소자(A1,A2,-----,AM)는 도 1a에 도시된 바와 같이 선형 구조로 배열될 수도 있고, 도 1b에 도시된 바와 같이 원형 구조로 배열될 수도 있다.The base station antenna according to the present invention is composed of a plurality of antenna elements having directivity. Such antenna elements A 1 , A 2 , -----, A M may be arranged in a linear structure as shown in FIG. 1A or may be arranged in a circular structure as shown in FIG. 1B. .
일반적으로, 안테나 소자(A1,A2,-----,AM)가 셀 전체를 커버할 때는 원형 구조를 이용하고, 셀을 120°의 3개의 섹터로 나누어 서비스 할 때는 선형 구조를 이용한다. 도 1a,b에 도시된 각 안테나 소자들은 지향성을 갖는다. 예컨대, 8개의 선형 배열 안테나 소자를 이용하여 120°의 각을 갖는 하나의 섹터를 커버할 때, 지향성 안테나 소자들의 빔 패턴은 도 2와 같이 된다. 이때 각 지향성 안테나 소자의 빔 패턴은 이웃하는 안테나 소자의 빔 패턴과 일부가 중복되게 한다.In general, when the antenna elements A 1 , A 2 , -----, A M cover the entire cell, a circular structure is used, and when the cell is divided into three sectors of 120 °, a linear structure is used. I use it. Each antenna element shown in FIGS. 1A and 1B has directivity. For example, when covering one sector having an angle of 120 ° using eight linear array antenna elements, the beam pattern of the directional antenna elements becomes as shown in FIG. At this time, the beam pattern of each directional antenna element overlaps with the beam pattern of the neighboring antenna element.
도 3은 M개의 지향성 안테나 소자들을 선형으로 배치한 기지국 시스템의 블록도로서, 도 3과 같은 다수의 지향성 배열 안테나 소자를 갖는 스마트 안테나 시스템에서, 각 배열 안테나 소자(A1,A2,---,AM)가 수신한 신호는 I채널 및 Q채널 신호의 기저대역 신호로 변환된 후, A/D 변환기(31,32,---,3M)에서 시스템 확산코드의 데이터율 보다 더 높은 데이터율(현재 상용중인 CDMA 시스템에서는 확산코드 데이터율의 4배)을 갖는 디지털 신호로 변환된다. 이와 같이 변환된 I채널 및 Q채널 디지털 신호는 2-D 레이크(RAKE) 수신기(41,42,---,4N; 이하, "RAKE 수신기"로 약칭함)에 입력된다.FIG. 3 is a block diagram of a base station system in which M directional antenna elements are linearly arranged. In the smart antenna system having a plurality of directional array antenna elements as shown in FIG. 3, each array antenna element (A 1 , A 2 ,-) is shown. The signal received by -M is converted to the baseband signal of the I-channel and Q-channel signals, and then the data rate of the system spreading code in the A / D converter (3 1 , 3 2 , ---, 3 M ) It is converted to a digital signal having a higher data rate (four times the spread code data rate in current CDMA systems). The I-channel and Q-channel digital signals converted in this way are input to a 2-D RAKE receiver 4 1 , 4 2 , ---, 4 N (hereinafter abbreviated as "RAKE receiver").
무선 채널 환경에서 한 사용자의 신호는 시간 지연, 위상 및 수신 각도가 서로 다른 여러 개의 다중경로 신호로 수신된다. 따라서, 본 발명에서의 RAKE 수신기(41,42,---,4N)는 이러한 다중경로 신호들의 시간 지연과 수신 각도를 고려하여 역확산을 수행한다.In a wireless channel environment, a user's signal is received as multiple multipath signals with different time delays, phases, and reception angles. Therefore, the RAKE receivers 4 1 , 4 2 , ---, 4 N in the present invention perform despreading in consideration of the time delay and reception angle of these multipath signals.
도 4는 본 발명에 따른 RAKE 수신기를 상세히 나타낸 것으로, 상기 RAKE 수신기는 스위칭 및 결합기(11)와, 병렬 탐색기(14), 제어기(15), 다수의 핑거(121,122,---,12K) 및, 최대 비 결합기 (13; maximal ratio combiner)로 구성되어 있다. 여기서, RAKE 수신기의 병렬 탐색기(14)는 안테나 소자의 수 만큼(예컨대, M개)의 탐색기들로 구성된다. 상기 병렬 탐색기(14)의 각 탐색기(141,---,14M)에는 해당 안테나 소자(A1,A2,---,AM)로부터 수신된 디지털 신호가 입력된다. 예컨대, 제1신호용 탐색기(141)에는 제1안테나(A1)에서 수신된 신호가 입력되고, 제2신호용 탐색기(도시되지 않았음)에는 제2안테나(A2)에서 수신된 신호가 입력되며, 제M신호용 탐색기(14M)에는 제M안테나(AM)에서 수신된 신호가 입력된다.Figure 4 illustrates in detail the RAKE receiver according to the invention, which comprises a switching and combiner 11, a parallel searcher 14, a controller 15 and a plurality of fingers 12 1 , 12 2 , --- , 12 K ), and a maximal ratio combiner (13). Here, the parallel searcher 14 of the RAKE receiver is composed of as many searchers as the number of antenna elements (e.g., M). Each of the searchers 14 1 , ---, 14 M of the parallel searcher 14 receives a digital signal received from the corresponding antenna elements A 1 , A 2 , ---, A M. For example, a signal received from the first antenna A 1 is input to the first signal searcher 14 1 , and a signal received from the second antenna A 2 is input to the second signal searcher (not shown ). and, in the M-signal Explorer (14 M) is the signal received at the M antennas (M a) is input.
안테나 소자(A1,A2,---,AM)로부터 신호를 받은 각 탐색기(141,---,14M)에서는 원하는 사용자의 확산코드와 같은 확산코드를 갖춘 신호가 어떤 안테나 소자 방향에서 크게 수신되는가를 탐색한다.In each searcher (14 1 , ---, 14 M ) receiving a signal from the antenna elements (A 1 , A 2 , ---, A M ), a signal with a spreading code such as the spreading code of the desired user Search for large reception in the direction.
도 5는 병렬 탐색기(14)의 탐색 결과의 예를 나타낸 것으로, 도 5에서의 탐색 결과를 살펴보면, 제2신호용 탐색기에서는 제2안테나 소자의 방향에서 한 칩 지연된 신호가 크게 수신됨을 탐색하였고, 제3신호용 탐색기에서는 제3안테나 방향에서 칩 지연이 없는 신호가 크게 수신됨을 탐색하였으며, 제4신호용 탐색기에서는 제4안테나 방향에서 칩 지연이 없는 신호가 크게 수신되는 것을 탐색하였다. 또한, 제5신호용 탐색기에서는 제5안테나 방향에서 칩 지연이 없는 신호와 두 칩이 지연된 신호가 크게 수신된다는 것을 탐색하였고, 제6신호용 탐색기에서는 제6안테나로 한 칩이 지연된 신호가 크게 수신됨을 탐색하였다. 즉, 칩 지연이 없는 신호는 제3안테나와 제4안테나 및 제5안테나 방향에서 크게 수신되고, 한 칩이 지연된 신호는 제2안테나 방향과 제6안테나 방향으로부터 크게 수신되며, 두 칩이 지연된 신호는 제5안테나 방향에서 크게 수신됨을 알 수 있다. 이때, 병렬 탐색기(14)의 탐색 결과는 제어기(15)로 보내지고, 제어기(15)는 이 정보를 이용하여 스위칭 및 결합기(11)를 다음과 같이 제어한다.FIG. 5 illustrates an example of a search result of the parallel searcher 14. Referring to the search result of FIG. 5, the search for the second signal searches that the signal delayed by one chip in the direction of the second antenna element is greatly received. In the three-signal searcher, it was found that the signal without the chip delay was largely received in the third antenna direction, and in the fourth signal searcher, the signal without the chip delay was greatly received in the fourth antenna direction. Further, the fifth signal searcher detects that a signal without a chip delay and a signal delayed by two chips are largely received in the fifth antenna direction, and the six delay signal searcher receives a large signal with a chip delayed by the sixth antenna. It was. That is, the signal without the chip delay is largely received in the third antenna, the fourth antenna, and the fifth antenna direction, the signal delayed by one chip is largely received from the second antenna direction and the sixth antenna direction, and the two chips are delayed signals. It can be seen that is largely received in the fifth antenna direction. At this time, the search result of the parallel searcher 14 is sent to the controller 15, and the controller 15 uses this information to control the switching and combiner 11 as follows.
즉, 제3안테나와 제4안테나 및 제5안테나에서 수신한 신호를 결합하여 제1핑거(121)로 보내고, 제2안테나와 제6안테나에서 수신한 신호를 결합하여 제2핑거(122)로 보내며, 제5안테나에서 수신한 신호는 제3핑거(도시되지 않았음)로 보낸다. 이때, 제1핑거(121)에 입력된 신호는 칩 지연이 없는 신호이고, 제2핑거(122)에 입력된 신호는 한 칩이 지연된 신호이며, 제3핑거에 입력된 신호는 두 칩이 지연된 신호이다. 따라서, 제1핑거(121)는 칩지연이 없는 신호를 수신하여 이 신호에 대한 역확산을 수행하여 출력하고, 제2핑거(122)는 한 칩이 지연된 신호에 대한 역확산을 수행하여 출력하며, 제3핑거는 두 칩이 지연된 신호에 대한 역확산을 수행하여 출력한다. 각 핑거(121,122,---,12K)에서 출력된 신호들은 최대 비 결합기(13)에서 시간 지연이 고려된 후, 수신된 각 경로 신호 전력의 비로 합산되어 출력된다. RAKE 수신기(41,42,---,4N)에서 출력된 신호는 현재의 CDMA 기지국 시스템과 같은 방식으로 처리된다. 즉, RAKE 수신기(41,42,---,4N)의 출력 신호는 판단기(51,52,---,5N)에서 그 디지탈값이 1인지 또는 0인지가 판단되고, 디인터리버(61,62,---,6N)에서 디인터리빙된 후, 비터비 디코더(71,72,---,7N)에서 에러가 수정된다.That is, the signals received from the third antenna, the fourth antenna, and the fifth antenna are combined and sent to the first finger 12 1 , and the signals received from the second antenna and the sixth antenna are combined to the second finger 12 2. ), And the signal received from the fifth antenna is sent to the third finger (not shown). In this case, the signal input to the first finger 12 1 is a signal without a chip delay, the signal input to the second finger 12 2 is a signal delayed by one chip, and the signal input to the third finger is two chips. This is a delayed signal. Accordingly, the first finger 12 1 receives a signal without chip delay, despreads the signal, and outputs the second finger 12 2. The second finger 12 2 despreads a signal delayed by one chip. The third finger outputs the second chip by despreading the delayed signal. The signals output from each finger 12 1 , 12 2 , ---, 12 K are summed and outputted by the ratio of each path signal power received after the time delay is considered in the maximum non-coupler 13. The signal output from the RAKE receiver 4 1 , 4 2 , ---, 4 N is processed in the same manner as the current CDMA base station system. That is, the output signal of the RAKE receiver 4 1 , 4 2 , ---, 4 N is determined by the determiner 5 1 , 5 2 , ---, 5 N whether the digital value is 1 or 0. After deinterleaving at the deinterleaver 6 1 , 6 2 , ---, 6 N , the error is corrected at the Viterbi decoder 7 1 , 7 2 , ---, 7 N.
상기 시스템은 무지향성의 배열 안테나 소자를 갖는 시스템으로도 설계가 가능한데, 이에 따른 기지국 시스템 블록도를 도 6에 나타낸다. 도 6에 있어서 도 3과 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.The system can also be designed as a system having a non-directional array antenna element, the base station system block diagram according to this is shown in FIG. In FIG. 6, the same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
도 6의 기지국 시스템에서 기지국은 무지향성 배열 안테나 소자(B1,B2,---,BM)를 이용하여 신호를 수신한 후, 이 신호를 빔포밍부(22)에서 지향성을 갖는 M개의 신호로 만든다. 도 7은 도 6에 도시된 빔포밍부(22)를 상세히 나타낸 것으로, 도 7에 도시된 바와 같이 빔포밍부(22)에서는 각 안테나 소자(B1,B2,---,BM)에서 수신한 디지털 데이터에 서로 다른 방향에 상응하는 복소 가중치 벡터를 곱해줌으로써, M개의 출력 신호들이 서로 다른 M개의 방향에서 신호를 수신한 것과 같게 한다. 즉, M개의 출력 신호들은 M개의 지향성 안테나에서 수신한 디지털 신호와 같아진다. 도 7의 빔포밍부(22)에서의 입력 신호와 출력 신호의 관계는 다음과 같다.In the base station system of FIG. 6, the base station receives a signal by using the omni-directional array antenna elements B 1 , B 2 , ---, B M , and then transmits the signal to the M having directivity in the beamforming unit 22. Is made of signals. FIG. 7 illustrates the beamforming unit 22 shown in FIG. 6 in detail. In the beamforming unit 22, as shown in FIG. 7, each antenna element B 1 , B 2 , ---, B M is illustrated. By multiplying the digital data received by the complex weight vector corresponding to the different directions, M output signals are equivalent to receiving signals in different M directions. That is, the M output signals are equal to the digital signals received at the M directional antennas. The relationship between the input signal and the output signal in the beamforming unit 22 of FIG. 7 is as follows.
식 (1)에서
사용자에게 신호를 송신(순방향 채널) 할 때도 수신시와 마찬가지로 다수의 지향성 안테나를 사용한다. 도 4의 RAKE 수신기에서 병렬 탐색기(14)의 탐색 결과가 제어기(15)로 전송되면, 상기 제어기(15)는 이 정보를 이용하여 해당 신호를 송신할 안테나를 결정한다. 송신은 신호가 수신된 모든 방향으로 이루어지며, 이때 각 경로 신호의 시간 지연이 보상된다. 즉, 도 5와 같이 신호가 수신되었다면, 제어기(15)는 송신될 신호를 제5안테나 방향으로 송신하고, 또한 같은 신호를 한 칩 지연시켜 제2안테나와 제6안테나 방향으로 송신하며, 두 칩 지연시켜 제3안테나와 제4안테나 및 제5안테나 방향으로 송신한다. 따라서, 이들 신호들을 사용자가 수신할 때는 각 방향 신호의 시간 지연이 서로 비슷해져서 거의 동시에 수신할 수 있게 된다.When transmitting a signal to a user (forward channel), as in the case of reception, a plurality of directional antennas are used. When the search result of the parallel searcher 14 is transmitted to the controller 15 in the RAKE receiver of FIG. 4, the controller 15 uses this information to determine an antenna to transmit a corresponding signal. Transmission is in all directions in which the signal is received, with the time delay of each path signal being compensated for. That is, when a signal is received as shown in FIG. 5, the controller 15 transmits the signal to be transmitted in the direction of the fifth antenna, and also transmits the same signal in the direction of the second antenna and the sixth antenna by one chip delay, and the two chips. Transmission is delayed in the direction of the third antenna, the fourth antenna, and the fifth antenna. Therefore, when the user receives these signals, the time delays of the respective direction signals are similar to each other, so that they can be received almost simultaneously.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 지향성 안테나를 이용하여 공간 필터링에 의한 계산을 하지 않으면서도 신호를 원하는 사용자의 방향으로 송수신할 수 있게 함으로써, 향후의 IMT-2000등의 시스템에서 셀의 크기를 줄이지 않으면서도 많은 사용자에게 고품질의 멀티미디어 서비스를 제공할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, it is possible to transmit and receive a signal in a direction of a desired user without performing calculation by spatial filtering using a directional antenna, thereby reducing the size of a cell in a future system such as IMT-2000. It is possible to provide a high quality multimedia service to many users without having to.
또한, 수신 신호의 각도 분산이 클 경우에도 (즉, 사용자의 신호가 광범위하게 퍼져서 수신될 때) 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나 방향의 신호를 모두 수신하여 역확산을 수행해 줌으로써, 시스템의 성능을 향상시키고 보다 안정적으로 신호를 수신할 수 있게 된다.In addition, even when the angular dispersion of the received signal is large (that is, when the user's signal is widely spread and received), all the signals of the antenna direction having the received power over the threshold are received and despreading is performed, thereby improving the performance of the system. And more stable signal reception.
따라서, 시스템의 가격과 복잡도를 크게 증가시키지 않으면서도 고품질의 멀티미디어 서비스를 제공할 수 있는 기지국 시스템을 구현할 수 있게 된다.Therefore, it is possible to implement a base station system capable of providing a high quality multimedia service without significantly increasing the cost and complexity of the system.
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