KR100350386B1

KR100350386B1 - 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치및 그 방법

Info

Publication number: KR100350386B1
Application number: KR1020000071215A
Authority: KR
Inventors: 오정호; 임상훈
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2002-08-28
Also published as: KR20020041558A

Abstract

본 발명은 스마트 안테나(smart antenna)를 적용한 이동통신 시스템(특히 IMT-2000 시스템, IS-2000 시스템)에서 수신 신호의 입사각을 추정하여 송신 가중치를 결정함으로써, 최적의 빔을 형성토록 한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은 수신 신호의 입사각 추정을 위한 입사각 추정기를 구비하고, 각 배열 안테나 엘리먼트에서 역방향 신호를 수신하여 수신 신호 벡터를 구성하고, 수신 신호 벡터로 스펙트랄(Spectral) 행렬을 구성한 후 수신 신호의 입사각을 추정하며, 그 추정한 입사각을 미리 정해진 가중치 산출식에 대입하여 송신 위상 가중치 벡터를 산출하며, 산출한 송신 위상 가중치 벡터를 송신 신호와 곱하여 원하는 이동국의 방향으로 빔을 형성시킨다.

Description

이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치 및 그 방법{Apparatus and Method for forming beam using direction of arrival estimation in a mobile communication system}

본 발명은 이동통신 시스템에서 입사각(Direction of Arrival) 추정을 이용한 빔 형성(beam forming)에 관한 것으로, 특히 스마트 안테나(smart antenna)를 적용한 이동통신 시스템(특히 IMT-2000 시스템, IS-2000 시스템)에서 수신 신호의 입사각을 추정하여 송신 가중치를 결정함으로써, 최적의 빔을 형성토록 한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 CDMA 방식 통신 시스템에서는 기지국 용량 증가를 위해서 섹터(알파 섹터, 베타 섹터, 감마 섹터) 안테나를 사용하고 있다. 그러나 이러한 섹터 안테나의 사용으로도 급격히 증가하는 이동국을 충분히 커버할 수 없었다.

따라서 현재 연구, 개발중인 차세대 이동통신 시스템에서는 보다 많은 용량의 이동국 접속 요구를 만족시켜주기 위해서 스마트 안테나를 적용하였다.

여기서 스마트 안테나는 배열 안테나로 구성되며, 적응 디지털 필터의 일종인 빔 형성 알고리즘으로 운용된다. 즉, 스마트 안테나 시스템은 원하는 이동국의 방향으로 가장 큰 이득을 갖는 빔(main Lobe : 주빔)을 형성하고, 다른 이동국의 방향으로는 상대적으로 적은 이득의 빔을 형성하여 간섭의 영향을 줄이는 방법이다.

CDMA 방식에서는 간섭의 영향이 시스템의 용량을 결정하는 주요 파라메터로 작용하므로, 스마트 안테나를 이용하여 간섭을 줄임으로서 시스템의 용량을 증가시킬 수 있다.

기지국 방향) 신호를 이용한 방식으로 역방향에 대한 용량 증가만을 고려하고 있다.

이동국 방향)에 대한 용량 증가가 요구된다.

이동국 방향)에 대한 시스템 용량 증가가 가능하도록 새로운 빔 형성장치 및 방법을 제안한다.

본 발명의 목적은 스마트 안테나(smart antenna)를 적용한 이동통신 시스템(특히 IMT-2000 시스템)에서 수신 신호의 입사각을 추정하여 송신 가중치를 결정함으로써, 최적의 빔을 형성토록 한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치는,

각 배열 안테나 엘리먼트를 통해 역방향 수신 신호 벡터를 획득하고, 상기 획득한 역방향 수신 신호 벡터로 입사각을 추정한 후 그 추정된 입사각으로 송신 위상 가중치를 산출하는 입사각 추정기와;

상기 입사각 추정기에서 출력된 각각의 송신 위상 가중치와 분배기를 통해분배된 송신 신호를 각 배열 안테나 별로 승산하여 빔을 형성한 후 상기 각 배열 안테나로 전달해주는 복수개의 승산기로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성방법은,

배열 안테나인 스마트 안테나를 적용한 이동통신 시스템의 빔 형성방법에 있어서,

상기 배열 안테나 엘리먼트에서 역방향 신호를 수신하여 수신 신호 벡터를 구성하는 단계와;

상기 수신 신호 벡터로 스펙트랄(Spectral) 행렬을 구성한 후 수신 신호의 입사각을 추정하는 단계와;

상기 추정한 입사각을 미리 정해진 가중치 산출식에 대입하여 송신 위상 가중치 벡터를 산출하는 단계와;

상기 산출한 송신 위상 가중치 벡터를 송신 신호와 곱하여 원하는 이동국의 방향으로 빔을 형성시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에서 IMT-2000용 순방향 스마트 안테나 시스템의 개념을 설명하기 위한 개념도이고,

도 2는 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성장치를 보인 구성도이고,

도 3은 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성방법을 보인 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 ~ 100+N ..... 배열 안테나

200 ..... 입사각 추정기

300 ..... 분배기

401 ~ 400+N ..... 승산기

이하 상기와 같은 기술적 사상에 따른 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에서 IMT-2000용 순방향 스마트 안테나 시스템의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.

기지국에서 이동국으로 전송하는 순방향의 성능을 향상시키고자 어레이 안테나를 사용하여 원하는 이동국의 방향으로 큰 전력의 빔을 형성하고 다른 방향으로는 약한 전력으로 전송하는 신호처리 기법이다.

순방향으로 빔을 형성하기 위해서는 순방향 배열 신호에 대한 위상 가중치의 계산이 필요하다. 위상 가중치를 계산하기 위해서 본 발명은 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)과 같은 부공간(sub-space) 기법을 이용한 입사각(DOA : Direction Of Arrival) 추정 방법을 제안한다.

여기서 수신 신호를 MUSIC과 같은 방법을 이용하여 처리하면 이동국의 방향을 계산할 수 있다.

<실시예1>

첨부한 도면 도 2는 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성장치를 보인 구성도이다.

여기서, 참조부호 101 ~ 100+N은 배열 안테나, 200은 입사각 추정기, 300은 분배기, 401 ~ 400+N(2이상의 정수)은 승산기를 각각 나타낸다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치는, 먼저 입사각 추정기(200)에서 상기 각 배열 안테나(101 ~ 100+N)의 엘리먼트를 통해 역방향 수신 신호 벡터를 획득하고, 상기 획득한 역방향 수신 신호 벡터로 입사각을 추정한 후 그 추정된 입사각으로 송신 위상 가중치(w(0), w(1), ...., w(N-1))를 산출한다.

다음으로 상기 각 배열 안테나와 일 대 일로 대응하는 복수개의 승산기(401~ 400+N)는 상기 입사각 추정기(200)에서 출력된 각각의 송신 위상 가중치(w(0), w(1), ...., w(N-1))와 분배기(400)를 통해 분배된 송신 신호를 각 배열 안테나 별로 승산하여 빔을 형성한 후 상기 각 배열 안테나(101 ~ 100+N)로 전달해주어, 순방향 빔을 형성하게 된다.

<실시예2>

첨부한 도면 도 3은 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성방법을 보인 흐름도이다.

이에 도시된 바와 같이, 배열 안테나 엘리먼트에서 역방향 신호를 수신하여 수신 신호 벡터를 구성하는 단계(S100)와; 상기 수신 신호 벡터로 스펙트랄(Spectral) 행렬을 구성한 후 수신 신호의 입사각을 추정하는 단계(S200 ~ S300)와; 상기 추정한 입사각을 미리 정해진 가중치 산출식에 대입하여 송신 위상 가중치 벡터를 산출하는 단계(S400)와; 상기 산출한 송신 위상 가중치 벡터를 송신 신호와 곱하여 원하는 이동국의 방향으로 빔을 형성시키는 단계(S500)로 이루어진다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성방법은, 먼저 단계 S100에서 입사각 추정기(200)는 각 안테나 엘리먼트를 통해 역방향 수신 신호 벡터()를 구성한다.

그런 후 단계 S200에서 스펙트랄(Spectral) 행렬을 구성하고, 단계 S300에서 수신 신호 입사각(DOA)을 추정한다.

다음으로 단계 S400에서 상기 추정한 입사각을 위상 가중치를 산출하는 하기와 같은 [수학식1]에 대입하여 송신 위상 가중치를 산출한다.

여기서 송신 위상 가중치, 즉 순방향 가중치를 구하기 위해서 주지한 MUSIC과 같은 부공간 신호처리 기법을 이용한다.

상기 MUSIC 신호 처리 기법은 수신 신호의 입사각(DOA)을 계산하는 방법이다. 그 후 수신 신호의 입사각을 산출하면 순방향 위상 가중치 벡터를 아래와 같은 [수학식1]로 산출한다.

/w = [1e^jπsinθe^j2πsinθ... e^{j(N-1)πsinθ}]

상기에서 θ는 수신 신호의 입사각이며, N은 배열 안테나의 엘리먼트 수이다.

한편 상기와 같은 [수학식1]에 의거 송신 위상 가중치를 산출하면, 단계 S500에서 분배기(300)에 의해 분배된 송신 신호와 상기 산출한 송신 위상 가중치를 각각의 승산기(401 ~400+N)에서 각각 승산하여 해당 배열 안테나로 출력하게 된다.

즉, 역방향 스마트 안테나의 배열 안테나 엘리먼트를 그대로 사용하여 순방향 스마트 안테나 시스템을 구현하게 된다.

이상에서 상술한 본 발명 "이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성 장치 및 그 방법"에 따르면, 역방향 수신 신호를 이용하여 입사각(DOA)을 추정하고, 그 추정된 입사각으로 송신 위상 가중치를 생성한 후 원하는 이동국의 방향으로 송신 신호를 전송함으로써, 기존 역방향 스마트 안테나 시스템을 그대로 사용하면서 최적의 빔을 형성할 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기와 같은 이점으로 향후 데이터 통신에서 요구되는 채널 용량 증가에 대처할 수 있는 이점도 있다.

Claims

배열 안테나 시스템이 구현된 기지국을 구비한 이동통신 시스템에 있어서,

상기 각 배열 안테나 엘리먼트를 통해 역방향 수신 신호 벡터를 획득하고, 상기 획득한 역방향 수신 신호 벡터로 입사각을 추정한 후 그 추정된 입사각으로 송신 위상 가중치를 산출하는 입사각 추정기와;

상기 입사각 추정기에서 출력된 각각의 송신 위상 가중치와 분배기를 통해 분배된 송신 신호를 각 배열 안테나 별로 승산하여 빔을 형성한 후 상기 각 배열 안테나로 전달해주는 복수개의 승산기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성장치.
배열 안테나인 스마트 안테나를 적용한 이동통신 시스템의 빔 형성방법에 있어서,

상기 배열 안테나 엘리먼트에서 역방향 신호를 수신하여 수신 신호 벡터를 구성하는 단계와;

상기 수신 신호 벡터로 스펙트랄(Spectral) 행렬을 구성한 후 수신 신호의 입사각을 추정하는 단계와;

상기 추정한 입사각을 미리 정해진 가중치 산출식에 대입하여 송신 위상 가중치 벡터를 산출하는 단계와;

상기 산출한 송신 위상 가중치 벡터를 송신 신호와 곱하여 원하는 이동국의 방향으로 빔을 형성시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성방법.
제2항에 있어서, 상기 미리 정해진 가중치 산출식(/w)은,

/w = [1e^jπsinθe^j2πsinθ... e^{j(N-1)πsinθ}]인 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 입사각 추정을 이용한 빔 형성방법.

상기에서 θ는 수신 신호의 입사각이며, N은 배열 안테나의 엘리먼트 수이다.