KR100960470B1 - 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성장치 및 그 방법 - Google Patents

스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트 안테나 시스템에서 각 경로마다 다수의 입사각을 갖는 경우 해당되는 입사각 스캔을 통해 빔 신호를 형성하여 최종 신호를 획득함으로써 실질적인 경로 다이버시티를 활용할 수 있도록 한 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 스마트 안테나 시스템의 각 배열 안테나를 통해 서로 다른 입사각을 갖고 수신되는 다중 경로의 신호에 대해 다중 입사각 스캔을 통해 빔 신호를 형성함으로써, 실질적인 경로 다이버시티를 활용할 수 있게 됨과 동시에 최종적으로 획득되는 신호의 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있게 되고, 또한 각 경로마다 스마트 안테나 가중치를 계산하는 과정이 필요치 않아 시스템 부하를 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 스마트 안테나 시스템에서 각 배열 안테나를 통해 수신되는 신호에 대해 입사각 스캔을 수행하기 이전에 레이크 결합을 수행함으로써, 서로 다른 경로상의 동일 방향 입사각에 대해 하나의 빔 신호로 지향할 수 있어 스캔 횟수를 줄일 수 있는 등 보다 효율적인 다중 입사각 스캔이 가능해 진다.

Description

스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치 및 그 방법{Apparatus And Method For Multi-Angle of arrival Scan And Beam Forming In Smart Antenna System}
도 1은 종래의 스마트 안테나와 레이크 수신기의 결합 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치를 도시한 도면.
도 3은 도 2에 의한 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 동작을 도시한 순서도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치를 도시한 도면.
도 5는 도 4에 의한 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 동작을 도시한 순서도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치를 도시한 도면.
도 7은 도 6에 의한 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 동작을 도시한 순서도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
21-1~21-n, 41-1~41-n, 61-1~61-n : 탐색기 22-1~21-L : 핑거
23-1~23-3, 43-1~43-3 : 입사각 스캐너 24, 44, 65 : 가산기
25, 42-1~42-n, 62-1~62-n : 레이크 결합기 63-1~63-n : 곱셈기
64 : 입사각 스캔 & 가중치 산출부
본 발명은 스마트 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 각 경로마다 다수의 입사각을 갖는 경우 해당되는 입사각 스캔을 통해 빔 신호를 형성하여 최종 신호를 획득함으로써 실질적인 경로 다이버시티를 활용할 수 있도록 한 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 코드분할다중접속(Code Division Multiple Access ; CDMA) 방식의 이동통신 시스템에서 이동 단말기와 무선 통신을 수행하는 기지국은 해당되는 단말기의 신호를 수신하기 위해 섹터별로 하나의 안테나를 사용하거나, 안테나 다중성을 이용하기 위해 2개의 안테나를 사용하였으며, 최근에는 안테나 배열을 사용하여 단말기의 방향으로 빔(Beam) 신호를 형성함으로써 다른 방향의 간섭 신호를 제거하는 스마트 안테나 시스템(Smart Antenna System)을 사용하고 있다.
여기서, 스마트 안테나 시스템의 빔 형성(Beam Forming) 방법으로는 확산 칩 단위에서 빔 신호를 형성하는 방법과 변조 심볼 단위에서 빔 신호를 형성하는 방법 등이 있으며, 이를 위해 사용되는 빔 형성기는 빔포밍 계수를 결정하는 방법에 따 라 고정된 몇 개의 빔을 사용하여 수신 경로와 가장 가까운 빔을 적용하는 스위치드 빔 형성기(Switched Beam Former)와, 각 경로의 방향에 따라 적응해 가는 적응형 빔 형성기(Adaptive Beam Former)의 두 가지 방식으로 구분된다.
그리고, 전술한 스마트 안테나 시스템은 첨부된 도면 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 다중 경로마다 하나의 빔 신호를 형성한 후에 레이크 수신기에서 결합하는 구조를 갖고 있다.
즉, 각 배열 안테나(Array Antenna)를 통해 다중경로의 신호가 수신되면, 대응하는 탐색기(Searcher)(11-1~11-n)는 각 경로에 대해 하나의 핑거(Finger)(12-1~12-L)를 배치시켜 배열 안테나를 통해 수신되는 다중경로 수신 신호의 코드 위상(Code Phase)을 탐색한 후에 탐색된 코드 위상을 각각의 핑거(12-1~12-L)로 전달해 주게 된다.
그러면, 각 핑거(12-1~12-L)에서는 가입자 신호 생성에 이용된 확산코드(Spreading Code)를 재생해서 역확산 처리를 수행하게 되며, 이때 스마트 안테나 가중치 산출부(14)에서 각 경로별로 스마트 안테나 가중치를 산출하여 출력함으로써, 곱셈기(13-1~13-n)를 이용하여 각 경로의 신호에 스마트 안테나 가중치를 곱하고, 이렇게 스마트 안테나 가중치가 곱해진 각 경로의 신호를 가산기(15)를 이용하여 가산함으로써 해당 경로에 대한 하나의 빔 신호를 형성하여 레이크 결합기(Rake Combiner)(16)로 전달해 주게 된다.
이후, 레이크 결합기(16)는 각 핑거(12-1~12-L)로부터 출력되는 빔 신호 즉, 다중 경로의 빔 신호를 결합하여 최종 신호를 획득하게 된다.
그런데, 전술한 스마트 안테나 시스템은 각각의 다중경로마다 하나의 입사각(Angle Of Arrival)을 갖는다고 가정하고, 각 경로마다 스마트 안테나 가중치를 곱하는 처리를 통해 하나의 빔 신호를 형성한 후에 레이크 수신기에서 결합하는 구조를 갖지만, 실제 시스템에서는 각 다중경로마다 여러 개의 입사각을 갖기 때문에 경로 다이버시티(Path Diversity)를 활용하지 못하게 되고, 또한 스마트 안테나가 각 경로마다 필요하게 되어 하드웨어 구현의 복잡도를 높이는 결과를 초래하고 있다.
즉, 종래의 스마트 안테나 시스템이 갖는 임의의 경로에서 배열 안테나로 동시에 입사하는 신호 즉, 전파가 'a'와 'b'라는 2개의 입사각을 갖는다고 가정하면, 종래의 빔 형성 방법으로는 입사각 'a'와 'b'를 동시에 지향하는 빔 신호를 형성할 수 없으며, 이 경우 빔 형성이 정확한 입사각을 지향하지 않기 때문에 신호 손실이 매우 커지는 문제점이 있었다.
그리고, 도 1에서와 같이 스마트 안테나 가중치 개수가 안테나 배열 수와 다중경로 수의 곱 만큼 필요하고, 이러한 가중치와 수신된 입력신호를 곱하기 위한 복소수 곱셈기가 해당되는 스마트 안테나 가중치 개수 만큼 필요함에 따라 하드웨어 구현이 복잡하며, 또한 각 다중경로마다 스마트 안테나 가중치를 계산하여야 하기 때문에 시스템에 많은 부하를 가중시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, 스 마트 안테나 시스템의 각 배열 안테나를 통해 서로 다른 입사각을 갖고 수신되는 다중 경로의 신호에 대해 다중 입사각 스캔을 통해 빔 신호를 형성하여 최종 신호를 획득하게 함으로써, 실질적인 경로 다이버시티 활용이 가능하도록 함과 동시에 최종 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키고, 또한 시스템 부하를 줄일 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 스마트 안테나 시스템에서 각 경로별 신호에 대해 입사각 스캔을 수행하기 이전에 레이크 결합을 수행하여 서로 다른 경로상의 동일 방향 입사각에 대해 하나의 빔 신호로 지향할 수 있도록 함으로써, 시스템의 전체적인 스캔 횟수를 줄이는 등 보다 효율적인 다중 입사각 스캔이 가능하도록 하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 각 배열 안테나를 통해 수신되는 신호의 시간지연을 알아내서 각 경로별로 수신되는 신호를 전달해 주는 다수의 탐색기와; 상기 각 탐색기와 일대일로 연결되어, 대응하는 탐색기로부터 전달되는 수신 신호에 대한 입사각을 각각 스캔하여 해당되는 경로에 대해 하나의 빔 신호를 형성해 주는 다수의 핑거와; 상기 핑거들에 의해 각 경로별로 형성된 빔 신호들을 해당되는 시간지연 만큼 보정한 후에 결합하여 최종 신호를 획득하는 레이크 결합기를 포함하는 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치를 제공하는데 있다.
여기서, 상기 각 핑거는, 각 경로별로 입사각 개수 만큼 구현되어, 대응하는 탐색기로부터 전달되는 수신 신호에 대한 입사각을 스캔하여 찾은 빔포밍 계수를 수신 신호에 적용하여 각 입사각에 대해 빔 신호를 형성하여 출력해 주는 입사각 스캐너와; 각 입사각 스캐너에 의해 형성된 빔 신호들을 가산하여 각 경로별로 빔 신호를 형성하여 레이크 결합기로 전달해 주는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징은, 각 배열 안테나를 통해 수신되는 신호의 시간지연을 알아내서 각 경로별로 수신되는 신호를 전달해 주는 다수의 탐색기와; 상기 각 탐색기와 일대일로 연결되어, 대응하는 탐색기로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호들을 해당되는 시간지연 만큼 보정한 후에 결합하여 각 경로별 수신 신호를 전달해 주는 다수의 레이크 결합기와; 상기 각 경로별 수신 신호가 갖는 입사각 개수 만큼 구현되어, 상기 각각의 레이크 결합기로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호에 대한 입사각을 각각 스캔하여 찾은 빔포밍 계수를 해당되는 수신 신호에 적용하여 각 입사각별 빔 신호를 형성해 주는 입사각 스캐너와; 상기 각 입사각 스캐너에 의해 형성된 입사각별 빔 신호들을 가산하여 최종 신호를 획득하는 가산기를 포함하는 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치를 제공하는데 있다.
상술한 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치에서, 상기 입사각 스캐너는, 버틀러 행렬의 가중치를 사용하여 신호 대 잡음비가 최대값이 나오는 가중치를 선별하여 빔포밍 계수를 찾는 것을 특징으로 하며, 또한 기본 벡터에서 θ값을 기설정된 간격으로 스캔하여 신호 대 잡음비가 최대가 되는 θ값 을 찾아 빔포밍 계수를 찾는 것을 특징으로 한다.(여기서, 기본 벡터는
Figure 112003021428318-pat00001
이며, 이때, 'θ'는 기본 벡터의 파라미터, 'd'는 안테나 간의 간격, 'T'는 행렬의 전치(transpose)를 의미함.)
본 발명의 또 다른 특징은, 각 배열 안테나를 통해 수신되는 신호의 시간지연을 알아내서 각 경로별로 수신되는 신호를 전달해 주는 다수의 탐색기와; 상기 각 탐색기와 일대일로 연결되어, 대응하는 탐색기로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호들을 해당되는 시간지연 만큼 보정한 후에 결합하여 각 경로별 수신 신호를 전달해 주는 다수의 레이크 결합기와; 각 입사각 스캔을 통해 찾은 가중치 벡터들을 미리 합한 후에 이를 상기 각 레이크 결합기로부터 전달되는 수신 신호에 적용하여 각 경로별 빔 신호를 형성해 주는 빔포밍부와; 상기 빔포밍부에 의해 형성된 각 경로별 빔 신호들을 가산하여 최종 신호를 획득하는 가산기를 포함하는 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치를 제공하는데 있다.
이때, 상기 빔포밍부는, 각 다중 경로가 갖는 입사각 스캔을 통해 찾은 가중치 벡터들을 합하여 빔 신호 형성시 적용할 빔포밍 계수를 생성하여 전달해 주는 입사각 스캔 & 가중치 산출부와; 상기 각 레이크 결합기와 일대일로 연결되어, 대응하는 레이크 결합기로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호에 상기 입사각 스캔 & 가중치 산출부로부터 전달되는 빔포밍 계수를 적용하여 각 경로별 빔 신호를 형성하여 전달해 주는 곱셈기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편으로, 본 발명의 또 다른 특징은, 각 배열 안테나를 통해 수신되는 신호 의 시간지연을 알아내서 각 경로별로 수신되는 신호를 전달해 주는 과정과; 상기 각 경로별 수신 신호가 갖는 입사각 스캔을 통해 얻은 빔포밍 계수를 해당되는 수신 신호에 적용하여 빔 신호를 형성한 후에 이를 이용하여 최종 신호를 획득하는 과정을 포함하는 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 방법을 제공하는데 있다.
여기서, 상기 입사각 스캔을 통해 빔 신호를 형성하여 최종 신호를 획득하는 과정은, 각 경로별 수신 신호의 입사각을 찾아 스캔하여 빔포밍 계수를 찾는 단계와; 상기에서 찾은 빔포밍 계수를 각 경로별 수신 신호에 적용하여 각 입사각별 빔 신호를 형성한 후에 이를 가산하여 다중 경로를 구성하는 각 경로별 빔 신호를 형성하는 단계와; 상기 각 경로별 빔 신호들을 해당되는 시간지연 만큼 보정한 후에 결합하여 최종 신호를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 입사각 스캔을 통해 빔 신호를 형성하여 최종 신호를 획득하는 과정은, 각 경로별 수신 신호들을 해당되는 시간지연 만큼 보정하여 결합하는 단계와; 상기에서 결합된 각 경로별 수신 신호들의 입사각을 찾아 스캔하여 빔포밍 계수를 찾는 단계와; 상기 빔포밍 계수를 각 경로별 수신 신호에 적용하여 각 입사각별로 빔 신호를 형성한 후에 이를 가산하여 최종 신호를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 방법은, 상기 입사각 스캔을 통해 빔 신호를 형성하여 최종 신호를 획득하는 과정은, 각 경로별 수신 신호들을 해당되는 시간지연 만큼 보정하여 결합하는 단계와; 각 경로가 갖는 입사각 스캔을 통해 각 입사각에 대응하는 가중치 벡 터들을 찾은 후에 이를 합하여 빔포밍 계수를 생성하는 단계와; 상기에서 결합된 각 경로별 수신 신호에 상기 빔포밍 계수를 곱하여 각 경로별 빔 신호를 형성한 후에 이를 가산하여 최종 신호를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 스마트 안테나 시스템에서는 각 경로를 통해 수신되는 다수의 입사각(Angle of arrival)을 스캔하여 빔 신호를 형성함으로써 경로 다이버시티(Diversity)를 충분히 활용하고, 이를 통해 고품질의 수신 신호를 획득하게 되는데, 이러한 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치 및 그 방법에 대한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치를 도시한 도면으로, 이는 다중 경로를 갖는 스마트 안테나 시스템에서 각 경로별로 수신되는 다수의 입사각을 각각의 입사각 스캐너(23-1~23-3)를 이용하여 스캔하는 구조를 도시하고 있다.
즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 안테나 시스템은 크게 다수의 탐색기(21-1~21-n)와 핑거(22-1~22-L) 및 레이크 결합기(25)를 구비하여 이루어지는데, 각 탐색기(21-1~21-n)는 대응하는 배열 안테나를 통해 수신되는 CDMA 신호의 코드 위상 탐색을 통해 시간지연을 알아내서 각 다중 경로를 구분함으로써 각 경로의 수신 신호를 대응하는 핑거(22-1~22-L)로 전달해 준다.
각 핑거(22-1~22-L)는 탐색기(21-1~21-n)로부터 전달되는 수신 신호에 대한 입사각을 각각 스캔하여 해당되는 경로에 대해 하나의 빔 신호를 형성하여 레이크 결합기(25)로 전달해 주며, 이를 위해 각 경로별로 입사각 개수(입사각 개수가 3개인 경우로 가정함)에 대응하는 만큼의 입사각 스캐너(23-1~23-3) 및 하나의 가산기(24)를 구비하고 있다. 여기서, 각 입사각 스캐너(23-1~23-3)는 탐색기(21-1~21-n)로부터 전달되는 수신 신호에 대한 입사각을 스캔하여 빔 신호 형성을 위한 빔포밍 계수를 찾고, 해당되는 빔포밍 계수를 수신 신호에 적용함으로써 각 입사각에 대해 하나의 빔 신호를 형성하여 출력해 주며, 가산기(24)는 각 입사각 스캐너(23-1~23-3)에 의해 형성된 빔 신호들을 가산함으로써 각 경로별로 하나의 빔 신호를 형성하여 레이크 결합기(25)로 전달해 준다.
레이크 결합기(25)는 각 핑거(12-1~12-L)로부터 출력되는 빔 신호 즉, 각 경로별로 형성된 빔 신호들을 지연된 시간만큼 보정하여 최대 이득 결합이나 동등 이득 결합 방식에 따라 결합함으로써 최종 신호를 획득하는데, 이때 탐색기(21-1~21-n)에서 알아낸 각 경로별 시간지연을 고려하여 먼저 전달된 빔 신호들은 버퍼와 같은 메모리에 임시 저장해 놓았다가 나중에 전달된 빔 신호들과 결합하여 최종 신호를 획득한다.
그리고, 상술한 입사각 스캐너(23-1~23-3)에서 입사각을 찾아서 빔포밍 계수를 찾는 방법은 버틀러 행렬(Butler matrix)을 이용하는 방법과 기본 벡터
Figure 112003021428318-pat00002
(여기서, 'θ'는 기본 벡터의 파라미터, 'd'는 안테나 간의 간격, 'T'는 행렬의 전치(transpose)를 의미함)를 이용하는 방법이 있는데, 여기서 버틀러 행렬을 이용하는 방법은 빔포밍 계수를 찾기 위 해 버틀러 행렬의 가중치를 사용하여 신호 대 잡음비(SNR)가 최대값이 나오는 가중치를 선별하여 빔포밍 계수를 찾는 방법으로, 예를 들어 배열 안테나가 4개이고, 입사각이 2개일 경우에 안테나의 가중치를
Figure 112003021428318-pat00003
의 벡터에서
Figure 112003021428318-pat00004
의 값을 아래의 표 1과 같이 'Set 1' 부터 'Set 4'까지 바꿔가면서 SNR의 최대값 2개를 빔포밍 계수로 찾는다.
θ1 θ2 θ3 θ4
Set 1 - π/4 - π π/4 - π/2
Set 2 0 - π/4 - π/2 - 3π/4
Set 3 - 3π/4 - π/2 - π/4 0
Set 4 - π/2 π/4 - π - π/4
다른 방법으로, 기본 벡터
Figure 112003021428318-pat00005
를 이용하는 방법은 θ값을 기설정된 간격으로 스캔하여 SNR 값이 최대가 되는 θ값을 찾아 빔포밍 계수를 찾는 방법으로, 이는 기본 벡터의 'θ'에 기설정된 값을 대입하면서 SNR이 최대가 되는 2개의 θ값을 찾아 빔포밍 계수를 찾는다.
또한, 상술한 레이크 결합기(25)에서 신호들을 결합하는 방법에 대하여 보다 상세히 설명하면, 최대 이득 결합이란 다중 경로의 신호들을 결합한 후의 신호의 SNR이 최대가 되도록 가중치를 적용하면서 결합하는 방법이고, 동등 이득 결합이란 동일 가중치를 적용하여 결합하는 방법을 의미한다. 예를 들어, 경로 1의 'a' 신호와 경로 2의 'a' 신호를 결합하는 경우 1:1의 비율로 결합하면 동등 이득 결합이고, 경로 1의 'a' 신호에는 0.6을, 경로 2의 'a' 신호에는 0.4의 가중치를 적용하 여 결합하였더니 SNR이 최대가 되는 결합이 되었다면 이것이 최대 이득 결합이다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 동작을 첨부한 도면 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 스마트 안테나 시스템을 구성하는 각 배열 안테나를 통해 다수의 입사각을 갖는 신호가 수신되면(스텝 S31), 각각의 탐색기(21-1~21-n)에서는 대응하는 배열 안테나를 통해 수신된 신호의 시간지연을 알아낸 후, 해당되는 시간지연 정보를 이용하여 각 다중 경로를 구분하고(스텝 S32), 이렇게 구분된 각 경로에 대한 시간지연 정보를 신호 결합시 이용할 수 있도록 레이크 결합기(25)로 알려주게 되며, 또한 각 경로의 수신 신호를 대응하는 핑거(22-1~22-L)로 전달해 주게 된다(스텝 S33).
그러면, 각 핑거(22-1~22-L)에 입사각의 개수 만큼 구비되어 있는 각각의 입사각 스캐너(23-1~23-3)에서는 탐색기(21-1~21-n)로부터 전달되는 수신 신호의 입사각을 찾아 스캔함으로써 빔 신호 형성을 위한 빔포밍 계수를 찾게 되고(스텝 S34), 이렇게 찾은 빔포밍 계수를 수신 신호에 적용함으로써 각 입사각에 대해 하나의 빔 신호를 형성하게 된다(스텝 S35).
이후, 각 핑거(22-1~22-L)에 구비된 가산기(24)에서는 동일 핑거 내에 구비되어 있는 각 입사각 스캐너(23-1~23-3)들에 의해 형성된 빔 신호들을 가산함으로써 다중경로를 구성하는 각 경로별로 하나의 빔 신호를 형성하여 레이크 결합기(25)로 전달해 주게 되며(스텝 S36), 레이크 결합기(25)에서는 각 핑거(22- 1~22-L)로부터 출력되는 각 경로별 빔 신호들을 탐색기(21-1~21-n)에서 알려준 시간지연을 보정하여 최대 이득 결합 또는 동등 이득 결합함으로써 최종 신호를 획득하게 된다(스텝 S37).
이로써, 상술한 본 발명의 일실시예에 따르면, 스마트 안테나 시스템에서 다중 경로를 구성하는 하나의 경로에 다수의 입사각이 존재하는 경우 해당되는 입사각 스캔을 통해 각 경로별로 빔 신호를 형성한 후에 시간상의 지연을 보정하여 결합함으로써 전체적으로는 하나의 경로에 다수의 입사각을 갖는 형태로 변환하여 경로 다이버시티를 활용할 수 있게 된다.
한편으로, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치를 도시한 도면으로, 이는 도 2와는 달리 각 배열 안테나에 대해 하나의 레이크 결합기(42-1~42-n)를 연결하고, 또한 각 레이크 결합기(42-1~42-n)를 각 입사각 스캐너(43-1~43-3)의 전단에 각 탐색기(41-1~41-n)와 일대일로 대응되도록 구현함으로써, 각 레이크 결합기(42-1~42-n)에서는 대응하는 탐색기(41-1~41-n)에서 알아낸 시간지연 정보를 이용하여 다중경로의 수신 신호들을 결합하게 되며, 이렇게 결합된 신호들은 입사각 스캐너(43-1~43-3)들에 의해 각 입사각별 빔 신호로 형성된 후에 가산기(44)에서 가산함으로써 최종 신호를 획득하는 구조를 갖는다.
즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템은 크게 다수의 탐색기(41-1~41-n)와 레이크 결합기(42-1~42-n) 및 입사각 스캐너(입사각 개수가 3개인 경우로 가정함)(43-1~43-3)를 구비하여 이루어지는데, 각 탐색기(41-1~41-n)는 대응하는 배열 안테나를 통해 수신되는 CDMA 신호의 코드 위상 탐색을 통해 시간지연을 알아내서 각 다중 경로를 구분함으로써 각 경로의 수신 신호를 대응하는 레이크 결합기(42-1~42-n)로 전달해 준다.
각 레이크 결합기(42-1~42-n)는 대응하는 탐색기(41-1~41-n)로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호들을 지연된 시간만큼 보정하여 최대 이득 결합이나 동등 이득 결합 방식에 따라 결합하여 각각의 입사각 스캐너(43-1~43-3)로 전달해 주는데, 이때 탐색기(41-1~41-n)에서 알아낸 각 경로별 시간지연을 고려하여 먼저 전달된 수신 신호들은 버퍼와 같은 메모리에 임시 저장해 놓았다가 나중에 전달된 수신 신호들과 결합한다.
각 입사각 스캐너(43-1~43-3)는 각각의 레이크 결합기(42-1~42-n)들에 의해 결합된 각 경로별 수신 신호에 대한 입사각을 각각 스캔하여 찾은 빔포밍 계수를 각 경로별 수신 신호에 적용하여 해당되는 입사각별로 하나의 빔 신호를 형성하여 가산기(44)로 전달해 주며, 이때 가산기(44)는 각각의 입사각 스캐너(43-1~43-3)에 의해 형성된 입사각별 빔 신호들을 가산함으로써 최종 신호를 획득한다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 동작을 첨부한 도면 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 스마트 안테나 시스템을 구성하는 각 배열 안테나를 통해 다수의 입사각을 갖는 신호가 수신되면(스텝 S51), 각각의 탐색기(41-1~41-n)에서는 대응하는 배열 안테나를 통해 수신된 신호의 시간지연을 알아낸 후, 해당되는 시간지연 정보 를 이용하여 각 다중 경로를 구분하고(스텝 S52), 이렇게 구분된 각 경로에 대한 시간지연 정보를 신호 결합시 이용할 수 있도록 각 경로별 수신 신호와 함께 대응하는 레이크 결합기(42-1~42-n)로 전달해 주게 된다(스텝 S53).
그러면, 각 레이크 결합기(42-1~42-n)에서는 대응하는 탐색기(41-1~41-n)로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호들을 해당되는 탐색기(41-1~41-n)에서 알려준 시간지연을 보정하여 최대 이득 결합 또는 동등 이득 결합한 후에 이를 각각의 입사각 스캐너(43-1~43-3)로 전달해 주게 된다(스텝 S54).
이후, 각 입사각 스캐너(43-1~43-3)에서는 레이크 결합기(42-1~42-n)로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호의 입사각을 찾아 스캔함으로써 빔 신호 형성을 위한 빔포밍 계수를 찾게 되고(스텝 S55), 이렇게 찾은 빔포밍 계수를 수신 신호에 적용함으로써 각 입사각별로 하나의 빔 신호를 형성하게 되며(스텝 S56), 이때 가산기(44)에서 각각의 입사각 스캐너(43-1~43-3)에 의해 형성된 각 입사각별 빔 신호들을 가산함으로써 최종 신호를 획득하게 된다(스텝 S57).
예를 들어, i 번째 배열 안테나에서 j 번째 핑거로 수신되는 신호를 'hijs + nij'라고 가정(여기서, 'hij'는 무선 채널의 페이딩, 감쇄 등 신호왜곡을 나타내는 채널 변수이고, 's'는 송신 신호이며, 'nij'는 잡음과 간섭 신호의 합이다)하면, 레이크 결합기에서는 최대 이득 결합 또는 동등 이득 결합 등의 방법을 이용하여 다중 경로로 수신된 신호들을 결합하게 되는데, 이때 동등 이득 결합을 수행하게 되 면 '
Figure 112003021428318-pat00006
'의 신호가 i 번째 레이크 결합기의 결합 신호로 출력되며, 이렇게 각 레이크 결합기에 의해 결합된 신호를 입사각 스캔을 통해 얻은 빔포밍 계수인 스마트 안테나 가중치 벡터를 적용하여 빔 신호를 형성한 후에 이를 모두 가산하여 최종 신호를 획득하게 된다. 즉, A 라는 신호가 있고, 여기에 빔포밍 계수 B1, B2, B3가 있다고 가정하면, 'B1*A + B2*A + B3*A'의 방식으로 빔 신호 형성 및 최종 신호를 획득하게 된다.
또한, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치를 도시한 도면으로, 이는 도 4와는 달리 하나의 입사각 스캔 & 가중치 산출부(64)에서 다수의 입사각 스캔을 통해 찾은 가중치 벡터들을 미리 합하여 각각의 레이크 결합기(62-1~62-n)에 의해 결합된 신호와 곱한 후에 이들을 가산기(65)에서 가산함으로써 최종 신호를 획득하는 구조를 갖는다.
즉, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템은 크게 다수의 탐색기(61-1~61-n)와 레이크 결합기(62-1~62-n) 및 하나의 입사각 스캔 & 가중치 산출부(64)를 구비하여 이루어지는데, 각 탐색기(61-1~61-n)는 대응하는 배열 안테나를 통해 수신되는 CDMA 신호의 코드 위상 탐색을 통해 시간지연을 알아내서 각 다중 경로를 구분함으로써 각 경로의 수신 신호를 대응하는 레이크 결합기(62-1~62-n)로 전달해 준다.
각 레이크 결합기(62-1~62-n)는 대응하는 탐색기(61-1~61-n)로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호들을 지연된 시간만큼 보정하여 최대 이득 결합이나 동등 이득 결합 방식에 따라 결합하여 출력해 주는데, 이때 탐색기(61-1~61-n)에서 알아낸 각 경로별 시간지연을 고려하여 먼저 전달된 수신 신호들은 버퍼와 같은 메모리에 임시 저장해 놓았다가 나중에 전달된 수신 신호들과 결합한다.
입사각 스캔 & 가중치 산출부(64)는 각 경로가 갖는 입사각 스캔을 통해 - 해당되는 입사각 개수 만큼의 - 가중치 벡터들을 찾고, 이렇게 찾은 가중치 벡터들을 미리 합한 후에 이를 곱셈기(63-1~63-n)를 이용하여 각각의 레이크 결합기(62-1~62-n)에서 출력되는 신호와 곱해서 각 경로별 하나의 빔 신호를 형성하여 가산기(65)로 전달해 주며, 이때 가산기(65)는 입사각 스캔 & 가중치 산출부(64) 및 곱셈기(63-1~63-n)에 의해 형성된 각 경로의 빔 신호들을 가산함으로써 최종 신호를 획득한다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 동작을 첨부한 도면 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 스마트 안테나 시스템을 구성하는 각 배열 안테나를 통해 다수의 입사각을 갖는 신호가 수신되면(스텝 S71), 각각의 탐색기(61-1~61-n)에서는 대응하는 배열 안테나를 통해 수신된 신호의 시간지연을 알아낸 후, 해당되는 시간지연 정보를 이용하여 각 다중 경로를 구분하고(스텝 S72), 이렇게 구분된 각 경로에 대한 시간지연 정보를 신호 결합시 이용할 수 있도록 각 경로별 수신 신호와 함께 대응하는 레이크 결합기(62-1~62-n)로 전달해 주게 된다(스텝 S73).
그러면, 각 레이크 결합기(62-1~62-n)에서는 대응하는 탐색기(61-1~61-n)로 부터 전달되는 각 경로별 수신 신호들을 해당되는 탐색기(61-1~61-n)에서 알려준 시간지연을 보정하여 최대 이득 결합 또는 동등 이득 결합한 후에 이를 대응하는 곱셈기(63-1~63-n) 측으로 출력해 주게 된다(스텝 S74).
이때, 입사각 스캔 & 가중치 산출부(64)에서는 각 경로가 갖는 입사각 스캔을 통해 각 입사각에 대응하는 가중치 벡터들을 찾아 미리 합하여 실제 빔 신호 형성시 적용할 하나의 가중치 벡터 즉, 하나의 빔포밍 계수를 생성한 후(스텝 S75), 이렇게 생성된 빔포밍 계수를 각각의 곱셈기(63-1~63-n)로 전달함으로써, 각 레이크 결합기(62-1~62-n)에서 출력되는 신호 즉, 각 경로별로 결합된 수신 신호에 동일 빔포밍 계수를 곱해서 각 경로별로 하나의 빔 신호를 형성하게 되며(스텝 S76), 이때 가산기(65)에서는 입사각 스캔 & 가중치 산출부(64) 및 곱셈기(63-1~63-n)에 의해 형성된 각 경로의 빔 신호들을 가산함으로써 최종 신호를 획득하게 된다(스텝 S77). 예를 들어, A 라는 신호가 있고, 여기에 빔포밍 계수 B1, B2, B3가 있다고 가정하면, '(B1 + B2 + B3)*A'의 방식으로 빔 신호 형성 및 최종 신호를 획득하게 된다.
이로써, 상술한 본 발명의 실시예에 따르면, 스마트 안테나 시스템에서 다중경로를 구성하는 하나의 경로에 다수의 입사각이 존재하는 경우 입사각 스캔 & 가중치 산출부(64)에서 해당되는 입사각 스캔을 통해 입사각 개수 만큼의 가중치 벡터를 찾은 후에 이를 미리 합하여 빔 신호 형성시 사용하게 되며, 이와 같이 빔 신호 형성시 하나의 스마트 안테나 가중치 벡터 즉, 하나의 빔포밍 계수만을 사용함에 따라 하드웨어의 복잡성을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 스마트 안테나 시스템의 각 배열 안테나를 통해 서로 다른 입사각을 갖고 수신되는 다중 경로의 신호에 대해 다중 입사각 스캔을 통해 빔 신호를 형성함으로써, 실질적인 경로 다이버시티를 활용할 수 있게 됨과 동시에 최종적으로 획득되는 신호의 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있게 되고, 또한 각 경로마다 스마트 안테나 가중치를 계산하는 과정이 필요치 않아 시스템 부하를 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 스마트 안테나 시스템에서 각 배열 안테나를 통해 수신되는 신호에 대해 입사각 스캔을 수행하기 이전에 레이크 결합을 수행함으로써, 서로 다른 경로상의 동일 방향 입사각에 대해 하나의 빔 신호로 지향할 수 있어 스캔 횟수를 줄일 수 있는 등 보다 효율적인 다중 입사각 스캔이 가능해 진다.

Claims (11)

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  2. 각 배열 안테나를 통해 수신되는 신호의 시간지연을 알아내서 각 경로별로 수신되는 신호를 전달해 주는 다수의 탐색기와;
    상기 각 탐색기와 일대일로 연결되어, 대응하는 탐색기로부터 전달되는 수신 신호에 대한 입사각을 각각 스캔하여 해당되는 경로에 대해 하나의 빔 신호를 형성해 주는 다수의 핑거와;
    상기 핑거들에 의해 각 경로별로 형성된 빔 신호들을 해당되는 시간지연 만큼 보정한 후에 결합하여 최종 신호를 획득하는 레이크 결합기를 포함하는 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치에 있어서,
    상기 각 핑거는, 각 경로별로 입사각 개수 만큼 구현되어, 대응하는 탐색기로부터 전달되는 수신 신호에 대한 입사각을 스캔하여 찾은 빔포밍 계수를 수신 신호에 적용하여 각 입사각에 대해 빔 신호를 형성하여 출력해 주는 입사각 스캐너와;
    각 입사각 스캐너에 의해 형성된 빔 신호들을 가산하여 각 경로별로 빔 신호를 형성하여 레이크 결합기로 전달해 주는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치.
  3. 각 배열 안테나를 통해 수신되는 신호의 시간지연을 알아내서 각 경로별로 수신되는 신호를 전달해 주는 다수의 탐색기와;
    상기 각 탐색기와 일대일로 연결되어, 대응하는 탐색기로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호들을 해당되는 시간지연 만큼 보정한 후에 결합하여 각 경로별 수신 신호를 전달해 주는 다수의 레이크 결합기와;
    상기 각 경로별 수신 신호가 갖는 입사각 개수 만큼 구현되어, 상기 각각의 레이크 결합기로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호에 대한 입사각을 각각 스캔하여 찾은 빔포밍 계수를 해당되는 수신 신호에 적용하여 각 입사각별 빔 신호를 형성해 주는 입사각 스캐너와;
    상기 각 입사각 스캐너에 의해 형성된 입사각별 빔 신호들을 가산하여 최종 신호를 획득하는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치.
  4. 제 2항 또는 3항에 있어서,
    상기 입사각 스캐너는, 버틀러 행렬의 가중치를 사용하여 신호 대 잡음비가 최대값이 나오는 가중치를 선별하여 빔포밍 계수를 찾는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치.
  5. 제 2항 또는 3항에 있어서,
    상기 입사각 스캐너는, 기본 벡터에서 θ값을 기설정된 간격으로 스캔하여 신호 대 잡음비가 최대가 되는 θ값을 찾아 빔포밍 계수를 찾는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치.
    여기서, 기본 벡터는
    Figure 112003021428318-pat00007
    이며, 이때, 'θ'는 기본 벡터의 파라미터, 'd'는 안테나 간의 간격, 'T'는 행렬의 전치(transpose)를 의미함.
  6. 각 배열 안테나를 통해 수신되는 신호의 시간지연을 알아내서 각 경로별로 수신되는 신호를 전달해 주는 다수의 탐색기와;
    상기 각 탐색기와 일대일로 연결되어, 대응하는 탐색기로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호들을 해당되는 시간지연 만큼 보정한 후에 결합하여 각 경로별 수신 신호를 전달해 주는 다수의 레이크 결합기와;
    각 입사각 스캔을 통해 찾은 가중치 벡터들을 미리 합한 후에 이를 상기 각 레이크 결합기로부터 전달되는 수신 신호에 적용하여 각 경로별 빔 신호를 형성해 주는 빔포밍부와;
    상기 빔포밍부에 의해 형성된 각 경로별 빔 신호들을 가산하여 최종 신호를 획득하는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 빔포밍부는, 각 다중 경로가 갖는 입사각 스캔을 통해 찾은 가중치 벡터들을 합하여 빔 신호 형성시 적용할 빔포밍 계수를 생성하여 전달해 주는 입사각 스캔 & 가중치 산출부와;
    상기 각 레이크 결합기와 일대일로 연결되어, 대응하는 레이크 결합기로부터 전달되는 각 경로별 수신 신호에 상기 입사각 스캔 & 가중치 산출부로부터 전달되는 빔포밍 계수를 적용하여 각 경로별 빔 신호를 형성하여 전달해 주는 곱셈기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템에서의 다중 입사각 스캔 및 빔 형성 장치.
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