KR102281781B1 - Apparatus and method for estimating angle of arrival of antenna signal - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 고주파 대역 기반 무선통신에서의 도래각 추정에 있어서, 안테나 소자별 위상 차이를 이용하여 평면파를 가정한 상태에서의 안테나 신호의 도래각을 추정하고, 추정된 도래각과 안테나 소자간 이격 거리를 이용하여 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내는 쌍곡선 방정식을 산출한 후, 쌍곡선 방정식과 기지국 또는 단말까지의 거리 정보를 조합하여 구면파를 가정한 상태에서의 안테나 신호의 도래각을 보다 정확히 추정함으로써 기지국과 단말간 최적의 무선 링크를 생성할 수 있도록 한다.According to the present invention, in the estimation of the angle of arrival in high-frequency band-based wireless communication, the angle of arrival of an antenna signal is estimated using a phase difference for each antenna element in a state where a plane wave is assumed, and the estimated angle of arrival and the distance between the antenna elements are estimated. After calculating the hyperbolic equation representing the locus of the same phase difference for each antenna element using the distance, the angle of arrival of the antenna signal under the assumption of a spherical wave is more accurately estimated by combining the hyperbolic equation and distance information to the base station or terminal By doing so, it is possible to create an optimal radio link between the base station and the terminal.

Description

안테나 신호 도래각 추정장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING ANGLE OF ARRIVAL OF ANTENNA SIGNAL}Apparatus and method for estimating the angle of arrival of an antenna signal {APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING ANGLE OF ARRIVAL OF ANTENNA SIGNAL}

본 발명은 이동통신 시스템에 관한 것으로, 특히 고주파 대역 기반 무선통신에서의 도래각 추정에 있어서, 안테나 소자별 수신신호의 위상 차이를 이용하여 평면파를 가정한 상태에서의 안테나 신호의 도래각을 추정하고, 추정된 도래각과 안테나 소자간 이격 거리를 이용하여 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내는 쌍곡선 방정식을 산출한 후, 쌍곡선 방정식과 기지국 또는 단말까지의 거리 정보를 조합하여 구면파를 가정한 상태에서의 안테나 신호의 도래각을 보다 정확히 추정함으로써 기지국과 단말간 최적의 무선 링크를 생성할 수 있도록 하는 안테나 신호 도래각 추정장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a mobile communication system, and in particular, in estimating the angle of arrival in high-frequency band-based wireless communication, estimating the angle of arrival of an antenna signal in a state that a plane wave is assumed by using the phase difference of a received signal for each antenna element, , calculate a hyperbolic equation representing the locus of the same phase difference for each antenna element using the estimated angle of arrival and the separation distance between the antenna elements, and then combine the hyperbolic equation with the distance information to the base station or the terminal in a state assuming a spherical wave. The present invention relates to an apparatus and method for estimating the angle of arrival of an antenna signal to generate an optimal radio link between a base station and a terminal by more accurately estimating the angle of arrival of an antenna signal.

현재 이동통신에서 주로 사용하고 있는 6GHz 이하의 저주파 대역의 경우, 이동통신, 방송, 위성통신 등 기존 시스템에 의해 포화되었거나 파편화(Fragmentation)되어 있어 대용량 데이터 전송 등을 위한 초광대역폭 주파수 확보가 어렵다. In the case of the low frequency band below 6 GHz, which is mainly used in mobile communication, it is difficult to secure an ultra-wide bandwidth frequency for large data transmission because it is saturated or fragmented by existing systems such as mobile communication, broadcasting, and satellite communication.

이에 따라 6GHz 이상의 센티미터파(cmwave : 파장이 센티미터 단위의 전자기파로 보통 3~30GHz 대역) 또는 밀리미터파(mmwave : 파장이 밀리미터 단위의 전자기파로 보통 30~300GHz 대역) 등의 고주파 대역이 5G 주요 스펙트럼으로 부각되고 있다. Accordingly, high-frequency bands such as centimeter waves of 6 GHz or higher (cmwave: electromagnetic waves with a wavelength of centimeter units, usually in the 3 to 30 GHz band) or millimeter waves (mmwave: electromagnetic waves with a wavelength of millimeters and usually in the 30 to 300 GHz band) are the main spectrum of 5G. is being highlighted.

이러한 고주파 대역은 중심 주파수가 높아질수록 운용 대역폭을 넓힐 수 있어 RF 시스템에서의 광대역 구현이 용이하며, 안테나의 고밀도화가 가능하다. 즉, 고주파 대역에서는 동일한 안테나의 물리적 크기를 가정한 경우, 주파수가 높아짐에 따라 안테나를 구성하는 복사소자(Radiator) 간 간격이 줄어들어 보다 많은 수의 복사소자를 집적시킬 수 있다. 이때, 이러한 다수의 복사소자는 RF 신호의 크기(Amplitude)와 위상(Phase)을 제어하여 다양한 형태의 안테나 빔을 생성하는 3D Beamforming 및 다중 전송을 가능하게 하는 Massive MIMO 기술의 H/W 기반이 된다. In this high-frequency band, as the center frequency increases, the operating bandwidth can be widened, so that it is easy to implement a wide band in the RF system, and high-density of the antenna is possible. That is, when the same physical size of the antenna is assumed in the high frequency band, as the frequency increases, the spacing between the radiation elements constituting the antenna is reduced, so that a greater number of radiation elements can be integrated. At this time, these multiple radiation devices are the H/W base of Massive MIMO technology that enables 3D Beamforming and multiplex transmission to generate various types of antenna beams by controlling the amplitude and phase of RF signals. .

한편, 고주파 대역의 경우 앞서 설명한 바와 같이 현재 셀룰러 대역에 비해 광대역 주파수를 사용할 수 있는 큰 장점이 존재하나, 상대적으로 증가된 경로손실과 고주파 대역의 특징인 고직진성, 저회절성을 극복하는 것이 가장 큰 과제이다. 이를 위해 고주파의 사용으로 인해 증가한 다수개의 안테나 복사소자를 활용하여 이득이 높은 펜슬 빔(Pencil Beam)을 형성함으로써 늘어난 경로손실을 극복하게 된다.On the other hand, in the case of the high frequency band, as described above, there is a great advantage of using a wideband frequency compared to the current cellular band. However, it is best to overcome the relatively increased path loss and the high straightness and low diffraction characteristics of the high frequency band. It's a big challenge. To this end, the increased path loss is overcome by forming a high-gain pencil beam by utilizing a plurality of antenna radiation elements, which are increased due to the use of high frequency.

그러나, 고주파 대역에서는 빔폭이 매우 좁아지고 전파의 직진성이 강해지는 반면 회절성은 약화되므로, 단말의 위치 변화에 따라 기지국/단말이 각각 적절한 송수신 빔을 운용하지 못하면 통신이 이루어지지 않게 된다.However, in the high frequency band, the beam width becomes very narrow and the directivity of radio waves is strengthened while the diffraction property is weakened. Therefore, if the base station/terminal does not operate an appropriate transmit/receive beam according to a change in the location of the terminal, communication is not performed.

따라서, 기지국 입장에서 단말로 정확한 각도로 지향하는 송수신 안테나빔 형성이 매우 중요하고, 단말 입장에서는 기지국으로의 정확한 지향성을 가지는 송수신 안테나빔 형성이 중요하며, 이러한 최적의 송수신 안테나빔의 형성을 위해서는 기지국 또는 단말이 위치한 정확한 각도의 추정이 필요하다.
Therefore, it is very important for the base station to form a transmit/receive antenna beam directed at an accurate angle to the terminal, and from the standpoint of the terminal, it is important to form a transmit/receive antenna beam with accurate directivity to the base station. In order to form such an optimal transmit/receive antenna beam, the base station Alternatively, it is necessary to estimate the exact angle at which the terminal is located.

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- 대한민국 공개특허번호 10-2014-0065630호(공개일자 2014년 05월 30일)- Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014-0065630 (published on May 30, 2014)

따라서, 본 발명에서는 고주파 대역 기반 무선통신에서의 도래각 추정에 있어서, 안테나 소자별 수신신호의 위상 차이를 이용하여 평면파를 가정한 상태에서의 안테나 신호의 도래각을 추정하고, 추정된 도래각과 안테나 소자간 이격 거리를 이용하여 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내는 쌍곡선 방정식을 산출한 후, 쌍곡선 방정식과 기지국 또는 단말까지의 거리 정보를 조합하여 구면파를 가정한 상태에서의 안테나 신호의 도래각을 보다 정확히 추정함으로써 기지국과 단말간 최적의 무선 링크를 생성할 수 있도록 하는 안테나 신호 도래각 추정장치 및 방법을 제공하고자 한다.
Therefore, in the present invention, in estimating the angle of arrival in high-frequency band-based wireless communication, the angle of arrival of the antenna signal is estimated using the phase difference of the received signal for each antenna element, assuming a plane wave, and the estimated angle of arrival and the antenna After calculating the hyperbolic equation representing the locus of the same phase difference for each antenna element using the separation distance between the elements, the angle of arrival of the antenna signal under the assumption of a spherical wave is calculated by combining the hyperbolic equation and the distance information to the base station or terminal. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating the angle of arrival of an antenna signal that can generate an optimal radio link between a base station and a terminal by more accurately estimating.

상술한 본 발명은 안테나 신호 도래각 추정장치로서, 기지국 또는 단말로부터 송신되는 안테나 신호를 수신하는 복수의 안테나 소자와, 각각의 안테나 소자에서 수신되는 상기 안테나 신호의 위상을 검출하는 위상 검출부와, 2개의 안테나 소자로 구성되는 복수의 안테나 소자 쌍을 설정한 후, 상기 안테나 소자별 검출된 위상 정보를 이용하여 상기 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출하고, 각각의 안테나 소자 쌍별 도출된 위상 차이를 이용하여 상기 안테나 신호에 대해 적어도 하나 이상의 추정 도래각을 도출한 후, 상기 추정 도래각들 중 각도 값이 서로 일치하는 추정 도래각을 상기 안테나 신호의 도래각으로 추정하는 도래각 추정부를 포함한다.The present invention described above is an antenna signal arrival angle estimating apparatus, comprising: a plurality of antenna elements for receiving antenna signals transmitted from a base station or a terminal; and a phase detector for detecting a phase of the antenna signals received from each antenna element; After setting a plurality of antenna element pairs composed of antenna elements, a phase difference for each antenna element pair is derived using the detected phase information for each antenna element, and the phase difference derived for each antenna element pair is used to and an angle of arrival estimator for estimating, as the angle of arrival of the antenna signal, after deriving at least one or more estimated angles of arrival with respect to the antenna signal, the estimated angles of arrival having the same angle values among the estimated angles of arrival.

또한, 본 발명은 안테나 신호 도래각 추정방법으로서, 복수의 안테나 소자에서 기지국 또는 단말로부터 송신되는 안테나 신호를 수신하는 단계와, 상기 각각의 안테나 소자에서 수신되는 상기 안테나 신호의 위상을 검출하는 단계와, 2개의 안테나 소자로 구성되는 복수의 안테나 소자 쌍을 설정하는 단계와, 상기 안테나 소자별 검출된 위상 정보를 이용하여 상기 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출하는 단계와, 각각의 안테나 소자 쌍별 도출된 위상 차이를 이용하여 상기 안테나 신호에 대한 적어도 하나 이상의 추정 도래각을 도출하는 단계와, 상기 추정 도래각들 중 각도 값이 서로 일치하는 추정 도래각을 상기 안테나 신호의 도래각으로 추정하는 단계를 포함한다.In addition, the present invention provides a method for estimating the angle of arrival of an antenna signal, comprising the steps of: receiving an antenna signal transmitted from a base station or a terminal in a plurality of antenna elements; detecting a phase of the antenna signal received by each of the antenna elements; , setting a plurality of antenna element pairs composed of two antenna elements; deriving a phase difference for each antenna element pair using the detected phase information for each antenna element; and a phase derived for each antenna element pair deriving at least one estimated angle of arrival with respect to the antenna signal by using the difference; and estimating an estimated angle of arrival at which angle values are identical among the estimated angles of arrival as the angle of arrival of the antenna signal. .

또한, 본 발명은 안테나 신호 도래각 추정 장치로서, 기지국 또는 단말로부터 송신되는 안테나 신호를 수신하는 복수의 안테나 소자와, 각각의 안테나 소자에서 수신되는 상기 안테나 신호의 위상을 검출하는 위상 검출부와, 상기 안테나 소자별 위상 차이를 이용하여 상기 안테나 신호의 제1 도래각을 추정하는 평면파 도래각 추정부와, 전파지연 측정을 통해 상기 안테나 소자로부터 상기 기지국 또는 단말까지의 거리를 도출하는 거리 도출부와, 상기 제1 도래각 추정부에서 추정된 제1 도래각과 상기 안테나 소자간 이격거리를 이용하여 상기 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내는 쌍곡선 방정식을 산출하고, 상기 쌍곡선 방정식과 상기 거리를 이용하여 상기 안테나 신호의 제2 도래각을 추정하는 구면파 도래각 추정부를 포함한다.In addition, the present invention provides an antenna signal arrival angle estimation apparatus, comprising: a plurality of antenna elements for receiving antenna signals transmitted from a base station or a terminal; and a phase detector for detecting a phase of the antenna signals received from each antenna element; A plane wave angle of arrival estimator for estimating the first angle of arrival of the antenna signal using the phase difference for each antenna element, and a distance derivation unit for deriving a distance from the antenna element to the base station or the terminal through propagation delay measurement; A hyperbolic equation representing the locus of the same phase difference for each antenna element is calculated using the first angle of arrival estimated by the first angle of arrival estimator and the separation distance between the antenna elements, and the hyperbolic equation and the distance are used to calculate the and a spherical wave angle of arrival estimator for estimating the second angle of arrival of the antenna signal.

또한, 상기 평면파 도래각 추정부는, 2개의 안테나 소자로 구성되는 복수의 안테나 소자 쌍을 설정한 후, 상기 안테나 소자별 검출된 위상 정보를 이용하여 상기 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출하고, 각각의 안테나 소자 쌍별 도출된 위상 차이를 이용하여 상기 안테나 신호에 대한 적어도 하나 이상의 추정 도래각들을 도출한 후, 상기 추정 도래각들 중 각도 값이 서로 일치하는 추정 도래각을 상기 제1 도래각으로 추정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the plane wave arrival angle estimating unit sets a plurality of antenna element pairs composed of two antenna elements, and then derives a phase difference for each antenna element pair using the detected phase information for each antenna element, and each antenna After deriving at least one or more estimated angles of arrival with respect to the antenna signal using the phase difference derived for each element pair, estimating an estimated angle of arrival having the same angular value among the estimated angles of arrival as the first angle of arrival characterized.

또한, 제1 도래각은 상기 안테나 신호가 평면파인 것을 가정하여 추정되며, 상기 제2 도래각은 상기 안테나 신호가 구면파인 것을 가정하여 추정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first angle of arrival is estimated on the assumption that the antenna signal is a plane wave, and the second angle of arrival is estimated on the assumption that the antenna signal is a spherical wave.

또한, 본 발명은 안테나 신호 도래각 추정방법으로서, 복수의 안테나 소자에서 기지국 또는 단말로부터 송신되는 안테나 신호를 수신하는 단계와, 각각의 안테나 소자에서 수신되는 상기 안테나 신호의 위상을 검출하는 단계와, 상기 안테나 소자별 위상 차이를 이용하여 상기 안테나 신호의 제1 도래각을 추정하는 단계와, 전파지연 측정을 통해 상기 안테나 소자로부터 상기 기지국 또는 단말까지의 거리를 도출하는 단계와, 상기 제1 도래각과 상기 안테나 소자간 이격거리를 이용하여 상기 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내는 쌍곡선 방정식을 산출하는 단계와, 상기 쌍곡선 방정식과 상기 거리를 이용하여 상기 안테나 신호의 제2 도래각을 추정하는 단계를 포함한다.
In addition, the present invention provides a method for estimating the angle of arrival of an antenna signal, comprising the steps of: receiving an antenna signal transmitted from a base station or a terminal in a plurality of antenna elements; detecting a phase of the antenna signal received by each antenna element; estimating a first angle of arrival of the antenna signal using the phase difference for each antenna element; deriving a distance from the antenna element to the base station or terminal through propagation delay measurement; calculating a hyperbolic equation representing the trajectory of the same phase difference for each antenna element using the separation distance between the antenna elements, and estimating the second angle of arrival of the antenna signal using the hyperbolic equation and the distance include

본 발명에 따르면, 고주파 대역 기반 무선통신에서의 도래각 추정에 있어서, 안테나 소자별 위상 차이를 이용하여 평면파를 가정한 상태에서의 안테나 신호의 도래각을 추정하고, 추정된 도래각과 안테나 소자간 이격 거리를 이용하여 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내는 쌍곡선 방정식을 산출한 후, 쌍곡선 방정식과 기지국 또는 단말까지의 거리 정보를 조합하여 구면파를 가정한 상태에서의 안테나 신호의 도래각을 보다 정확히 추정함으로써 기지국과 단말간 최적의 무선 링크를 생성할 수 있는 이점이 있다.
According to the present invention, in the estimation of the angle of arrival in high-frequency band-based wireless communication, the angle of arrival of an antenna signal is estimated using a phase difference for each antenna element in a state where a plane wave is assumed, and the estimated angle of arrival and the distance between the antenna elements are estimated. After calculating the hyperbolic equation representing the locus of the same phase difference for each antenna element using the distance, the angle of arrival of the antenna signal under the assumption of a spherical wave is more accurately estimated by combining the hyperbolic equation and distance information to the base station or terminal By doing so, there is an advantage in that an optimal radio link between the base station and the terminal can be created.

도 1은 안테나로부터의 거리에 따른 안테나 패턴 차이의 개념도,
도 2는 거리에 따른 동위상면 분포 및 안테나 개구면에서의 위상차이 예시도,
도 3은 안테나 수신 전계의 크기를 비교하여 도래각을 추정하는 개념도,
도 4는 원거리에서 안테나 수신신호의 위상차이와 도래각과의 관계 예시도,
도 5 및 도 6은 안테나 소자간 거리에 따라 하나의 위상 차이에 대해 추정되는 도래각들이 여러개로 도출되는 예시도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 복수의 안테나 소자 쌍을 이용한 수신신호 위상차이 비교를 통해 모호성이 제거된 예시도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 도래각 추정장치의 상세 블록 구성도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 평면파를 가정한 상태에서 안테나 도래각을 추정하는 동작 제어 흐름도,
도 10은 안테나 소자간 거리가 4파장인 경우 쌍곡선 궤적을 예시한 도면이다.
도 11은 안테나 소자간 거리가 4파장이고, 도래각이 30도인 경우, 평면파를 가정한 경우와 구면파를 가정한 경우에 따른 추정 도래각의 차이 예시도,
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 도래각 추정장치의 상세 블록 구성도,
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구면파를 가정한 상태에서 안테나 도래각을 추정하는 동작 제어 흐름도.1 is a conceptual diagram of an antenna pattern difference according to a distance from an antenna;
2 is an exemplary diagram of the in-phase plane distribution according to the distance and the phase difference in the antenna aperture;
3 is a conceptual diagram for estimating an angle of arrival by comparing the magnitude of an antenna reception electric field;
4 is a diagram illustrating the relationship between the phase difference of the antenna reception signal and the angle of arrival at a long distance;
5 and 6 are exemplary diagrams in which several angles of arrival estimated for one phase difference are derived according to the distance between antenna elements;
7 is an exemplary diagram in which ambiguity is removed through comparison of received signal phase difference using a plurality of antenna element pairs according to an embodiment of the present invention;
8 is a detailed block diagram of an apparatus for estimating an angle of arrival of an antenna according to an embodiment of the present invention;
9 is an operation control flowchart for estimating an antenna arrival angle under the assumption of a plane wave according to an embodiment of the present invention;
10 is a diagram illustrating a hyperbolic trajectory when the distance between antenna elements is 4 wavelengths.
11 is an exemplary diagram illustrating the difference in the estimated angle of arrival according to a case where a plane wave is assumed and a case where a spherical wave is assumed when the distance between antenna elements is 4 wavelengths and the angle of arrival is 30 degrees;
12 is a detailed block diagram of an apparatus for estimating an angle of arrival of an antenna according to another embodiment of the present invention;
13 is a flowchart of an operation control for estimating an angle of arrival of an antenna under the assumption of a spherical wave according to another embodiment of the present invention;

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, the operating principle of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the terms described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification.

도 1은 안테나로부터의 거리에 따른 안테나 패턴 차이의 개념을 도시한 것이다.1 illustrates the concept of an antenna pattern difference according to a distance from an antenna.

위 도 1을 참조하면, 액티브 안테나 시스템(active antenna system)(100)은 송수신 모듈(module)에서의 신호 크기 및 위상을 제어하여 원하는 형태의 안테나빔을 생성할 수 있는 장치를 말한다. 즉, 액티브 안테나 시스템(100)은 다중빔을 형성하거나 전자적으로 안테나빔의 방향을 변경하거나, 부엽준위를 줄이거나, 간섭원 신호를 억압하는 등 안테나빔을 원하는 형태로 생성할 수 있다. Referring to FIG. 1 above, an active antenna system 100 refers to a device capable of generating an antenna beam of a desired shape by controlling a signal magnitude and a phase in a transmission/reception module. That is, the active antenna system 100 may generate an antenna beam in a desired shape, such as forming a multi-beam, electronically changing the direction of the antenna beam, reducing a side lobe level, or suppressing an interference source signal.

한편, 이러한 액티브 안테나 시스템(100)으로부터 방사되는 안테나 패턴은 위 도 1에서 보여지는 바와 같이 안테나 패턴이 송신되는 거리에 따라, 근전계 패턴과 원전계 패턴으로 구분될 수 있다. 이때, 근전계 패턴은 액티브 안테나 시스템(100)으로부터 근거리에 위치한 기지국 또는 단말에서 수신되는 안테나 패턴을 의미할 수 있고, 원전계 패턴은 액티브 안테나 시스템(100)으로부터 원거리에 위치한 기지국 또는 단말에서 수신되는 안테나 패턴을 의미할 수 있다. 여기서, 보통 근거리와 원거리를 나누는 기준은

Figure 112015080448420-pat00001
(D : 안테나 크기, λ: 파장)로 나타낼 수 있으며, 이를 기준으로 보통 동위상면을 구면과 평면으로 나눌 수 있다.Meanwhile, the antenna pattern radiated from the active antenna system 100 may be divided into a near field pattern and a nuclear field pattern according to a distance through which the antenna pattern is transmitted, as shown in FIG. 1 above. In this case, the near field pattern may mean an antenna pattern received from a base station or a terminal located in a short distance from the active antenna system 100 , and the nuclear field pattern is received from a base station or a terminal located far from the active antenna system 100 . It may mean an antenna pattern. Here, the criterion that usually divides near and far is
Figure 112015080448420-pat00001
It can be expressed as (D: antenna size, λ: wavelength), and the common in-phase plane can be divided into a spherical surface and a flat surface based on this.

또한, 이러한 액티브 안테나 시스템(100)은 일부 송수신 모듈이 고장나는 경우 안테나 패턴이 원하는 형태로 생성되지 않고, 다소 상이한 패턴으로 생성될 수 있다. 또한, 전자기파의 특성상 안테나 패턴이 송수신되는 거리에 따라 도머넌트(dominant)한 성분이 달라질 수 있어 근거리에서는 원거리에서와는 달리 안테나 패턴이 달라지게 됨으로써 기지국 또는 단말의 도래각(angle of arrival : AoA)을 추정하기 어려운 문제점이 있다. 이때, 일반적으로 안테나 패턴은 원거리에서의 전자기파 공간분포를 의미할 수 있다.In addition, in the active antenna system 100 , when some transmission/reception modules fail, the antenna pattern may not be generated in a desired shape, but may be generated in a slightly different pattern. In addition, due to the characteristics of electromagnetic waves, the dominant component may vary depending on the distance at which the antenna pattern is transmitted/received. Therefore, the antenna pattern is different in the short distance than in the long distance, so that the angle of arrival (AoA) of the base station or the terminal is estimated. There is a problem that is difficult to do. In this case, in general, the antenna pattern may mean a spatial distribution of electromagnetic waves at a long distance.

도 2는 거리에 따른 동위상면 분포 및 안테나 개구면에서의 위상차이를 도시한 것이다.2 is a graph illustrating an in-phase plane distribution according to a distance and a phase difference in an antenna aperture.

위 도 2를 참조하면, 단말(200)로부터 근거리(d1) 이격된 액티브 안테나 시스템(100)의 안테나 소자별 수신신호에서는 위상 차이가 발생할 수 있으나, 원거리(d2)에서는 안테나 소자별 수신신호의 위상 차이가 거의 동일함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2 above, a phase difference may occur in the received signal for each antenna element of the active antenna system 100 spaced apart from the terminal 200 at a short distance (d 1 ), but at a long distance ( d 2 ), a received signal for each antenna element It can be seen that the phase difference of

본 발명에서는 액티브 안테나 시스템(100)에서 안테나 소자 등 일부 송수신 모듈이 고장나는 경우에도 다중빔을 운용하지 않고도 기지국에서 단말 또는 단말에서 기지국으로의 도래각(AoA)을 몇 개의 안테나 소자에서 수신된 수신 신호의 위상 차이 값 만으로 추정할 수 있도록 하며, 특히 원거리뿐만 아니라 근거리에서도 보다 정확한 도래각 추정이 가능하도록 하는 방안을 제안한다. In the present invention, even when some transmission/reception modules, such as antenna elements, fail in the active antenna system 100, the angle of arrival (AoA) from the base station to the terminal or from the terminal to the base station is received from several antenna elements without operating a multi-beam. It is possible to estimate only the phase difference value of the signal, and in particular, a method is proposed to enable more accurate estimation of the angle of arrival not only at a distance but also at a short distance.

즉, 초고주파 대역 이동통신 환경에서는 동일한 물리적 안테나 크기를 가정했을 때 전기적 파장이 짧아짐으로 인해 원전계 조건을 만족하는 거리가 증가하게 됨에 따라 안테나 패턴이 원거리 조건이 아닌 근거리 조건에 노출될 가능성이 많다. 따라서, 본 발명에서는 원거리뿐만 아니라 근거리에서도 보다 정확한 도래각 추정이 가능하도록 하는 방안을 제안하는 것이다. That is, in the ultra-high frequency band mobile communication environment, assuming the same physical antenna size, as the distance satisfying the nuclear field condition increases due to the shortening of the electric wavelength, the antenna pattern is more likely to be exposed to the short-distance condition rather than the long-distance condition. Accordingly, the present invention proposes a method for enabling more accurate estimation of the angle of arrival not only at a long distance but also at a short distance.

이하에서는 위와 같이 제안된 본 발명의 도래각 추정방법에 대해 도면을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.Hereinafter, the method for estimating the angle of arrival of the present invention proposed as above will be described in detail below with reference to the drawings.

먼저, 단말이 무선통신시스템에 접속하는 초기 단계 또는 하나의 셀에서 다른 셀로 이동하는 핸드오버(Handover)의 경우, 단말과 기지국간 무선링크 생성을 위한 Random Access 절차가 진행된다. First, in the case of an initial stage in which a terminal accesses a wireless communication system or a handover moving from one cell to another cell, a random access procedure for generating a radio link between the terminal and the base station is performed.

이때, 기지국에서는 단말로부터의 RACH 프리앰블(Preamble) 또는 사운딩 레퍼런스 신호(Sounding Reference Signal) 등의 수신신호의 수신전계 위상정보를 이용하여 해당 단말로의 도래각을 추정할 수 있다. 또한, 반대로 단말에서는 기지국으로부터의 레퍼런스 신호(Reference Signal) 등의 수신신호의 수신전계 위상정보를 이용하여 해당 기지국으로의 도래각을 추정할 수 있다.In this case, the base station may estimate the angle of arrival to the corresponding terminal by using the received electric field phase information of a received signal such as a RACH preamble or a sounding reference signal from the terminal. Also, on the contrary, the terminal may estimate the angle of arrival to the corresponding base station by using the received electric field phase information of the received signal such as a reference signal from the base station.

또한, 이때, 위와 같은 도래각 추정에 있어서는 도 3에서와 같이 다중빔을 이용하여 안테나 패턴 크기(즉, 안테나 수신 전계의 크기)를 비교하여 해당 단말(200)로의 도래각을 추정할 수 있다. 위와 같은 도 3에서는 기지국에서 단말로부터 수신된 수신신호의 수신 전계의 크기를 비교하여 단말의 도래각을 추정하는 것을 예시하고 있으나, 반대로 단말에서 기지국의 도래각을 추정하는 경우에도 동일하게 적용 가능하다.Also, in this case, in the estimation of the angle of arrival as described above, the angle of arrival to the corresponding terminal 200 may be estimated by comparing the antenna pattern size (ie, the size of the antenna reception electric field) using multiple beams as shown in FIG. 3 . 3 exemplifies estimating the angle of arrival of the terminal by comparing the magnitude of the reception electric field of the received signal received from the terminal in the base station, but the same can be applied to the case of estimating the angle of arrival of the base station from the terminal .

좀더 자세히 설명하면, 이러한 수신 전계값의 차이를 이용한 도래각 추정에 있어서는, 예를 들어 고주파 대역 기반 무선통신에서 다수의 안테나 빔 중 단말(200)에서 방사되어 수신되는 수신신호의 크기가 가장 강한 제1 안테나 빔(202)과 두 번째로 강한 제2 안테나 빔(204)을 도출하고, 제1 안테나 빔(202)과 제2 안테나 빔(204)의 수신신호 크기 비율값을 계산한다. 이어, 계산된 비율값과 제1 안테나 빔(202)과 제2 안테나 빔(204)이 조합되는 영역에 대한 안테나 패턴 크기 비율에 대응되는 기 계산된 추세선 수식을 이용하여 제1 안테나 빔(202)의 단말(200)에 대한 도래각을 추정한다. 이때, 계산된 비율값을 추세선 수식에 대입하여 도출되는 값을 상기 다수의 안테나빔을 방사한 단말(200)의 방향이 제1 안테나 빔(202)의 방향에 대해 틀어진 각도에 대한 오프셋(offset) 값으로 산출하고, 오프셋값이 보상되는 도래각을 추정하여 단말(200)에 대한 도래각을 추정할 수 있다. More specifically, in estimating the angle of arrival using the difference in the received electric field values, for example, in high-frequency band-based wireless communication, among a plurality of antenna beams, the magnitude of the received signal radiated from the terminal 200 and received is the strongest. The first antenna beam 202 and the second strongest antenna beam 204 are derived, and the received signal magnitude ratio value of the first antenna beam 202 and the second antenna beam 204 is calculated. Next, the first antenna beam 202 using a pre-calculated trend line equation corresponding to the calculated ratio value and the antenna pattern size ratio for the area where the first antenna beam 202 and the second antenna beam 204 are combined. Estimate the angle of arrival with respect to the terminal 200 of At this time, the value derived by substituting the calculated ratio value into the trend line equation is an offset for the angle at which the direction of the terminal 200 radiating the plurality of antenna beams is deviated with respect to the direction of the first antenna beam 202 . It is possible to estimate the angle of arrival for the terminal 200 by calculating the value and estimating the angle of arrival for which the offset value is compensated.

그러나, 위와 같은 수신 전계의 비교를 통한 도래각 추정에 있어서는 상대적으로 각도에 따른 수신 전계의 크기의 차이가 크지 않을 수 있어, 신호대잡음비율(SINR)이 우수하지 않은 경우에는 도래각 추정의 정확도가 상대적으로 떨어질 수 있으며, 액티브 안테나 시스템의 일부 송수신모듈이 고장난 상태에서는 정상적인 안테나 패턴 생성이 어려워 도래각 추정에 어려움이 있다. 또한, 전자기파는 거리에 따라 도머넌트(dominant)한 성분이 달라져 근거리에서는 원거리 안테나 패턴(일반적으로 안테나패턴은 원거리에서의 전자기파 공간분포를 의미함)이 달라지므로 기존의 도래각 추정기법 적용이 어렵다. 즉, 가까운 거리와 먼거리에서의 상이한 패턴으로 인해 근거리에서 각도 추정에 오차가 발생한다. However, in the estimation of the angle of arrival through the comparison of the received electric field as described above, the difference in the magnitude of the received electric field according to the angle may not be relatively large. It may fall relatively, and it is difficult to estimate the angle of arrival because it is difficult to generate a normal antenna pattern in a state in which some transmission/reception modules of the active antenna system fail. In addition, since the dominant component of electromagnetic waves varies according to the distance, the long-distance antenna pattern (generally, the antenna pattern refers to the spatial distribution of electromagnetic waves in the far-field) changes in the near field, so it is difficult to apply the existing angle of arrival estimation method. That is, an error occurs in the angle estimation at a short distance due to a different pattern at a close distance and a long distance.

이에 따라, 본 발명에서는 기지국 입장에서 단말이 위치한 도래각 또는 단말 입장에서 기지국이 위치한 도래각을 추정하기 위해 안테나의 수신 전계 위상을 이용하는 2가지 방식을 제안한다.Accordingly, the present invention proposes two methods using the received electric field phase of the antenna to estimate the angle of arrival at which the terminal is located from the viewpoint of the base station or the angle of arrival at which the base station is located from the viewpoint of the terminal.

먼저, 이하에서는 위와 같은 2가지 방식 중 제안방식 1로서, 안테나 패턴이 평면파인 것을 가정하는 경우 기지국 또는 단말의 도래각을 추정하는 방법에 대해 설명하기로 한다.First, as proposed method 1 among the above two methods, a method of estimating the angle of arrival of a base station or a terminal when it is assumed that the antenna pattern is a plane wave will be described.

도 4는 원거리에서 안테나 수신신호의 위상차이와 도래각과의 관계를 도시한 것이다.4 is a diagram illustrating a relationship between a phase difference of an antenna reception signal and an angle of arrival at a long distance.

즉, 도 4는 기지국과 단말간 원거리 즉 안테나 패턴이 평면파인 것을 가정한 상태에서 안테나 수신 신호의 위상 차이를 이용한 각도 추정 방식을 예시한 것이다. 또한, 도 4에서는 단말이 위치한 도래각을 추정하는 방식을 예시하였으나, 기지국의 도래각을 추정하는 경우에도 동일하게 적용 가능하다. That is, FIG. 4 exemplifies an angle estimation method using the phase difference of the antenna reception signal in the state that the distance between the base station and the terminal, that is, the antenna pattern is a plane wave. In addition, although the method of estimating the angle of arrival at which the terminal is located is exemplified in FIG. 4, the same can be applied to the case of estimating the angle of arrival of the base station.

위와 같은 수신 신호의 위상 차이를 이용한 도래각 추정 방식에서는 액티브 안테나 시스템에서 안테나 수신 신호를 수신하는 안테나 소자간 거리가 멀리 떨어질수록 도래각 추정의 정확도가 높아질 수 있다.In the method of estimating the angle of arrival using the phase difference of the received signal as described above, the accuracy of estimating the angle of arrival may be increased as the distance between antenna elements receiving the antenna received signal in the active antenna system is farther away.

왜냐하면 위 도 4에서 보여지는 바와 같이 안테나 소자간 거리가 멀어질수록 수신 신호의 위상 차이에 따른 도래각(θ) 변화가 작아지게 되기 때문이다. 즉, 안테나 소자간 거리가 멀어질수록 수신신호간 잡음의 영향을 덜 받게 되어, 잡음 등으로 인한 위상차이 오차가 도래각 추정에 미치는 영향이 작아져서 도래각 변화가 작아지게 되기 때문이다.This is because, as shown in FIG. 4 above, as the distance between the antenna elements increases, the change in the angle of arrival (θ) according to the phase difference of the received signal becomes smaller. That is, as the distance between antenna elements increases, it is less affected by the noise between the received signals, and the influence of the phase difference error due to noise on the estimation of the angle of arrival becomes smaller, so that the change in the angle of arrival becomes smaller.

그러나, 위와 같이 안테나 소자간 거리가 멀어지는 경우 하나의 안테나 소자 쌍(pair)(400, 404)에서 산출되는 위상 차이값으로 도출될 수 있는 도래각이 늘어날 수 있다. 즉, 위상은 360도의 주기성을 가지므로 이러한 위상의 주기성에 의해 위상 차이로 도출될 수 있는 도래각이 늘어나게 되고, 이러한 경우 어떤 도래각이 실제 단말(200)이 위치한 곳을 정확히 가리키는 도래각인지 결정하는데 문제가 발생할 수 있다.However, when the distance between the antenna elements increases as described above, the angle of arrival that can be derived from the phase difference value calculated from one pair of antenna elements 400 and 404 may increase. That is, since the phase has a periodicity of 360 degrees, the angle of arrival that can be derived from the phase difference increases due to the periodicity of the phase. In this case, it is determined which angle of arrival exactly points to the actual location of the terminal 200 . problems may arise.

도 5 내지 도 6은 안테나 소자간 거리에 따라 하나의 위상 차이에 대해 추정되는 도래각이 여러개로 도출되는 것을 예시한 것이다.5 to 6 illustrate that several angles of arrival estimated for one phase difference are derived according to the distance between antenna elements.

도 5는 안테나 소자간 거리가 4파장인 경우 도래각별 위상차이 및 도래각을 30도로 가정하는 경우 도출될 수 있는 추정 도래각을 나타낸 그래프로, 도 5에서 보여지는 바와 같이 9개의 도래각이 추정되어 도래각 추정에 있어서 모호성이 발생하는 것을 예시한 것이다.FIG. 5 is a graph showing estimated angles of arrival that can be derived when a phase difference for each angle of arrival and an angle of arrival are assumed to be 30 degrees when the distance between antenna elements is 4 wavelengths. As shown in FIG. 5, 9 angles of arrival are estimated This exemplifies the occurrence of ambiguity in the estimation of the angle of arrival.

도 6은 안테나 소자간 거리가 1.2파장인 경우 도래각별 위상차이 및 도래각을 30도 가정하는 경우 도출될 수 있는 추정 도래각을 나타낸 그래프로, 도 6에서 보여지는 바와 같이 2개의 도래각이 추정되어 도래각 추정에 있어서 모호성이 발생하는 것을 예시한 것이다.6 is a graph showing estimated angles of arrival that can be derived when a phase difference for each angle of arrival and an angle of arrival are assumed to be 30 degrees when the distance between antenna elements is 1.2 wavelength. As shown in FIG. 6, two angles of arrival are estimated This exemplifies the occurrence of ambiguity in the estimation of the angle of arrival.

따라서, 본 발명에서는 제1 안테나 소자 쌍(400, 404), 제2 안테나 소자 쌍(400, 402) 등의 두 개의 안테나 소자 쌍을 이용하여 도래각을 추정하는 방식으로 위상의 360도 주기성에 따른 입사각의 모호성 문제를 해결하도록 한다.Therefore, in the present invention, the angle of arrival is estimated using two pairs of antenna elements such as the first pair of antenna elements 400 and 404 and the second pair of antenna elements 400 and 402 according to the 360 degree periodicity of the phase. To solve the problem of ambiguity of the angle of incidence.

다시, 위 도 4를 참조하면, 예를 들어 단말(200)로부터 신호를 수신한 안테나 소자 쌍별 수신신호의 위상 차이(

Figure 112015080448420-pat00002
,
Figure 112015080448420-pat00003
)는 아래의 [수학식 1]에서와 같이 산출될 수 있다.Again, referring to FIG. 4 above, for example, the phase difference (
Figure 112015080448420-pat00002
,
Figure 112015080448420-pat00003
) can be calculated as in [Equation 1] below.

Figure 112015080448420-pat00004
Figure 112015080448420-pat00004

이때, 위 [수학식 1]에서,

Figure 112015080448420-pat00005
는 안테나 소자 #0(400), 안테나 소자 #1(402), 안테나 소자 #2(404)에서 수신되는 수신신호의 위상을 말하며, d1, d2는 안테나 소자 #0(400)과 안테나 소자 #1(402)간 물리적 거리 및 안테나 소자 #0(400)과 안테나 소자 #2(404)간 물리적 거리를 말할 수 있다. 또한, θ는 단말(200)이 위치한 도래각이 될 수 있으며, λ는 수신 전계의 파장을 의미한다. At this time, in [Equation 1] above,
Figure 112015080448420-pat00005
denotes the phase of the received signal received from the antenna element #0 (400), the antenna element #1 (402), and the antenna element #2 (404), and d 1 , d 2 are the antenna element #0 (400) and the antenna element The physical distance between #1 (402) and the physical distance between antenna element #0 (400) and antenna element #2 (404) may be referred to. In addition, θ may be an angle of arrival at which the terminal 200 is located, and λ denotes the wavelength of the received electric field.

그러나, 이때, 안테나 소자에서 수신되는 수신신호의 위상이 360도의 주기성을 가지게 되므로 여러 개의 도래각에 대해 동일한 위상 차이를 가질 수 있다. However, in this case, since the phase of the received signal received from the antenna element has a periodicity of 360 degrees, it may have the same phase difference with respect to several angles of arrival.

이에 따라, [수학식 1]을 역으로 환산하여 위상 차이에 따른 도래각을 추정하는 경우, 아래의 [수학식 2]에서와 같이 위상 차이의 주기성에 따라 추정 도래각(

Figure 112015080448420-pat00006
,
Figure 112015080448420-pat00007
)이 여러개가 산출될 수 있다.Accordingly, when estimating the angle of arrival according to the phase difference by converting [Equation 1] inversely, the estimated angle of arrival (
Figure 112015080448420-pat00006
,
Figure 112015080448420-pat00007
) can be computed several times.

Figure 112015080448420-pat00008
Figure 112015080448420-pat00008

이때, 위 [수학식 2]에서

Figure 112015080448420-pat00009
는 안테나 소자 #0(400)과 안테나 소자 #1(402) 간 위상차이(
Figure 112015080448420-pat00010
)를 통해 도출된 단말(200)의 추정 도래각을 나타내며,
Figure 112015080448420-pat00011
는 안테나 소자 #0(400)과 안테나 소자 #2(404)간의 위상차이(
Figure 112015080448420-pat00012
)를 통해 도출된 단말(200)의 추정 도래각을 나타낼 수 있다. 또한, k1, k2는 각각 아래의 [수학식 3]와 [수학식 4]을 만족하는 정수를 의미할 수 있다.At this time, in [Equation 2] above
Figure 112015080448420-pat00009
is the phase difference between the antenna element #0 (400) and the antenna element #1 (402) (
Figure 112015080448420-pat00010
) represents the estimated angle of arrival of the terminal 200 derived through,
Figure 112015080448420-pat00011
is the phase difference between antenna element #0 (400) and antenna element #2 (404)
Figure 112015080448420-pat00012
) may represent the estimated angle of arrival of the terminal 200 derived through . In addition, k 1 and k 2 may mean integers satisfying the following [Equation 3] and [Equation 4], respectively.

Figure 112015080448420-pat00013
Figure 112015080448420-pat00013

Figure 112015080448420-pat00014
Figure 112015080448420-pat00014

따라서, 위와 같이 제1 안테나 소자 쌍(400, 404), 제2 안테나 소자 쌍(400, 402) 등의 각 안테나 소자 쌍에서 추정되는 도래각들에 대해 서로 일치하는 도래각을 확인하여 실제 하나의 도래각(

Figure 112015080448420-pat00015
)을 추정함으로써 도래각 추정의 모호성을 해결하게 된다.Therefore, as described above, by checking the corresponding angles of arrival with respect to the angles of arrival estimated in each pair of antenna elements, such as the first antenna element pair 400, 404, and the second antenna element pair 400, 402, the actual one angle of arrival (
Figure 112015080448420-pat00015
) to solve the ambiguity of the angle of arrival estimation.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 복수의 안테나 소자 쌍을 이용한 수신신호 위상차이 비교를 통해 모호성이 제거된 예를 도시한 것이다.7 is a diagram illustrating an example in which ambiguity is removed by comparing the phase difference of a received signal using a plurality of antenna element pairs according to an embodiment of the present invention.

위와 같은 본 발명의 방법에 따라 각 안테나 소자 쌍에서 발생하는 도래각들에 대해 서로 일치하는 도래각을 확인하여 하나의 도래각을 추정하는 경우 위 도 7에서 보여지는 바와 같이 하나의 도래각이 산출될 수 있는 것을 알 수 있다.According to the method of the present invention as described above, when one angle of arrival is estimated by checking the corresponding angles of arrival with respect to the angles of arrival occurring in each pair of antenna elements, as shown in FIG. 7 above, one angle of arrival is calculated. know what can be

즉, 예를 들어 제1 안테나 소자 쌍(400, 404)에서 추정된 도래각이 도 5에서 보여지는 바와 같이, 90도, 49도, 30도, 14도, 0도, -14도, -30도, -49도, -90도 이고, 제2 안테나 소자 쌍(400, 402)에서 추정된 도래각이 도 6에서 보여지는 바와 같이, 30도, -19도 인 경우 두 안테나 소자 쌍에서 추정된 도래각 중 서로 일치하는 각도 값인 30도가 실제 도래각으로 추정되는 것이다. 이때, 본 발명의 실시예에서는 두 안테나 소자 쌍에서 추정된 도래각 정보가 완전히 일치하는 것이 실제 도래각으로 추정되는 것을 예시하였으나, 이는 잡음이 제거된 이상적인 조건에서의 결과치를 예로서 설명한 것으로, 실제 잡음 존재하는 환경에서는 정확히 일치하는 도래각 정보가 없을 수도 있다. 이러한 경우에는 가장 유사한 각도 값으로 나타낸 두 개의 각도 값 중 선택된 하나의 각도 값이 도래각으로 결정되도록 구현할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.That is, for example, the angle of arrival estimated at the first pair of antenna elements 400 and 404 is 90 degrees, 49 degrees, 30 degrees, 14 degrees, 0 degrees, -14 degrees, -30 degrees, as shown in FIG. degrees, -49 degrees, -90 degrees, and when the angles of arrival estimated from the second pair of antenna elements 400 and 402 are 30 degrees and -19 degrees, as shown in FIG. 6 , the estimated angles of the two antenna element pairs Among the angles of arrival, 30 degrees, which is an angle value that coincides with each other, is estimated as the actual angle of arrival. At this time, in the embodiment of the present invention, it is exemplified that the estimated angle of arrival information from the two antenna element pairs completely coincides with the actual angle of arrival. In a noisy environment, there may not be an exact match angle of arrival information. In this case, an angle value selected from among two angle values indicated by the most similar angle values may be implemented to be determined as the angle of arrival, but the present invention is not limited thereto.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 신호 도래각 추정장치의 상세 블록 구성을 도시한 것으로, 안테나 소자(400, 402, 404), 위상 검출부(810, 812, 814), 도래각 추정부(820) 등을 포함할 수 있다.8 is a detailed block diagram of an apparatus for estimating the angle of arrival of an antenna signal according to an embodiment of the present invention, wherein the antenna elements 400, 402, 404, the phase detectors 810, 812, 814, and the angle of arrival estimation unit ( 820) and the like.

이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 안테나 신호 도래각 추정장치(800)의 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the operation of each component of the antenna signal arrival angle estimation apparatus 800 of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 8 .

먼저, 안테나 소자(400, 402, 404)는 단말(200)로부터 전송되는 안테나빔을 수신한다. 이때, 안테나 소자(400, 402, 404)는 단말(200)로부터 전송되는 안테나빔을 수신하는 경우, 안테나빔을 통해 송신되는 RACH 프리앰블(Preamble) 또는 사운딩 레퍼런스 신호(sounding reference signal) 등을 수신할 수 있으며, 기지국으로부터 전송되는 안테나빔을 수신하는 경우, 안테나빔을 통해 송신되는 레퍼런스 신호(reference signal) 등을 수신할 수 있다.First, the antenna elements 400 , 402 , 404 receive an antenna beam transmitted from the terminal 200 . In this case, when receiving the antenna beam transmitted from the terminal 200 , the antenna elements 400 , 402 , 404 receive a RACH preamble or a sounding reference signal transmitted through the antenna beam. In the case of receiving the antenna beam transmitted from the base station, a reference signal transmitted through the antenna beam may be received.

위상 검출부(810, 812, 814)는 각 안테나 소자별 수신된 안테나 수신신호의 위상을 검출한다. 이때, 위상 검출부(810, 812, 814)는 각각의 안테나 소자(400, 402, 404)에 연결되어 안테나 소자(400, 402, 404)로 수신되는 안테나 수신신호의 위상을 검출한다. The phase detectors 810 , 812 , and 814 detect a phase of a received antenna signal for each antenna element. At this time, the phase detectors 810 , 812 , and 814 are connected to the respective antenna elements 400 , 402 , 404 to detect the phase of the antenna reception signal received by the antenna elements 400 , 402 , 404 .

도래각 추정부(820)는 위상 검출부(810, 812, 814)로부터 검출되는 안테나 소자별 위상 정보를 이용하여 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출하고, 도출된 위상 차이를 이용하여 단말(200)이 위치한 방향에 대한 도래각을 추정한다. The angle of arrival estimator 820 derives a phase difference for each pair of antenna elements using the phase information for each antenna element detected from the phase detectors 810, 812, and 814, and uses the derived phase difference to determine where the terminal 200 is located. Estimate the angle of arrival for the direction.

이때, 도래각 추정부(820)는 도래각 추정에 있어서 제1 안테나 소자 쌍(400, 404), 제2 안테나 소자 쌍(400, 402) 등 적어도 2개 이상의 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출한 후, 각 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 이용한 추정 도래각을 산출한다.In this case, the angle of arrival estimator 820 derives the phase difference for each pair of at least two antenna elements, such as the first pair of antenna elements 400 and 404 and the second pair of antenna elements 400 and 402 in the estimation of the angle of arrival. , calculates the estimated angle of arrival using the phase difference for each pair of antenna elements.

또한, 도래각 추정부(820)는 각 안테나 소자 쌍에서 추정되는 도래각들에 대해 서로 일치하는 도래각을 확인하여 단말(200)이 위치한 방향에 대한 실제 하나의 도래각을 추정한다.Also, the angle of arrival estimator 820 estimates an actual angle of arrival with respect to the direction in which the terminal 200 is located by checking the angles of arrival that are identical to the angles of arrival estimated in each pair of antenna elements.

즉, 도래각 추정부(820)는 예를 들어 제1 안테나 소자 쌍(400, 404)에서 추정된 제1 추정 도래각이 도 5에서 보여지는 바와 같이, 90도, 49도, 30도, 14도, 0도, -14도, -30도, -49도, -90도 이고, 제2 안테나 소자 쌍(400, 402)에서 추정된 제2 추정 도래각이 도 6에서 보여지는 바와 같이, 30도, -19도 인 경우 두 안테나 소자 쌍에서 추정된 도래각의 조합에서 서로 일치하는 30도의 도래각을 단말(200)이 위치한 방향에 대한 실제 도래각으로 산출할 수 있는 것이다.That is, the angle of arrival estimating unit 820, for example, the first estimated angle of arrival estimated from the first pair of antenna elements 400 and 404 as shown in FIG. 5, 90 degrees, 49 degrees, 30 degrees, 14 degrees, 0 degrees, -14 degrees, -30 degrees, -49 degrees, -90 degrees, and the second estimated angle of arrival estimated at the second pair of antenna elements 400 and 402 is 30, as shown in FIG. 6 . In the case of degrees and -19 degrees, an angle of arrival of 30 degrees coincident with each other in a combination of the angles of arrival estimated from two pairs of antenna elements can be calculated as an actual angle of arrival with respect to the direction in which the terminal 200 is located.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 신호 도래각 추정장치(800)에서 두 개 이상의 안테나 소자 쌍을 이용하여 안테나 신호의 도래각을 추정하는 동작 제어 흐름을 도시한 것이다. 이하, 도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.9 is a flowchart illustrating an operation control flow for estimating the angle of arrival of an antenna signal using two or more pairs of antenna elements in the apparatus 800 for estimating the angle of arrival of an antenna signal according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 9 .

먼저, 도래각 추정장치(800)는 안테나 소자(400, 402, 404)를 통해 단말(200)로부터 전송되는 안테나빔을 수신하고, 각 안테나 소자별 수신된 수신신호의 위상을 도출한다(S900).First, the angle of arrival estimator 800 receives the antenna beam transmitted from the terminal 200 through the antenna elements 400, 402, 404, and derives the phase of the received signal for each antenna element (S900). .

이때, 도래각 추정장치(800)의 안테나 소자(400, 402, 404)에서는 단말(200)로부터 전송되는 안테나빔을 수신하는 경우, 안테나빔을 통해 송신되는 RACH 프리앰블(Preamble) 또는 사운딩 레퍼런스 신호(sounding reference signal) 등을 수신할 수 있으며, 기지국으로부터 전송되는 안테나빔을 수신하는 경우, 안테나빔을 통해 송신되는 레퍼런스 신호(reference signal) 등을 수신할 수 있다.At this time, when the antenna elements 400 , 402 , and 404 of the angle of arrival estimator 800 receive the antenna beam transmitted from the terminal 200 , the RACH preamble or sounding reference signal transmitted through the antenna beam A sounding reference signal may be received, and when an antenna beam transmitted from a base station is received, a reference signal transmitted through the antenna beam may be received.

이어, 도래각 추정장치(800)는 안테나 소자별 도출된 위상 정보를 이용하여 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출하고, 도출된 위상 차이를 이용하여 단말(200)이 위치한 방향에 대한 도래각을 추정한다. Next, the angle of arrival estimator 800 derives a phase difference for each pair of antenna elements using the phase information derived for each antenna element, and estimates the angle of arrival with respect to the direction in which the terminal 200 is located using the derived phase difference. .

즉, 도래각 추정장치(800)는 예를 들어 먼저, 제1 안테나 소자 쌍(400, 404)간 수신신호의 위상차이를 도출하고(S902), 도출된 위상차이를 이용하여 제1 추정 도래각을 도출한다(S904). 이때, 이러한 제1 추정 도래각은 제1 안테나 소자 쌍(400, 404)에 포함된 안테나 소자 #0(400)과 안테나 소자 #2(404)의 물리적 거리(d2)에 따라 도 5에서 보여지는 바와 같이 서로 다른 여러 개의 추정 도래각이 도출될 수 있다. That is, the angle of arrival estimator 800, for example, first derives a phase difference between the received signals between the first pair of antenna elements 400 and 404 ( S902 ), and uses the derived phase difference to obtain a first estimated angle of arrival. is derived (S904). At this time, the first estimated angle of arrival is shown in FIG. 5 according to the physical distance d 2 between the antenna element #0 ( 400 ) and the antenna element #2 ( 404 ) included in the first pair of antenna elements ( 400 , 404 ). As it is lost, several different estimated angles of arrival can be derived.

다음으로, 도래각 추정장치(800)는 제2 안테나 소자 쌍(400, 402)간 수신신호의 위상차이를 도출하고(S906), 도출된 위상차이를 이용하여 제2 추정 도래각을 도출한다(S908). 이때, 이러한 제2 추정 도래각은 제2 안테나 소자 쌍(400, 402)에 포함된 안테나 소자 #0(400)과 안테나 소자 #1(402)의 물리적 거리(d1)에 따라 도 6에서 보여지는 바와 같이 서로 다른 여러 개의 추정 도래각이 도출될 수 있다.Next, the angle of arrival estimator 800 derives a phase difference between the received signals between the second pair of antenna elements 400 and 402 ( S906 ), and derives a second estimated angle of arrival by using the derived phase difference ( S906 ). S908). At this time, this second estimated angle of arrival is shown in FIG. 6 according to the physical distance d 1 between the antenna element #0 ( 400 ) and the antenna element #1 ( 402 ) included in the second pair of antenna elements ( 400 and 402 ). As it is lost, several different estimated angles of arrival can be derived.

이때, 이러한 제1 안테나 소자 쌍(400, 404)을 이루는 안테나 소자 #0(400)과 안테나 소자 #2(404)의 물리적 거리(d2)와 제2 안테나 소자 쌍(400, 402)에 포함된 안테나 소자 #0(400)과 안테나 소자 #1(402)의 물리적 거리(d1)는 서로 다르게 설정되는 것이 바람직하며, 하나는 상대적으로 길게 설정되고, 다른 하나는 상대적으로 짧게 설정되도록 하는 것이 바람직하다. At this time, included in the physical distance d 2 and the second antenna element pair 400, 402 of the antenna element #0 (400) and the antenna element #2 (404) constituting the first antenna element pair (400, 404) The physical distance d 1 of the antenna element #0 400 and the antenna element #1 402 is preferably set differently, one is set to be relatively long, and the other is set to be relatively short. desirable.

이어, 도래각 추정장치(800)는 제1 추정 도래각과 제2 추정 도래각을 통해 도출된 도래각 조합에서 각도 값이 일치하는 하나의 도래각을 도출하여 단말(200)이 위치한 방향에 대한 실제 도래각으로 도출하게 된다(S910).Next, the angle of arrival estimator 800 derives one angle of arrival having the same angle value from the combination of the angles of arrival derived through the first estimated angle of arrival and the second estimated angle of arrival, and the actual direction in which the terminal 200 is located It is derived as the angle of arrival (S910).

즉, 도래각 추정장치(800)는 예를 들어 제1 안테나 소자 쌍(400, 404)에서 추정된 제1 추정 도래각이 도 5에서 보여지는 바와 같이, 90도, 49도, 30도, 14도, 0도, -14도, -30도, -49도, -90도 이고, 제2 안테나 소자 쌍(400, 402)에서 추정된 제2 추정 도래각이 도 6에서 보여지는 바와 같이, 30도, -19도 인 경우 두 안테나 소자 쌍에서 추정된 도래각의 조합에서 서로 일치하는 30도의 도래각을 단말이 위치한 방향에 대한 실제 도래각으로 도출하게 된다.That is, the angle-of-arrival estimator 800, for example, the first estimated angle of arrival estimated from the first pair of antenna elements 400 and 404 is 90 degrees, 49 degrees, 30 degrees, 14 degrees, as shown in FIG. degrees, 0 degrees, -14 degrees, -30 degrees, -49 degrees, -90 degrees, and the second estimated angle of arrival estimated at the second pair of antenna elements 400 and 402 is 30, as shown in FIG. 6 . In the case of degrees and -19 degrees, an angle of arrival of 30 degrees coincident with each other from the combination of the angles of arrival estimated from the two antenna element pairs is derived as the actual angle of arrival with respect to the direction in which the terminal is located.

이상에서 설명한 바와 같이 즉, 도래각 변화에 따른 위상차이의 변화는 안테나 소자간의 거리가 멀어질수록 심해지며, 이는 위상차이에서 잡음 등으로 인한 오차가 발생하더라도 추정되는 도래각의 편차가 작아져 정확한 각도 추정이 가능함을 의미한다. 따라서, 수신신호의 전계 크기 비교를 통해 도래각을 추정하는 방식에 비해 도래각 각도 추정의 정확도를 높일 수 있다.As described above, that is, the change in the phase difference according to the change in the angle of arrival becomes more severe as the distance between the antenna elements increases. This is because the deviation of the estimated angle of arrival becomes small even if an error occurs due to noise, etc. in the phase difference. This means that angle estimation is possible. Accordingly, the accuracy of estimating the angle of arrival can be improved compared to the method of estimating the angle of arrival by comparing the magnitude of the electric field of the received signal.

다음으로, 이하에서는 위와 같은 2가지 방식 중 제안방식 2로서, 안테나 빔이 구면파인 것을 가정하는 경우 안테나 수신 신호 위상 차이를 이용한 안테나 신호의 도래각을 추정하는 방법에 대해 설명하기로 한다.Next, a method of estimating an angle of arrival of an antenna signal using a phase difference of an antenna reception signal when it is assumed that the antenna beam is a spherical wave as proposed method 2 among the above two methods will be described below.

일반적으로 전자기파는 근거리에서는 실제로 평면 형태의 동위상면이 아닌, 도 2에서와 같이 구면 형태의 동위상면을 형성하게 된다.In general, electromagnetic waves form a spherical in-phase plane as shown in FIG. 2 , rather than a planar in-phase plane actually in a short distance.

이러한 구면 형태의 동위상면을 가지는 구면파에 대해서 안테나빔을 송신한 기지국 또는 단말의 도래각을 추정하기 위해서는 쌍곡선 방정식을 산출하는 것이 필요하다. In order to estimate the angle of arrival of a base station or a terminal that has transmitted an antenna beam with respect to a spherical wave having an in-phase plane of a spherical shape, it is necessary to calculate a hyperbolic equation.

도 10은 안테나 소자간 거리가 4파장인 경우, 경로의 차이가 0파장(위상차이 0), 1파장(위상차이 360도), 2파장(위상차이 720도), 3파장(위상차이 1080도)인 경우의 쌍곡선 궤적을 예시한 도면이다.10 shows that when the distance between antenna elements is 4 wavelengths, the path difference is 0 wavelength (phase difference 0), 1 wavelength (phase difference 360 degrees), 2 wavelengths (phase difference 720 degrees), 3 wavelengths (phase difference 1080 degrees) ) is a diagram illustrating a hyperbolic trajectory in the case of

도 11은 안테나 소자간 거리가 4파장이고, 도래각이 30도인 경우, 제안방식1(평면파를 가정한 경우)과 제안방식2(구면파를 가정한 경우)에 따른 추정 도래각의 차이를 예시한 도면이다.11 illustrates the difference between the estimated angles of arrival according to the proposed method 1 (assuming a plane wave) and the proposed method 2 (assuming a spherical wave) when the distance between antenna elements is 4 wavelengths and the angle of arrival is 30 degrees. It is a drawing.

위 도 10을 참조하면, 쌍곡선은 두 정점(-k, 0), (k, 0)으로부터의 거리차이 (2a, k>a>0)가 일정한 점의 궤적을 말하는 것으로, 아래의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 10 above, a hyperbola refers to a trajectory of a point in which the distance difference (2a, k>a>0) from two vertices (-k, 0) and (k, 0) is constant, and the following [Equation 5] can be expressed as

Figure 112015080448420-pat00016
Figure 112015080448420-pat00016

또한, 이러한 쌍곡선은 원점에서부터 멀어질수록, 즉 그래프상 x, y의 절대값이 커질수록 일정한 기울기를 갖는 직선인 점근선(1000)에 수렴하게 되며, 이때, 쌍곡선(1002)에서의 점근선 방정식은 아래의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.In addition, the hyperbola converges to the asymptote 1000, which is a straight line having a constant slope, as the distance from the origin increases, that is, as the absolute values of x and y on the graph increase, at this time, the asymptote equation in the hyperbola 1002 is It can be expressed as [Equation 6] of

Figure 112015080448420-pat00017
Figure 112015080448420-pat00017

이때, 위 [수학식 6]과 같이 산출되는 점근선(1000)이 앞서 설명한 제안방식 1을 통해 도출된 단말(200)의 추정 도래각을 기울기로 갖는 직선이 될 수 있다. 이에 따라, 제안방식 1의 추정 도래각과 점근선 방정식과의 관계는 아래 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.In this case, the asymptotic line 1000 calculated as shown in Equation 6 above may be a straight line having the estimated angle of arrival of the terminal 200 as a slope derived through the above-described proposed method 1 . Accordingly, the relationship between the estimated angle of arrival of the proposed method 1 and the asymptotic equation can be expressed as [Equation 7] below.

Figure 112015080448420-pat00018
Figure 112015080448420-pat00018

이때, 도 10과 도 11에서와 같이, 안테나면을 y=0에 형성하고, y>0 방향으로 송수신한다면, y<0에 해당하는 영역은 추정 영역에서 배제될 수 있다.At this time, as shown in FIGS. 10 and 11 , if the antenna plane is formed at y=0 and transmits and receives in the y>0 direction, the region corresponding to y<0 may be excluded from the estimation region.

제안방식 1을 통해 도출된 도래각이 음수인 경우 점근선은

Figure 112015080448420-pat00019
이 되고, 양수인 경우 점근선은
Figure 112015080448420-pat00020
이 될 수 있다.If the angle of arrival derived through Proposal 1 is negative, the asymptote is
Figure 112015080448420-pat00019
, and if positive, the asymptote is
Figure 112015080448420-pat00020
this can be

위상차이가 일정한 위치의 궤적은 제안방식 1을 이용하는 경우, 도 11에서 보여지는 바와 같이 점근선(1000) 상에 위치하여 도래각이 동일하나, 실제 전자기파의 동위상이 구면파 형태로 형성되므로, 동일한 위상 차이를 갖는 쌍곡선(1002)상에 위치하며, 이 경우 기지국과 단말 간의 거리에 따라 도래각이 달라진다. When Proposed Method 1 is used, the locus of a position with a constant phase difference is located on the asymptote 1000 and has the same angle of arrival as shown in FIG. 11. However, since the in-phase of the actual electromagnetic wave is formed in the form of a spherical wave, the same phase It is located on the hyperbola 1002 having a difference, and in this case, the angle of arrival varies according to the distance between the base station and the terminal.

따라서, 쌍곡선 방정식과 기지국과 단말 간의 거리 정보를 활용하면 보다 정확한 도래각 추정이 가능하다.Accordingly, by using the hyperbolic equation and distance information between the base station and the terminal, it is possible to more accurately estimate the angle of arrival.

이때, 기지국과 단말간 거리를 추정함에 있어서, 이동통신시스템의 경우, 앞서 언급한 바와 같이 동기화를 위해 단말에서 RACH 프리앰블 또는 사운딩 레퍼런스 신호를 송신한다. 이와 같은 신호의 송신 시 획득되는 정보 가운데 하나가 각 단말별로 송신된 상향링크 신호가 기지국 수신단에서 동시에 수신하기 위해 타이밍 어드번스(Timing Advance)(단말과 기지국간의 거리를 고려하여 단말에서의 송신시점을 제어)에 활용되는 전파 지연(Propagation Delay) 정보이다. 즉, 단말로부터 기지국까지 전파가 전달되는데 소요되는 시간이다. 이러한 전파 지연 정보를 활용하면 기지국과 단말 간의 거리를 추정할 수 있다. 기지국과 단말 간의 거리가 R이고 전파의 속도(빛의 속도) C, 추정된 전파 지연이 δt라고 하면, 기지국과 단말간 거리는 아래의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.In this case, in estimating the distance between the base station and the terminal, in the case of a mobile communication system, as described above, the terminal transmits a RACH preamble or a sounding reference signal for synchronization. One of the information acquired during the transmission of such a signal is a timing advance (Timing Advance) (a transmission time point in the terminal considering the distance between the terminal and the base station) so that the uplink signal transmitted for each terminal is simultaneously received by the base station receiving end. It is propagation delay information used for control). That is, it is the time required for radio waves to be transmitted from the terminal to the base station. Using this propagation delay information, the distance between the base station and the terminal can be estimated. If the distance between the base station and the terminal is R, the speed of propagation (the speed of light) C, and the estimated propagation delay is δt, the distance between the base station and the terminal can be expressed as [Equation 8] below.

Figure 112015080448420-pat00021
Figure 112015080448420-pat00021

즉, 도 11에서 보여지는 바와 같이, 제안방식 1에서 도출된 점근선(1000)의 기울기와 사전에 알려진 안테나 소자 간 거리를 이용하면 모호성이 제거된 상태에서 동일한 위상 차이를 갖는 위치의 궤적인 쌍곡선(1002) 방정식을 도출할 수 있다. 이어, 전파 지연을 활용한 단말과 기지국간 거리를 통해 원(1004) 방정식을 도출하면 기지국 입장에서의 단말의 상대적 위치 또는 단말 입장에서 기지국의 상대적 위치를 추정할 수 있다. 이때, 상대적 위치는 기지국 좌표계에서 단말의 위치 좌표(또는 단말 좌표계에서 기지국의 위치 좌표)를 의미하며 이를 통해 도래각을 구할 수 있다.That is, as shown in FIG. 11, if the slope of the asymptote 1000 derived from Proposed Method 1 and the distance between the antenna elements known in advance are used, the hyperbola ( 1002) can derive the equation. Next, if the circle 1004 equation is derived through the distance between the terminal and the base station using the propagation delay, the relative position of the terminal from the base station's perspective or the relative position of the base station from the terminal's point of view can be estimated. In this case, the relative position means the position coordinates of the terminal in the base station coordinate system (or the position coordinates of the base station in the terminal coordinate system), and the angle of arrival can be obtained through this.

도 12은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 신호 도래각 추정장치의 상세 블록 구성을 도시한 것으로, 안테나 소자(400, 402, 404), 위상 검출부(810, 812, 814), 평면파 도래각 추정부(820), 구면파 도래각 추정부(830), 거리 도출부(850) 등을 포함할 수 있다.12 is a detailed block diagram of an apparatus for estimating the angle of arrival of an antenna signal according to another embodiment of the present invention, wherein the antenna elements 400, 402, 404, the phase detectors 810, 812, and 814, and the plane wave angle of arrival weight are shown. It may include a government 820 , a spherical wave angle of arrival estimator 830 , a distance derivation unit 850 , and the like.

이하, 도 12를 참조하여 본 발명의 안테나 신호 도래각 추정장치(900)의 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the operation of each component of the antenna signal arrival angle estimation apparatus 900 of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 12 .

먼저, 안테나 소자(400, 402, 404)는 단말(200)로부터 전송되는 안테나빔을 수신한다. 이때, 안테나 소자(400, 402, 404)는 단말(200)로부터 전송되는 안테나빔을 수신하는 경우, 안테나빔을 통해 송신되는 RACH 프리앰블(Preamble) 또는 사운딩 레퍼런스 신호(sounding reference signal) 등을 수신할 수 있으며, 기지국으로부터 전송되는 안테나빔을 수신하는 경우, 안테나빔을 통해 송신되는 레퍼런스 신호(reference signal) 등을 수신할 수 있다.First, the antenna elements 400 , 402 , 404 receive an antenna beam transmitted from the terminal 200 . In this case, when receiving the antenna beam transmitted from the terminal 200 , the antenna elements 400 , 402 , 404 receive a RACH preamble or a sounding reference signal transmitted through the antenna beam. In the case of receiving the antenna beam transmitted from the base station, a reference signal transmitted through the antenna beam may be received.

위상 검출부(810, 812, 814)는 각 안테나 소자별 수신된 안테나 수신신호의 위상을 검출한다. 이때, 위상 검출부(810, 812, 814)는 각각의 안테나 소자(400, 402, 404)에 연결되어 안테나 소자(400, 402, 404)로 수신되는 안테나 수신신호의 위상을 검출한다. The phase detectors 810 , 812 , and 814 detect a phase of a received antenna signal for each antenna element. At this time, the phase detectors 810 , 812 , and 814 are connected to the respective antenna elements 400 , 402 , 404 to detect the phase of the antenna reception signal received by the antenna elements 400 , 402 , 404 .

거리 도출부(850)는 단말(200)로부터 송신된 전파에 대한 전파 지연을 측정하여 기지국과 단말간 거리를 도출한다. 즉, 거리 도출부(850)는 예를 들어 기지국과 단말간 거리가 R이고 전파의 속도(빛의 속도) C, 측정된 전파 지연이 δt라고 하는 경우, 이와 같이 측정된 전파 지연을 이용하여 위 [수학식 8]을 이용하여 기지국과 단말간 거리를 도출할 수 있다.The distance derivation unit 850 measures the propagation delay of the radio wave transmitted from the terminal 200 to derive the distance between the base station and the terminal. That is, the distance derivation unit 850, for example, when the distance between the base station and the terminal is R, the speed of propagation (speed of light) C, and the measured propagation delay is δt, using the propagation delay measured in this way The distance between the base station and the terminal can be derived using [Equation 8].

평면파 도래각 추정부(830)는 제안방식1에서 설명한 바와 같이 평면파를 가정한 상태에서 위상 검출부(810, 812, 814)로부터 검출되는 안테나 소자별 위상 정보를 이용하여 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출하고, 도출된 위상 차이를 이용하여 단말(200)이 위치한 방향에 대한 도래각을 추정한다. The plane wave arrival angle estimator 830 derives the phase difference for each pair of antenna elements by using the phase information for each antenna element detected from the phase detectors 810, 812, and 814 in a state that a plane wave is assumed as described in the proposal method 1. , an angle of arrival with respect to the direction in which the terminal 200 is located is estimated using the derived phase difference.

구면파 도래각 추정부(830)는 사전에 알려진 안테나 소자(400, 402, 404)간 이격거리(2k)와 제안방식1을 통해 도출된 단말(200)의 도래각 정보를 이용하여 쌍곡선(1002) 방정식의 a, b값을 산출한다. 이에 따라 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내는 쌍곡선(1002) 방정식을 산출할 수 있다.The spherical wave angle of arrival estimator 830 uses the known separation distance (2k) between the antenna elements 400, 402, 404 and the angle of arrival information of the terminal 200 derived through the proposed method 1 to generate a hyperbola 1002. Calculate the a and b values of the equation. Accordingly, the hyperbola 1002 equation representing the locus of the same phase difference for each antenna element can be calculated.

또한, 구면파 도래각 추정부(830)는 거리 도출부(850)로부터 도출된 기지국과 단말간 거리 정보와 위와 같이 산출된 쌍곡선 방정식을 이용하여 구면파를 가정한 상태에서 기지국 입장에서의 단말의 도래각을 추정하게 되며, 또한 이와 같이 추정된 도래각 정보와 거리 정보를 통해 단말(200)의 위치를 추정하게 된다.In addition, the spherical wave arrival angle estimation unit 830 uses the distance information between the base station and the terminal derived from the distance derivation unit 850 and the hyperbolic equation calculated as above, assuming a spherical wave, the arrival angle of the terminal from the base station's point of view. , and also the location of the terminal 200 is estimated through the estimated angle of arrival information and distance information.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 신호 도래각 추정장치(900)에서 구면파를 가정한 상태에서의 안테나 신호 도래각을 추정하는 동작 제어 흐름을 도시한 것이다. 이하, 도 10 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.FIG. 13 is a flowchart illustrating an operation control flow for estimating the angle of arrival of an antenna signal under the assumption of a spherical wave in the apparatus 900 for estimating the angle of arrival of an antenna signal according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 10 to 13 .

먼저, 도래각 추정장치(900)는 제안방식1에서 설명한 바와 같이 평면파를 가정한 상태에서 위상 검출부(810, 812, 814)로부터 검출되는 안테나 소자별 위상 정보를 이용하여 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출하고, 도출된 위상 차이를 이용하여 단말(200)이 위치한 방향에 대한 도래각을 추정한다(S1300). 이때, 평면파를 가정한 상태에서 도래각 추정방법에 대해서는 앞서서 도 9을 참조하여 자세히 설명한 바 있으므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.First, the angle of arrival estimator 900 derives the phase difference for each antenna element pair by using the phase information for each antenna element detected from the phase detectors 810 , 812 , and 814 under the assumption of a plane wave as described in Proposed Method 1 and an angle of arrival with respect to the direction in which the terminal 200 is located is estimated using the derived phase difference (S1300). In this case, since the method of estimating the angle of arrival on the assumption of a plane wave has been previously described in detail with reference to FIG. 9, a detailed description thereof will be omitted.

이어, 도래각 추정장치(900)는 사전에 알려진 안테나 소자간 이격거리(2k)와 제안방식1을 통해 도출된 단말(200)의 도래각 정보를 이용하여 쌍곡선(1002) 방정식의 a, b값을 산출한다(S1302). 이에 따라 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내는 쌍곡선(1002) 방정식을 산출할 수 있다.Next, the apparatus 900 for estimating the angle of arrival uses the known separation distance between antenna elements (2k) and the angle of arrival information of the terminal 200 derived through the proposed method 1 to calculate the a and b values of the hyperbola 1002 equation. is calculated (S1302). Accordingly, the hyperbola 1002 equation representing the locus of the same phase difference for each antenna element can be calculated.

이어, 도래각 추정장치(900)는 거리 도출부(850)를 통해 단말(200)로부터 송신된 전파에 대한 전파 지연을 측정하여 기지국과 단말간 거리를 도출한다(S1304). 이때, 거리 도출부(850)에서는 예를 들어 기지국과 단말간 거리가 R이고 전파의 속도(빛의 속도) C, 측정된 전파 지연이 δt라고 하는 경우, 이와 같이 측정된 전파 지연을 이용하여 위 [수학식 8]을 이용하여 기지국과 단말간 거리를 도출할 수 있다.Next, the angle-of-arrival estimator 900 measures the propagation delay of the radio wave transmitted from the terminal 200 through the distance derivation unit 850 to derive the distance between the base station and the terminal (S1304). At this time, in the distance derivation unit 850, for example, if the distance between the base station and the terminal is R, the speed of propagation (speed of light) C, and the measured propagation delay is δt, the above measured propagation delay is used The distance between the base station and the terminal can be derived using [Equation 8].

이어, 도래각 추정장치(900)는 거리 도출부(850)를 통해 도출된 기지국과 단말간 거리 정보와 위와 같이 산출된 쌍곡선 방정식을 이용하여 구면파를 가정한 상태에서 기지국 입장에서의 단말(200)의 도래각을 추정하게 되며, 또한 이와 같이 추정된 도래각 정보와 거리 정보를 통해 단말(200)의 위치를 추정하게 된다(S1306).Next, the angle-of-arrival estimator 900 assumes a spherical wave using the distance information between the base station and the terminal derived through the distance derivation unit 850 and the hyperbolic equation calculated as above, the terminal 200 in the position of the base station. is estimated, and the location of the terminal 200 is estimated based on the estimated angle of arrival information and distance information (S1306).

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고주파 대역 기반 무선통신에서의 도래각 추정에 있어서, 안테나 소자별 위상 차이를 이용하여 평면파를 가정한 상태에서의 안테나 신호의 도래각을 추정하고, 추정된 도래각과 안테나 소자간 이격 거리를 이용하여 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내는 쌍곡선 방정식을 산출한 후, 쌍곡선 방정식과 기지국 또는 단말까지의 거리 정보를 조합하여 구면파를 가정한 상태에서의 안테나 신호의 도래각을 보다 정확히 추정함으로써 기지국과 단말간 최적의 무선 링크를 생성할 수 있도록 한다.As described above, according to the present invention, in estimating the angle of arrival in high-frequency band-based wireless communication, the angle of arrival of the antenna signal is estimated using the phase difference for each antenna element, assuming a plane wave, and the estimated arrival angle is estimated. After calculating the hyperbolic equation representing the locus of the same phase difference for each antenna element using the separation distance between the angle and the antenna element, the arrival of the antenna signal under the assumption of a spherical wave by combining the hyperbolic equation and distance information to the base station or terminal By estimating the angle more accurately, it is possible to generate an optimal radio link between the base station and the terminal.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의상 기지국 입장에서 단말에 대한 도래각을 추정하는 것을 예를 들어 설명하였으나, 단말 입장에서 기지국의 도래각을 추정하는 경우에도 동일하게 적용이 가능하다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
Meanwhile, in the above description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. That is, in the embodiment of the present invention, estimating the angle of arrival with respect to the terminal from the viewpoint of the base station has been described as an example for convenience of description, but the same can be applied to the case of estimating the angle of arrival of the base station from the viewpoint of the terminal. Therefore, the scope of the invention should not be determined by the described embodiments, but should be determined by the claims.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 5G와 같은 고주파 대역 이동통신 시스템에서 기지국과 단말간 최적의 무선 링크를 생성/유지할 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, it is possible to create/maintain an optimal radio link between a base station and a terminal in a high-frequency band mobile communication system such as 5G.

400 : 안테나 소자 810 : 위상 검출부
820 : 평면파 도래각 추정부 830 : 구면파 도래각 추정부
850 : 거리 도출부400: antenna element 810: phase detection unit
820: plane wave arrival angle estimation unit 830: spherical wave arrival angle estimation unit
850: distance derivation unit

Claims (6)

액티브 안테나 시스템에서 안테나 패턴을 수신하는 안테나 신호 도래각 추정장치에 있어서,
상기 액티브 안테나 시스템의 송신 장치로부터 송신되는 근전계 패턴의 안테나 신호를 수신하되, 적어도 일부가 송수신 기능을 수행하지 않을 수 있는 복수의 안테나 소자와,
각각의 안테나 소자에서 수신되는 각각의 안테나 신호의 위상을 검출하는 위상 검출부와,
상기 안테나 소자별 위상 차이를 이용하여 상기 안테나 신호의 제1 도래각을 추정하는 평면파 도래각 추정부와,
전파지연 측정을 통해 상기 안테나 신호 도래각 추정장치로부터 상기 송신 장치까지의 거리를 도출하는 거리 도출부와,
상기 평면파 도래각 추정부에서 추정된 제1 도래각과 상기 안테나 소자간 이격거리를 이용하여 상기 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내며, 상기 추정된 제1 도래각의 크기를 점근선의 기울기로 한 쌍곡선 방정식을 산출하고, 상기 쌍곡선 방정식과 상기 안테나 신호 도래각 추정장치로부터 상기 송신 장치까지의 거리를 이용하여 상기 안테나 신호의 제2 도래각을 추정하는 구면파 도래각 추정부를 포함하며,
상기 평면파 도래각 추정부는,
2개의 안테나 소자로 구성되는 복수의 안테나 소자 쌍을 설정한 후, 상기 안테나 소자별 검출된 위상 정보를 이용하여 상기 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출하고, 각각의 안테나 소자 쌍별 도출된 위상 차이를 이용하여 상기 안테나 신호에 대한 적어도 하나 이상의 추정 도래각들을 도출한 후, 상기 추정 도래각들 중 각도 값이 서로 일치하는 추정 도래각을 상기 제1 도래각으로 추정하는 것을 특징으로 하는
안테나 신호 도래각 추정장치.An antenna signal arrival angle estimation apparatus for receiving an antenna pattern in an active antenna system, the apparatus comprising:
A plurality of antenna elements that receive the antenna signal of the near field pattern transmitted from the transmitting device of the active antenna system, at least some of which may not perform a transmission/reception function;
a phase detector for detecting the phase of each antenna signal received from each antenna element;
a plane wave angle of arrival estimator for estimating a first angle of arrival of the antenna signal using the phase difference for each antenna element;
a distance derivation unit for deriving a distance from the antenna signal arrival angle estimator to the transmitter through propagation delay measurement;
Using the first angle of arrival estimated by the plane wave angle of arrival estimator and the separation distance between the antenna elements, the trajectory of the same phase difference for each antenna element is indicated, and the magnitude of the estimated first angle of arrival is a hyperbola with the slope of an asymptote. a spherical wave angle of arrival estimator for calculating an equation and estimating a second angle of arrival of the antenna signal using the hyperbolic equation and the distance from the antenna signal angle of arrival estimator to the transmitter;
The plane wave arrival angle estimation unit,
After setting a plurality of antenna element pairs composed of two antenna elements, a phase difference for each antenna element pair is derived using the detected phase information for each antenna element, and a phase difference derived for each antenna element pair is used. After deriving at least one or more estimated angles of arrival with respect to the antenna signal, estimated angles of arrival having identical angular values among the estimated angles of arrival are estimated as the first angle of arrival
Antenna signal angle of arrival estimation device. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 제1 도래각은 상기 안테나 신호가 평면파인 것을 가정하여 추정되며, 상기 제2 도래각은 상기 안테나 신호가 구면파인 것을 가정하여 추정되는 것을 특징으로 하는
안테나 신호 도래각 추정장치.The method of claim 1,
The first angle of arrival is estimated assuming that the antenna signal is a plane wave, and the second angle of arrival is estimated assuming that the antenna signal is a spherical wave.
Antenna signal angle of arrival estimation device. 액티브 안테나 시스템에서 안테나 패턴을 수신하는 안테나 신호 도래각 추정장치에서 수행되는 안테나 신호 도래각 추정방법에 있어서,
적어도 일부가 송수신 기능을 수행하지 않을 수 있는 복수의 안테나 소자에서 상기 액티브 안테나 시스템의 송신 장치로부터 송신되는 근전계 패턴의 안테나 신호를 수신하는 단계와,
각각의 안테나 소자에서 수신되는 각각의 안테나 신호의 위상을 검출하는 단계와,
상기 안테나 소자별 위상 차이를 이용하여 상기 안테나 신호의 제1 도래각을 추정하는 단계와,
전파지연 측정을 통해 상기 안테나 신호 도래각 추정장치로부터 상기 송신 장치까지의 거리를 도출하는 단계와,
상기 제1 도래각과 상기 안테나 소자간 이격거리를 이용하여 상기 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내며, 상기 추정된 제1 도래각의 크기를 점근선의 기울기로 한 쌍곡선 방정식을 산출하는 단계와,
상기 쌍곡선 방정식과 상기 안테나 신호 도래각 추정장치로부터 상기 송신 장치 까지의 거리를 이용하여 상기 안테나 신호의 제2 도래각을 추정하는 단계를 포함하며,
상기 제1 도래각을 추정하는 단계는,
2개의 안테나 소자로 구성되는 복수의 안테나 소자 쌍을 설정한 후, 상기 안테나 소자별 검출된 위상 정보를 이용하여 상기 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출하고, 각각의 안테나 소자 쌍별 도출된 위상 차이를 이용하여 상기 안테나 신호에 대한 적어도 하나 이상의 추정 도래각들을 도출한 후, 상기 추정 도래각들 중 각도 값이 서로 일치하는 추정 도래각을 상기 제1 도래각으로 추정하는 것을 특징으로 하는
안테나 신호 도래각 추정방법.A method for estimating the angle of arrival of an antenna signal performed by an antenna signal angle of arrival estimator for receiving an antenna pattern in an active antenna system, the method comprising:
Receiving an antenna signal of a near-field pattern transmitted from a transmitting device of the active antenna system in a plurality of antenna elements, at least some of which may not perform a transmission/reception function;
detecting the phase of each antenna signal received at each antenna element;
estimating a first angle of arrival of the antenna signal using the phase difference for each antenna element;
deriving a distance from the antenna signal arrival angle estimation device to the transmitting device through propagation delay measurement;
Calculating a hyperbolic equation in which the first angle of arrival and the separation distance between the antenna elements are used to represent the locus of the same phase difference for each antenna element, and the magnitude of the estimated first angle of arrival is the slope of an asymptote;
estimating the second angle of arrival of the antenna signal using the hyperbolic equation and the distance from the antenna signal angle of arrival estimator to the transmitter;
estimating the first angle of arrival,
After setting a plurality of antenna element pairs composed of two antenna elements, a phase difference for each antenna element pair is derived using the detected phase information for each antenna element, and a phase difference derived for each antenna element pair is used. After deriving at least one or more estimated angles of arrival with respect to the antenna signal, estimated angles of arrival having identical angular values among the estimated angles of arrival are estimated as the first angle of arrival
Antenna signal arrival angle estimation method. 액티브 안테나 시스템에서 안테나 패턴을 수신하는 안테나 신호 도래각 추정장치에 있어서,
상기 액티브 안테나 시스템의 송신 장치로부터 송신되는 근전계 패턴의 안테나 신호를 수신하되, 적어도 일부가 송수신 기능을 수행하지 않을 수 있는 복수의 안테나 소자와,
각각의 안테나 소자에서 수신되는 각각의 안테나 신호의 위상을 검출하는 위상 검출부와,
2개의 안테나 소자로 구성되는 복수의 안테나 소자 쌍을 설정한 후, 상기 안테나 소자별 검출된 위상 정보를 이용하여 상기 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출하고, 각각의 안테나 소자 쌍별 도출된 위상 차이를 이용하여 상기 안테나 신호에 대해 적어도 하나 이상의 추정 도래각들을 도출한 후, 상기 추정 도래각들 중 각도 값이 서로 일치하는 추정 도래각을 상기 안테나 신호의 제1 도래각으로 추정하고, 상기 추정된 제1 도래각과 상기 안테나 소자간 이격거리를 이용하여 상기 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내며, 상기 추정된 제1 도래각의 크기를 점근선의 기울기로 한 쌍곡선 방정식을 산출하고, 상기 쌍곡선 방정식과 전파지연 측정을 통해 도출된 상기 안테나 신호 도래각 추정장치로부터 상기 송신 장치까지의 거리를 이용하여 상기 안테나 신호의 제2 도래각을 추정하는 도래각 추정부
를 포함하는 안테나 신호 도래각 추정장치.An antenna signal arrival angle estimation apparatus for receiving an antenna pattern in an active antenna system, the apparatus comprising:
A plurality of antenna elements that receive the antenna signal of the near field pattern transmitted from the transmitting device of the active antenna system, at least some of which may not perform a transmission/reception function;
a phase detector for detecting the phase of each antenna signal received from each antenna element;
After setting a plurality of antenna element pairs composed of two antenna elements, a phase difference for each antenna element pair is derived using the detected phase information for each antenna element, and a phase difference derived for each antenna element pair is used. After deriving at least one or more estimated angles of arrival with respect to the antenna signal, an estimated angle of arrival having the same angle values among the estimated angles of arrival is estimated as a first angle of arrival of the antenna signal, and the estimated first angle of arrival The locus of the same phase difference for each antenna element is expressed using the distance between the angle and the antenna element, and a hyperbola equation is calculated in which the estimated first angle of arrival is the slope of the asymptote, and the hyperbola equation and propagation delay are measured. An angle of arrival estimator for estimating a second angle of arrival of the antenna signal using the distance from the apparatus for estimating the angle of arrival of the antenna signal derived through
Antenna signal arrival angle estimation device comprising a. 액티브 안테나 시스템에서 안테나 패턴을 수신하는 안테나 신호 도래각 추정장치에서 수행되는 안테나 신호 도래각 추정방법에 있어서,
적어도 일부가 송수신 기능을 수행하지 않을 수 있는 복수의 안테나 소자에서 상기 액티브 안테나 시스템의 송신 장치로부터 송신되는 근전계 패턴의 안테나 신호를 수신하는 단계와,
각각의 안테나 소자에서 수신되는 각각의 안테나 신호의 위상을 검출하는 단계와,
2개의 안테나 소자로 구성되는 복수의 안테나 소자 쌍을 설정하는 단계와,
상기 안테나 소자별 검출된 위상 정보를 이용하여 상기 안테나 소자 쌍별 위상 차이를 도출하는 단계와,
각각의 안테나 소자 쌍별 도출된 위상 차이를 이용하여 상기 안테나 신호에 대한 적어도 하나 이상의 추정 도래각들을 도출하는 단계와,
상기 추정 도래각들 중 각도 값이 서로 일치하는 추정 도래각을 상기 안테나 신호의 제1 도래각으로 추정하는 단계와,
상기 추정된 제1 도래각과 상기 안테나 소자간 이격거리를 이용하여 상기 안테나 소자별 동일한 위상차이의 궤적을 나타내며, 상기 추정된 제1 도래각의 크기를 점근선의 기울기로 한 쌍곡선 방정식을 산출하고, 상기 쌍곡선 방정식과 전파지연 측정을 통해 도출된 상기 안테나 신호 도래각 추정장치로부터 상기 송신 장치까지의 거리를 이용하여 상기 안테나 신호의 제2 도래각을 추정하는 단계
를 포함하는 안테나 신호 도래각 추정방법.A method for estimating the angle of arrival of an antenna signal performed by an antenna signal angle of arrival estimator for receiving an antenna pattern in an active antenna system, the method comprising:
Receiving an antenna signal of a near-field pattern transmitted from a transmitting device of the active antenna system in a plurality of antenna elements, at least some of which may not perform a transmission/reception function;
detecting the phase of each antenna signal received at each antenna element;
Setting up a plurality of antenna element pairs consisting of two antenna elements;
deriving a phase difference for each pair of antenna elements using the detected phase information for each antenna element;
deriving at least one estimated angle of arrival for the antenna signal by using the phase difference derived for each pair of antenna elements;
estimating, as a first angle of arrival of the antenna signal, an estimated angle of arrival having the same angle values among the estimated angles of arrival;
Using the estimated first angle of arrival and the separation distance between the antenna elements, a locus of the same phase difference for each antenna element is represented, and a hyperbolic equation is calculated in which the estimated first angle of arrival is the slope of an asymptote, and estimating the second angle of arrival of the antenna signal using a distance from the apparatus for estimating the angle of arrival of the antenna signal derived through a hyperbolic equation and measurement of propagation delay to the transmitter
Antenna signal arrival angle estimation method comprising a.
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