KR20000008276A

KR20000008276A - 액티브 안테나를 적용한 씨디엠에이 방식의 이동통신 시스템의기지국 장치

Info

Publication number: KR20000008276A
Application number: KR1019980028010A
Authority: KR
Inventors: 오치욱; 박홍준
Original assignee: 김영환; 현대전자산업 주식회사
Priority date: 1998-07-11
Filing date: 1998-07-11
Publication date: 2000-02-07

Abstract

본 발명은 송수신 증폭기가 내장된 액티브 안테나를 적용하여 CDMA 방식의 DCS/PCS 등의 이동통신 시스템의 기지국 장치를 구현할 수 있도록 한 액티브 안테나를 적용한 CDMA 방식의 이동통신 시스템의 기지국 장치에 관한 것으로, 송수신 증폭기가 내장된 액티브 안테나를 적용한 후, 기지국 장치내 변조부에서 CDMA 변조된 4.95MHz의 중간 주파수 신호를 가입자 단말기로 전송하기 위한 주파수 신호로 상향변환하고, 이 주파수 상향변환된 CDMA 순방향 채널신호에 직류 전원을 결합하여 알파, 베타, 감마 섹터별 채널신호에 대한 빔 형성신호를 전송하며, 이 빔 형성신호를 일정 레벨 증폭하고 스퓨리어스를 제거한 후 송신 안테나를 통해 30˚의 빔폭을 갖는 빔으로 공간에 복사함으로써 가입자 단말기에 전송하도록 하고, 가입자 단말기로부터 전송된 CDMA 역방향 채널신호를 수신 안테나를 통해 수신하여 해당 주파수 대역만을 여파하고 일정 레벨 증폭한 후, 알파, 베타, 감마 섹터별 CDMA 역방향 채널신호로 변환하고, 다시 4.95MHz의 중간 주파수 신호로 변환하여 기지국 장치내 복조부로 전송하도록 함을 특징으로 하며, 이와 같이 기존의 고전력 증폭기나 저잡음 증폭기가 필요치 않게 되어 전체 기지국 시스템이 단순해지고 비용이 절감되는 효과가 있으며, 전파영역을 30˚씩 12섹터로 관장함에 따라 보다 증가된 섹터화 이득을 기대하여 가입자 수용 용량을 증대시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

액티브 안테나를 적용한 씨디엠에이 방식의 이동통신 시스템의 기지국 장치

본 발명은 송수신 증폭기가 내장된 옥외용 액티브 안테나(Active Antenna)를 적용하여 코드 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access ; 이하, 'CDMA'라 칭함) 방식의 디지털 셀룰러 시스템(Digital Cellular System ; 이하, 'DCS'라 칭함) 또는 개인 휴대통신 시스템(Personal Communication System ; 이하, 'PCS'라 칭함) 등의 이동통신 시스템의 기지국 장치를 구현할 수 있도록 한 액티브 안테나를 적용한 CDMA 방식의 이동통신 시스템의 기지국 장치에 관한 것이다.

종래의 CDMA 방식의 DCS 또는 PCS 등의 이동통신 시스템의 기지국 장치는 옥외에 전방향성 안테나 또는 섹터(Sector) 안테나를 설치하고, 옥내의 안테나 송신단에 송신용 고전력 증폭기(High Power Amplifier ; HPA)를, 안테나 수신단에 수신용 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier ; LNA)를 각각 연결 설치한 구조로 되어 있다.

상기와 같이 종래에는 기지국 장치에서 전방향성 안테나 또는 섹터 안테나를 적용함에 따라 옥외 안테나와 옥내 장비의 거리가 멀어지면 멀어질수록 케이블 손실이 커져 고전력 증폭기와 저잡음 증폭기를 필수적으로 옥내에 설치해야 한다.

상기와 같이 고전력 증폭기와 저잡음 증폭기를 필수적으로 구비해야 함에 따라 시스템 전체의 구조가 복잡해지게 됨은 물론 경제적인 손실을 초래하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 그 목적은 종래 옥외에 설치하던 안테나 대신 송수신 증폭기가 내장된 옥외용 액티브 안테나를 적용하여 옥내용 고전력 증폭기와 저잡음 증폭기를 필요로 하지 않고, 이에 따라 시스템 전체의 구조를 단순화시킴은 물론 소요 비용을 절감하며, 액티브 안테나의 수평 배열에 따른 멀티 빔의 생성으로 증가된 섹터화 이득을 통해 가입자 수용용량을 증대시킬 수 있도록 한 액티브 안테나를 적용한 CDMA 방식의 이동통신 시스템의 기지국 장치를 제공하는 데에 있다.

도 1은 본 발명에 의한 액티브 안테나를 적용한 씨디엠에이 방식의 이동통신 시스템의 기지국 장치의 블록 구성도,

도 2는 도 1의 IDU의 상세 구성을 보인 도면,

도 3은 도 1의 ARM의 상세 구성을 보인 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 트랜시버 유닛 20 : IDU

21 : 전원장치 22∼24 : 제1∼제3 바이어스 T

30 : 송신 버틀러 메트릭스부 40 : 수신 버틀러 메트릭스부

51∼54 : 제1∼제4 ARM 55 : 더미 로드

61 : 송신 증폭기 62 : 송신 대역통과여파기

63 : 송신 안테나 64 : 수신 안테나

65 : 수신 대역통과여파기 66 : 수신 증폭기

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액티브 안테나를 적용한 CDMA 방식의 이동통신 시스템의 기지국 장치는, 송수신 증폭기가 내장된 액티브 안테나를 적용한 후, 기지국 장치내 변조부에서 CDMA 변조된 4.95MHz의 중간 주파수 신호를 가입자 단말기로 전송하기 위한 주파수 신호로 상향변환하고, 이 주파수 상향변환된 CDMA 순방향 채널신호에 직류 전원을 결합하여 알파, 베타, 감마 섹터별 채널신호에 대한 빔 형성신호를 전송하며, 이 빔 형성신호를 일정 레벨 증폭하고 스퓨리어스를 제거한 후 송신 안테나를 통해 30˚의 빔폭을 갖는 빔으로 공간에 복사함으로써 가입자 단말기에 전송하도록 하고, 가입자 단말기로부터 전송된 CDMA 역방향 채널신호를 수신 안테나를 통해 수신하여 해당 주파수 대역만을 여파하고 일정 레벨 증폭한 후, 알파, 베타, 감마 섹터별 CDMA 역방향 채널신호로 변환하고, 다시 4.95MHz의 중간 주파수 신호로 변환하여 기지국 장치내 복조부로 전송하도록 함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 액티브 안테나를 적용한 CDMA 방식의 이동통신 시스템의 기지국 장치의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 액티브 안테나를 적용한 CDMA 방식의 이동통신 시스템의 기지국 장치의 블록 구성도로서, 옥내에 구성되는 업/다운 컨버터(Up/Down Converter)로, 기지국 장치내 변조부(도시하지 않음)에서 CDMA 변조된 4.95MHz의 중간 주파수 신호를 가입자 단말기로 전송하기 위한 주파수 신호로 상향변환하거나, 수신되는 무선주파수 신호를 4.95MHz의 중간 주파수 신호로 하향변환하여 기지국 장치내 복조부(도시하지 않음)로 전송하는 트랜시버 유닛(Transceiver Unit)(10)과, 상기 트랜시버 유닛(10)에서 상향변환되어 전송되는 CDMA 순방향 채널신호에 직류(DC) 전원을 부가하여 전송하거나, 수신되는 CDMA 역방향 채널신호를 그대로 상기 트랜시버 유닛(10)으로 전송하는 IDU(InDoor Unit)(20)와, 상기 트랜시버 유닛(10)에서 전송되는 알파(α), 베타(β), 감마(γ) 섹터별 3개의 CDMA 순방향 채널신호에 위상차이를 주어 빔 형성신호(Beam Forming Signal)를 전송하는 송신 버틀러 메트릭스부(Tx Butler Matrix)(30)와, 수신되는 무선신호를 알파, 베타, 감마 섹터별 CDMA 역방향 채널신호로 변환하여 상기 IDU(20)로 전송하는 수신 버틀러 메트릭스부(Rx Butler Matrix)(40)와, 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)에서 전송되는 빔 형성신호를 증폭하여 하나의 섹터에 해당하는 CDMA 순방향 채널신호를 30˚의 폭을 갖는 빔으로 공간상에 복사하거나, 가입자 단말기의 무선신호를 수신하여 상기 수신 버틀러 메트릭스부(40)로 전송하는 제1∼제4 ARM(Active Radiator Module)(51∼54)과, 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)와 수신 버틀러 메트릭스부(40)에서의 알파, 베타, 감마 섹터별 채널신호 전송을 위한 입출력단자를 제외한 나머지 하나의 입출력 단자를 종단 처리하기 위한 더미 로드(Dummy Load)(55)로 구성된다.

도 2는 도 1의 IDU(20)의 상세 구성도로서, 외부에서 받은 교류 전원을 상기 제1∼제4 ARM(51∼54)의 입력 조건을 만족하는 직류 전원으로 변환하여 공급하는 전원장치(21)와, 상기 트랜시버 유닛(10)에서 전송되는 CDMA 순방향 채널신호에 상기 전원장치(21)에서 공급되는 직류 전원을 결합하여 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)로 전송하거나, 상기 수신 버틀러 메트릭스부(40)에서 전송되는 CDMA 역방향 채널신호를 그대로 상기 트랜시버 유닛(10)으로 전송하는 제1∼제3 바이어스(Bias) T(22∼24)로 구성된다.

도 3은 도 1의 제1∼제4 ARM(51∼54)의 상세 구성도로서, 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)에서 전송되는 CDMA 순방향 채널신호에 대한 빔 형성신호의 전력을 일정 레벨 증폭하는 송신 증폭기(61)와, 상기 송신 증폭기(61)에서 증폭된 빔 형성신호의 스퓨리어스(Spurious) 성분을 제거하는 송신 대역통과여파기(62)와, 상기 송신 대역통과여파기(62)에서 스퓨리어스 성분이 제거된 빔 형성신호를 정해진 빔폭과 지향각을 갖는 빔으로 공간상에 복사하는 송신 안테나(63)와, 가입자 단말기에서 전송되는 무선신호를 수신하는 수신 안테나(64)와, 상기 수신 안테나(64)에서 수신한 무선신호에 대해 수신 증폭기의 입력 조건에 맞는 주파수 대역만을 여파하는 수신 대역통과여파기(65)와, 상기 수신 대역통과여파기(65)에서 여파된 무선신호의 전력을 일정 레벨 증폭하여 상기 수신 버틀러 메트릭스부(40)로 전송하는 수신 증폭기(66)로 구성된다.

상기 제1∼제4 ARM(51∼54)은 수평으로 4개의 액티브 안테나가 배열되는 배열 안테나로 동작하여 30˚의 빔폭을 갖는 단일 빔 3개와 같은 복사 패턴을 형성한다.

상기와 같이 구성된 기지국 장치중 트랜시버 유닛(10)과 IDU(20)는 옥내에 설치되는 장비이고, 나머지 구성은 옥외에 설치되는 장비이다.

그리고, 상기와 같이 구성된 기지국 장치는 알파, 베타, 감마의 3-섹터를 기준으로 하여 구현된 장치이다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에서의 액티브 안테나란 기존 안테나의 성능을 향상시키기 위해 능동 소자(active element)를 내장한 안테나를 말하며, 이러한 액티브 안테나 입력단에 버틀러 매트릭스와 같은 빔 형성장치(Beam Forming Network)를 구현하고, 이 빔 형성장치를 거친 여러개의 송신 채널신호를 입력하여 멀티 빔을 형성할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 기지국 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 기지국 장치에서 가입자 단말기로 CDMA 순방향 채널신호를 전송하는 경우를 설명하면, 트랜시버 유닛(10)에서는 기지국 장치내 변조부에서 CDMA 변조된 4.95MHz의 중간 주파수 신호를 서비스 가입자 단말기로 전송하기 위한 주파수 신호로 상향변환한다.

이때, DCS의 경우에는 869~894MHz, PCS의 경우에는 1840~1870MHz로 각각 4.95MHz의 중간 주파수 신호를 상향변환하게 된다.

이어, IDU(20)의 제1∼제3 바이어스 T(22∼24)에서는 상기 트랜시버 유닛(10)에서 전송되는 각각의 알파, 베타, 감마 섹터에 해당하는 CDMA 순방향 채널신호 Tx1, Tx2, Tx3에 전원장치(21)에서 공급되는 직류 전원을 결합하여 송신 버틀러 메트릭스부(30)로 전송한다.

즉, 상기 IDU(20)는 송신 경로상에서 알파, 베타, 감마 섹터로 구분되어 있는 순방향 채널신호에 제1∼제4 ARM(51∼54)이 필요한 직류전원을 결합시켜주는 역할을 수행한다.

이후, 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)에서는 상기 IDU(20)의 제1∼제3 바이어스 T(22∼24)에서 전송되는 알파, 베타, 감마 섹터의 CDMA 순방향 채널신호에 대해 위상차이를 주어 3개의 CDMA 순방향 채널신호에 대한 각각의 빔 형성신호를 제1∼제4 ARM(51∼54)으로 전송한다.

상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)는 입출력 단자가 각각 4개로 4×4 버틀러 메트릭스라고도 하며, 이때 입력단자 3개는 알파, 베타, 감마 섹터별 CDMA 순방향 채널신호를 수신하고, 나머지 1개의 입력단자는 더미 로드(55)로 종단 처리(Termination)한다.

즉, 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)는 입력단자에 입력되는 신호의 수와 관계없이 모든 출력단자를 통해 3개의 CDMA 순방향 채널신호에 대한 각각의 빔 형성신호를 상기 제1∼제4 ARM(51∼54)로 출력한다.

이어, 상기 제1∼제4 ARM(51∼54)내 송신 증폭기(61)에서는 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)에서 전송된 CDMA 순방향 채널신호에 대한 빔 형성신호의 전력을 일정 레벨 증폭하고, 송신 대역통과여파기(62)를 통해 송신 증폭기(61)에서 증폭된 빔 형성신호의 스퓨리어스 성분을 제거하며, 마지막으로 송신 안테나(63)를 통해 송신 대역통과여파기(62)에서 스퓨리어스 성분이 제거된 하나의 빔 형성신호를 30˚의 빔폭과 지향각으로 공간상에 복사하여(Radiation) 가입자 단말기측으로 전송하도록 한다.

즉, 송신 안테나(63)를 통해 알파, 베타, 감마 섹터에 해당하는 빔 형성신호가 각각 30˚의 빔폭, 즉 총 90˚의 빔폭을 갖는 빔으로 공간상에 복사되게 된다.

이때, 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)의 빔 형성신호에 의해 상기 제1∼제4 ARM(51∼54)에서 복사되는 빔폭은 상기 제1∼제4 ARM(51∼54)의 복사 패턴과 배열된 제1∼제4 ARM(51∼54)의 수에 따라 결정되며, 각 빔의 지향각은 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)에서 정해진다.

다음으로, 가입자 단말기에서 기지국 장치로 CDMA 역방향 채널신호를 전송하는 경우를 설명하면, 제1∼제4 ARM(51∼54)에서는 수신 안테나(64)를 통해 가입자 단말기로부터 무선신호를 수신하고, 수신 대역통과여파기(65)에서 무선신호에 대해 수신 증폭기(66)의 입력 조건에 맞는 주파수 대역만을 여파시킨 후, 수신 증폭기(66)를 통해 수신 대역통과여파기(65)에서 여파된 무선신호의 전력을 일정 레벨 증폭하여 상기 수신 버틀러 메트릭스부(40)로 전송한다.

이어, 4×4 버틀러 메트릭스가 사용되고, 1개의 출력단자가 더미 로드(55)에 연결된 상기 수신 버틀러 메트릭스부(40)에서는 상기 제1∼제4 ARM(51∼54)내 수신 증폭기(66)를 통해 전송되는 무선신호를 알파, 베타, 감마 섹터별 CDMA 역방향 채널신호로 변환하여 IDU(20)로 전송한다.

이후, 상기 IDU(20)에서는 전원장치(21) 및 제1∼제3 바이어스 T(22∼24)의 동작과는 상관없이 상기 수신 버틀러 메트릭스부(40)에서 전송되는 CDMA 역방향 채널신호를 그대로 트랜시버 유닛(10)으로 전송한다.

이에 따라, 상기 트랜시버 유닛(10)은 상기 IDU(20)에서 전송되는 CDMA 역방향 채널신호, 즉 DCS인 경우 824∼849MHz, PCS인 경우 1750∼1780MHz인 신호를4.95MHz의 중간 주파수로 변환하여 기지국 장치내 복조부로 전송하도록 한다.

본 발명의 액티브 안테나의 복사 패턴은 30˚의 빔폭을 갖는 단일 빔 3개로 구성되어 총 90˚의 전파영역(Coverage)을 갖는 반면에, 종래의 섹터 안테나는 총 360˚의 전파영역을 알파, 베타, 감마 섹터로 3등분한 120˚의 전파영역을 갖는다.

이에 따라, 본 발명에서는 상기 제1∼제4 ARM(51∼54)의 4개 송수신 안테나를 통해 360˚를 커버할 수 있고, 결국 총 360˚의 전파영역을 12섹터로 구분하여 CDMA 채널을 송수신하므로 종래 섹터 안테나를 적용한 CDMA 시스템에 비해 증가된 섹터화 이득을 기대할 수가 있게 된다.

이상, 상기 설명에서와 같이 본 발명은 송수신 증폭기가 내장된 액티브 안테나를 기지국 장치에 적용함에 따라 종래 기지국 옥내에 설치하던 고전력 증폭기나 저잡음 증폭기가 필요치 않게 되어 전체 기지국 시스템이 단순해지고 비용이 절감되는 효과가 있으며, 전파영역을 30˚씩 12섹터로 관장함에 따라 보다 증가된 섹터화 이득을 기대하여 가입자 수용 용량을 증대시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims

알파, 베타, 감마의 3-섹터를 기준으로 하여 구현된 DCS 또는 PCS 등의 이동통신 시스템의 기지국 장치에 있어서,

기지국 장치내 변조부에서 CDMA 변조된 중간 주파수 신호를 가입자 단말기로 전송하기 위한 주파수 신호로 상향변환하거나, 수신되는 무선주파수 신호를 중간 주파수 신호로 하향변환하여 기지국 장치내 복조부로 전송하는 트랜시버 유닛(10)과, 상기 트랜시버 유닛(10)에서 상향변환되어 전송되는 CDMA 순방향 채널신호에 직류 전원을 부가하여 전송하거나, 수신되는 CDMA 역방향 채널신호를 그대로 상기 트랜시버 유닛(10)으로 전송하는 IDU(20)와, 상기 트랜시버 유닛(10)에서 전송되는 알파, 베타, 감마 섹터별 3개의 CDMA 순방향 채널신호에 위상차이를 주어 빔 형성신호를 전송하는 송신 버틀러 메트릭스부(30)와, 수신되는 무선신호를 알파, 베타, 감마 섹터별 CDMA 역방향 채널신호로 변환하여 상기 IDU(20)로 전송하는 수신 버틀러 메트릭스부(40)와, 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)에서 전송되는 빔 형성신호를 증폭하여 하나의 섹터에 해당하는 CDMA 순방향 채널신호를 30˚의 폭을 갖는 빔으로 공간상에 복사하거나, 가입자 단말기의 무선신호를 수신하여 상기 수신 버틀러 메트릭스부(40)로 전송하는 제1∼제4 ARM(51∼54)과, 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)와 수신 버틀러 메트릭스부(40)에서의 알파, 베타, 감마 섹터별 채널신호 전송을 위한 입출력단자를 제외한 나머지 하나의 입출력 단자를 종단 처리하기 위한 더미 로드(55)로 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 안테나를 적용한 씨디엠에이 방식의 이동통신 시스템의 기지국 장치.
제1항에 있어서, 상기 IDU(20)는, 외부의 교류 전원을 상기 제1∼제4 ARM(51∼54)의 입력 조건을 만족하는 직류 전원으로 변환하여 공급하는 전원장치(21)와, 상기 트랜시버 유닛(10)에서 전송되는 CDMA 순방향 채널신호에 상기 전원장치(21)에서 공급되는 직류 전원을 결합하여 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)로 전송하거나, 상기 수신 버틀러 메트릭스부(40)에서 전송되는 CDMA 역방향 채널신호를 그대로 상기 트랜시버 유닛(10)으로 전송하는 제1∼제3 바이어스 T(22∼24)로 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 안테나를 적용한 씨디엠에이 방식의 이동통신 시스템의 기지국 장치
제1항에 있어서, 상기 제1∼제4 ARM(51∼54)은, 상기 송신 버틀러 메트릭스부(30)에서 전송되는 CDMA 순방향 채널신호에 대한 빔 형성신호의 전력을 일정 레벨 증폭하는 송신 증폭기(61)와, 상기 송신 증폭기(61)에서 증폭된 빔 형성신호의 스퓨리어스 성분을 제거하는 송신 대역통과여파기(62)와, 상기 송신 대역통과여파기(62)에서 스퓨리어스 성분이 제거된 빔 형성신호를 정해진 빔폭과 지향각을 갖는 빔으로 공간상에 복사하는 송신 안테나(63)와, 가입자 단말기에서 전송되는 무선신호를 수신하는 수신 안테나(64)와, 상기 수신 안테나(64)에서 수신한 무선신호에 대해 수신 증폭기의 입력 조건에 맞는 주파수 대역만을 여파하는 수신 대역통과여파기(65)와, 상기 수신 대역통과여파기(65)에서 여파된 무선신호의 전력을 일정 레벨 증폭하여 상기 수신 버틀러 메트릭스부(40)로 전송하는 수신 증폭기(66)로 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 안테나를 적용한 씨디엠에이 방식의 이동통신 시스템의 기지국 장치.