KR20000034151A

KR20000034151A - 병렬 탐색기를 이용한 스마트 안테나 시스템

Info

Publication number: KR20000034151A
Application number: KR1019980051362A
Authority: KR
Inventors: 고학림
Original assignee: 고학림
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2000-06-15
Also published as: KR100278543B1

Abstract

본 발명은, CDMA 통신 방식의 기지국에서 지향성을 갖는 안테나 소자들을 이용하여 공간 필터링에 의한 계산 없이 원하는 사용자의 방향으로 신호를 송수신할 수 있는 스마트 안테나 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 RAKE 수신기(4₁,4₂,---,4_N)는 A/D변환기(3₁,3₂,---,3_M)로부터 입력된 신호의 칩지연의 정도에 따라 해당 신호를 스위칭함과 더불어 결합하여 출력하는 스위칭 및 결합기(11)와, A/D변환기(3₁,3₂,---,3_M)로부터 수신된 디지털신호를 인가받아 원하는 사용자의 확산코드와 같은 확산코드를 갖춘 신호가 어떤 안테나소자 방향에서 크게 수신되는가를 탐색하는 다수의 신호용 탐색기(14₁,----,14_M)로 이루어진 병렬 탐색기(14), 이 병렬 탐색기(14)의 탐색결과를 인가받아 그 정보를 기초로 상기 스위칭 및 결합기(11)를 제어하는 제어기(15), 상기 스위칭 및 결합기(11)로부터의 출력신호를 인가받아 역확산을 수행하는 다수의 핑거(12₁,12₂,---,12_K) 및, 이 핑거(12₁,12₂,---,12_K)로부터의 출력신호에 대해 시간 지연을 고려한 다음 수신된 각 경로 신호 전력의 비로 합산하여 출력하는 최대 비 결합기(13)를 구비하여 이루어지고, 상기 다수의 탐색기를 이용하여 각 안테나소자 방향으로부터 수신된 사용자의 경로 신호 수신전력을 추정하고, 그중 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나방향의 신호를 결합하여 역확산을 수행하도록 된다.

Description

병렬 탐색기를 이용한 스마트 안테나 시스템

본 발명은 스마트 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 병렬 탐색기를 이용한 스마트 안테나 시스템에 관한 것이다.

현재 상용중인 CDMA 시스템에 있어서 기지국에 속한 다른 사용자의 신호는 간섭잡음으로 처리된다. 따라서, 하나의 기지국에서 같은 주파수를 공유하는 사용자의 수가 증가하면 다중접속 간섭잡음이 증가되어 수신 신호의 비트 에러 확률이 증가됨에 따라 시스템의 성능이 저하된다. 따라서, 현재의 CDMA 시스템은 기지국에 속한 사용자의 수를 제한함으로써 시스템의 성능을 일정 수준 이상(음성 통신의 경우 비트 에러율은

10^-3

)으로 유지시키고 있다. 또한, 향후의 광대역 CDMA 시스템에서는 화상 통신 등의 멀티미디어 서비스를 제공해야만 하기 때문에 수신 신호의 비트 에러율은 더욱 감소되어야만 한다(화상 통신의 경우 비트 에러율은

10^-7

).

따라서, 이러한 비트 에러율을 충족시키기 위해서는 하나의 기지국에서 서비스되는 사용자의 수를 더욱 제한하거나 셀의 크기를 줄여야만 한다. 그러나, 셀의 크기를 줄이면, 기지국을 더욱 많이 증설하여야 하고(기지국 설치비용이 증가), 또한 핸드오프(handoff)가 너무 빈번히 발생된다는 문제가 야기된다. 따라서, 현재 셀의 크기를 줄이지 않으면서도 하나의 기지국에서 많은 사용자에게 고품질의 멀티미디어 통신 서비스를 제공하기 위한 스마트 안테나 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

스마트 안테나 시스템은 다수의 배열 안테나 소자를 이용하여 각각의 안테나 소자에서 수신되는 신호들의 이득 및 위상을 조절하여, 기지국에서 원하는 사용자의 방향으로부터 전파되어 오는 신호만을 수신하고 그 이외의 방향에서 전파되어오는 다중접속 간섭에 의한 잡음 신호레벨은 크게 감소시켜, 시스템의 성능을 향상시키고 기지국의 채널 용량을 증가시키도록 된 시스템이다.

그러나, 무선 채널 환경에서 사용자의 신호는 서로 다른 시간 지연 및 위상 지연을 갖는 다중경로 신호로 입사된다. 따라서, 현재의 CDMA 기지국 시스템의 레이크(RAKE) 수신기에서는 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 다중경로 신호들을 모두 검출하고, 다수의 핑거에서 해당 핑거와 시간 지연이 일치하는 경로 신호에 대한 역 확산을 수행하며, 이를 수신한 경로 신호 전력의 비로 결합해 줌으로써 시스템의 안정도를 높이고 성능을 향상시켜왔다.

일반적으로 시간 지연이 다른 다중경로 신호들은 서로 다른 방향에서 수신된다. 따라서, CDMA 통신 방식의 기지국에 스마트 안테나 시스템을 적용하기 위해서는 RAKE 수신기의 각 핑거에서 이 핑거와 시간 지연이 일치하는 경로 신호의 방향을 추정하고, 이 방향에서만 신호를 수신하기 위한 공간 필터링을 수행해야 한다. 또한, 공간 필터링을 수행하기 위해서는 해당 사용자의 경로 방향에서만 신호를 수신하기 위한 복소 가중치 벡터를 추정하여, 이 벡터를 각각의 안테나 소자에서 수신한 모든 디지털 데이터에 곱해주어야 하나, 이는 많은 계산량을 필요로 하기 때문에 이러한 스마트 안테나 시스템을 실제로 구현하고자 할 경우에는 시스템의 가격이 상승하고 복잡도가 증가한다.

예컨대, 신호의 대역폭이 20MHz이고, A/D 변환기에서 현재의 기지국 시스템과 같이 I채널 4배와 Q채널 4배의 오버 샘플링을 해준다면, 각 안테나 소자에서 수신하여 변환된 디지털 신호의 데이터율은 초당 20×8M칩(chip)이다. 이 데이터에 공간 필터링을 수행하기 위하여 복소 가중치 벡터를 곱해주면 20×8×4M clock/sec의 계산이 요구된다 (복소수의 곱셈에 4 clock이 요구된다고 가정).

배열 안테나 소자의 수가 8 개일 경우, 각 안테나 소자에서 수신한 모든 데이터에 복소 가중치 벡터를 곱해주어야 하므로 20×8×4×8M clock/sec의 계산이 요구되고, 각 핑거에서 시간 지연이 일치하는 신호에 대한 공간 필터링을 따로 해주어야 하기 때문에 한 사용자의 복조기에서는 총 20×8×4×8×3M clock/sec = 15.36 Gcps의 계산이 요구된다(핑거가 3개일 경우). 또한, 신호의 경로 방향을 추정하기 위하여 복소 가중치 벡터를 구해주어야 하는데, 상기 계산에서는 이 계산량을 제외한 것인데도 그 계산량이 매우 많음을 알 수 있다.

공간 필터링에 의한 계산량을 줄이기 위해 역확산을 먼저 수행하고, 이 신호에 복소 가중치 벡터를 곱해줄 수도 있으나, 이 방식은 각 안테나 소자 수의 배수 만큼의 상관기가 더 필요하기 때문에 시스템의 복잡도가 증가된다.

따라서, 공간 필터링에 의한 계산 없이 공간 필터링을 수행하기 위한 스위치드(switched) 빔 안테나 시스템의 사용이 고려되기도 한다. 스위치드 빔 안테나 시스템은 지향성을 갖는 다수의 안테나 소자를 이용하여 신호를 수신한다. 이 시스템의 기지국에서는 수신된 신호의 크기가 어느 안테나 방향에서 가장 크게 수신되는가를 판단하여 그 안테나 방향으로부터의 신호를 복조기로 보내주면, 복조기에서는 이 방향의 신호에 대한 프로세싱을 수행한다(CDMA 통신 방식을 사용할 경우에는 역확산을 수행한다). 만약, 이 방향에서의 신호 전력이 임계치 이하로 떨어지면, 기지국에서는 신호가 가장 크게 수신되는 방향을 다시 탐색하여 그 중에서 가장 수신 전력이 큰 안테나 방향으로부터의 신호를 복조기에 보낸다. 그러나, 각 경로 신호는 여러 방향에서 수신되며 때로는 상당히 광범위한 범위로 퍼져서(즉, 수신 각도 분산이 크게) 수신된다. 따라서, 이 경우 한 안테나 방향에서만의 신호를 잡아주면, 그 이외의 방향에서 수신되는 해당 사용자의 신호를 상당 부분 잃게되어 시스템의 성능이 저하될 수 있다.

현재, 원하는 사용자의 신호와 다른 방향에서 수신되는 다른 사용자에 의한 간섭 잡음을 줄여 시스템의 용량과 성능을 향상시키려는 스마트 안테나 시스템 기술은 크게 세 가지 방향으로 연구되고 있다.

첫번째 기술은 다중경로 신호가 수신되면, RAKE 수신기의 핑거에서 이 핑거와 시간 지연이 일치하는 경로 신호의 방향을 추정하여 이 방향으로부터만 신호를 수신하는 공간 필터링을 수행한 후에, 이 신호를 이용하여 역확산을 수행하는 방식이다(미국 특허 제5,621,752호, 발명의 명칭; Adaptive sectorization in a spread spectrum communication system와, Ayman F. Naguib의 "Adaptive Antennas for CDMA Wireless Network", Ph. D. thesis, Stanford University, 1996. 8. 참조).

그러나, 상기한 바와 같이 이 방식은 공간 필터링에 의한 계산량이 너무 많아서 이를 실제로 구현하기 위해서는 매우 빠른 DSP 칩의 사용이 요구된다.

두번째 기술은 첫번째 기술과 마찬가지로 RAKE 수신기의 핑거에서 공간 필터링을 수행하는 것은 같으나, 핑거에서 역확산을 먼저 수행한 후에 공간 필터링을 수행하는 방식이다. 이 방식은 공간 필터링에 의한 계산량은 크게 감소되지만(첫번째 방식에 비해 약 1/처리이득 배), 안테나 소자 수의 배수 만큼(안테나 소자의 수가 M일 때 M배)의 상관기가 요구되기 때문에 시스템의 복잡도가 증가한다.

세번째 기술은 스위치드 빔 안테나 시스템이다. 스위치드 빔 안테나 시스템은 지향성을 갖는 다수의 안테나 소자를 이용하여 신호를 수신함으로써 공간 필터링에 의한 계산 없이 지향성 신호를 수신할 수 있으나, 신호가 상당히 광범위하게 퍼져서 수신될 때 어느 한 안테나 방향에서 수신한 신호만을 이용하여 역확산을 수행해 줌으로써 시스템의 성능과 안정성이 저하될 수 있다. 또한, 현재 이 방식은 FDMA와 TDMA 방식용으로 많이 개발되기 때문에 CDMA 통신 방식에서 시간 지연 및 수신 각도가 다른 각 경로 방향 신호를 어떻게 처리할 것인가에 대한 구체적인 설명이 되어 있지 않다. 이는 FDMA 와 TDMA 통신 방식에서는 여러 개의 경로 신호 중에서 신호의 수신 전력이 가장 큰 한 방향의 신호만을 이용하여 복조를 하는 반면에, CDMA 통신 방식에서는 수신 전력이 임계치 이상인 다수의 경로 신호를 모두 이용하여 역확산을 수행하기 때문이다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, CDMA 통신 방식의 기지국에서 지향성을 갖는 안테나 소자들을 이용하여 공간 필터링에 의한 계산 없이 원하는 사용자의 방향으로 신호를 송수신할 수 있는 스마트 안테나 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은, 수신 신호의 각도 분산이 클 경우에도 (즉, 사용자의 신호가 광범위하게 퍼져서 수신될 때) 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나 방향의 신호를 모두 수신하여 역확산을 수행해 줌으로써, 시스템의 성능을 향상시키고 보다 안정적으로 신호를 수신할 수 있도록 된 스마트 안테나 시스템을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

도 1a는 선형 구조의 배열 안테나소자를 나타낸 도면,

도 1b는 원형 구조의 배열 안테나소자를 나타낸 도면,

도 2는 선형 구조를 갖춘 8개의 배열 안테나소자의 빔 패턴,

도 3은 다수의 지향성 배열 안테나 소자를 이용한 병렬 탐색 스마트 안테나 시스템용 기지국 블록도,

도 4는 병렬 탐색기를 이용한 RAKE 수신기의 블록도,

도 5는 수신 신호와 병렬 탐색기의 탐색 결과르 나타낸 도면,

도 6은 무지향성 배열 안테나소자를 이용한 병렬 탐색 스마트 안테나 시스템용 기지국 블록도,

도 7은 빔포밍부를 상세히 나타낸 도면.

A₁,A₂,---,A_M--- 지향성 배열 안테나소자

B₁,B₂,---,B_M--- 무지향성 배열 안테나소자

1₁,1₂,---,1_M--- 저잡음 증폭기

2₁,2₂,---,2_M--- 다운콘버터

3₁,3₂,---,3_M---A/D변환기

4₁,4₂,---,4_N--- RAKE 수신기

5₁,5₂,---,5_N--- 판단기

6₁,6₂,---,6_N--- 디인터리버

7₁,7₂,---,7_N--- 비터비 디코더

11 --- 스위칭 및 결합기

12₁,12₂,---,12_K--- 핑거

13 --- 최대 비 결합기

14 --- 병렬 탐색기

14₁,---,14_M--- 신호용 탐색기

15 --- 제어기

22 --- 빔포밍부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 병렬탐색기를 이용한 스마트 안테나 시스템은, 다수의 지향성 배열 안테나소자와; 이 안테나소자로부터 수신한 신호를 증폭하는 다수의 저잡음증폭기; 이 저잡음증폭기에 의해 증폭된 신호를 I채널 및 Q채널 신호의 기저대역신호로 변환시키는 다수의 다운콘버터; 이 다운콘버터에 의해 변환된 신호를 시스템 확산코드의 데이터율 보다 더 높은 데이터율을 갖는 디지털신호로 변환시키는 다수의 A/D변환기; 이 A/D변환기로부터 입력된 신호의 칩지연의 정도에 따라 해당 신호를 스위칭함과 더불어 결합하여 출력하는 스위칭 및 결합기와, 상기 A/D변환기로부터 수신된 디지털신호를 인가받아 원하는 사용자의 확산코드와 같은 확산코드를 갖춘 신호가 어떤 안테나소자 방향에서 크게 수신되는가를 탐색하는 다수의 신호용 탐색기로 이루어진 병렬 탐색기, 이 병렬 탐색기의 탐색결과를 인가받아 그 정보를 기초로 상기 스위칭 및 결합기를 제어하는 제어기, 상기 스위칭 및 결합기로부터의 출력신호를 인가받아 역확산을 수행하는 다수의 핑거 및, 이 핑거로부터의 출력신호에 대해 시간 지연을 고려한 다음 수신된 각 경로 신호 전력의 비로 합산하여 출력하는 최대 비 결합기를 구비하여 이루어진 다수의 RAKE 수신기; 이 RAKE 수신기에서 출력된 신호를 인가받아 그 디지탈값이 1인가 0인가의 여부를 판단하는 다수의 판단기; 이 판단기로부터의 출력신호를 인가받아 디인터리빙하는 디인터리버 및; 이 디인터리버로부터의 출력신호를 인가받아 에러를 수정하는 비터비 디코더를 구비하여 구성되고; 상기 다수의 탐색기를 이용하여 각 안테나소자 방향으로부터 수신된 사용자의 경로 신호 수신전력을 추정하고, 그중 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나방향의 신호를 결합하여 역확산을 수행하도록 된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 병렬탐색기를 이용한 스마트 안테나 시스템은, 다수의 무지향성 배열 안테나소자와; 이 안테나소자로부터 수신한 신호를 증폭하는 다수의 저잡음증폭기; 이 저잡음증폭기에 의해 증폭된 신호를 I채널 및 Q채널 신호의 기저대역신호로 변환시키는 다수의 다운콘버터; 이 다운콘버터에 의해 변환된 신호를 시스템 확산코드의 데이터율 보다 더 높은 데이터율을 갖는 디지털신호로 변환시키는 다수의 A/D변환기; 이 A/D변환기로부터 입력되는 디지털신호를 수신한 후, 해당 디지탈 데이터에 서로 다른 방향에 상응하는 복소 가중치 벡터를 곱해줌으로써 M개의 출력신호들이 서로 다른 M개의 방향에서 신호를 수신한 것과 같게 하는 지향성을 갖는 M개의 신호로 만드는 빔포밍부; 상기 A/D변환기로부터 입력된 신호의 칩지연의 정도에 따라 해당 신호를 스위칭함과 더불어 결합하여 출력하는 스위칭 및 결합기와, 상기 A/D변환기로부터 수신된 디지털신호를 인가받아 원하는 사용자의 확산코드와 같은 확산코드를 갖춘 신호가 어떤 안테나소자 방향에서 크게 수신되는가를 탐색하는 다수의 신호용 탐색기로 이루어진 병렬 탐색기, 이 병렬 탐색기의 탐색결과를 인가받아 그 정보를 기초로 상기 스위칭 및 결합기를 제어하는 제어기, 상기 스위칭 및 결합기로부터의 출력신호를 인가받아 역확산을 수행하는 다수의 핑거 및, 이 핑거로부터의 출력신호에 대해 시간 지연을 고려한 다음 수신된 각 경로 신호 전력의 비로 합산하여 출력하는 최대 비 결합기를 구비하여 이루어진 다수의 RAKE 수신기; 이 RAKE 수신기에서 출력된 신호를 인가받아 그 디지탈값이 1인가 0인가의 여부를 판단하는 다수의 판단기; 이 판단기로부터의 출력신호를 인가받아 디인터리빙하는 디인터리버 및; 이 디인터리버로부터의 출력신호를 인가받아 에러를 수정하는 비터비 디코더를 구비하여 구성되고; 셀(또는 섹터)을 다수의 방향으로 나눈 후, 각 방향에 대한 복소 가중치 벡터를 각각의 안테나소자에서 수신한 신호에 곱하여 지향성이 있는 다수의 신호를 만든 다음 상기 다수의 탐색기를 이용하여 각 안테나소자 방향으로부터 수신된 사용자의 경로 신호 수신전력을 추정하고, 그중 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나방향의 신호를 결합하여 역확산을 수행하도록 된 것을 특징으로 한다.

(실시예)

이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 기지국 안테나는 지향성을 갖는 다수의 안테나 소자로 구성되어 있다. 이러한, 안테나 소자(A₁,A₂,-----,A_M)는 도 1a에 도시된 바와 같이 선형 구조로 배열될 수도 있고, 도 1b에 도시된 바와 같이 원형 구조로 배열될 수도 있다.

일반적으로, 안테나 소자(A₁,A₂,-----,A_M)가 셀 전체를 커버할 때는 원형 구조를 이용하고, 셀을 120°의 3개의 섹터로 나누어 서비스 할 때는 선형 구조를 이용한다. 도 1a,b에 도시된 각 안테나 소자들은 지향성을 갖는다. 예컨대, 8개의 선형 배열 안테나 소자를 이용하여 120°의 각을 갖는 하나의 섹터를 커버할 때, 지향성 안테나 소자들의 빔 패턴은 도 2와 같이 된다. 이때 각 지향성 안테나 소자의 빔 패턴은 이웃하는 안테나 소자의 빔 패턴과 일부가 중복되게 한다.

도 3은 M개의 지향성 안테나 소자들을 선형으로 배치한 기지국 시스템의 블록도로서, 도 3과 같은 다수의 지향성 배열 안테나 소자를 갖는 스마트 안테나 시스템에서, 각 배열 안테나 소자(A₁,A₂,---,A_M)가 수신한 신호는 I채널 및 Q채널 신호의 기저대역 신호로 변환된 후, A/D 변환기(3₁,3₂,---,3_M)에서 시스템 확산코드의 데이터율 보다 더 높은 데이터율(현재 상용중인 CDMA 시스템에서는 확산코드 데이터율의 4배)을 갖는 디지털 신호로 변환된다. 이와 같이 변환된 I채널 및 Q채널 디지털 신호는 2-D 레이크(RAKE) 수신기(4₁,4₂,---,4_N; 이하, "RAKE 수신기"로 약칭함)에 입력된다.

무선 채널 환경에서 한 사용자의 신호는 시간 지연, 위상 및 수신 각도가 서로 다른 여러 개의 다중경로 신호로 수신된다. 따라서, 본 발명에서의 RAKE 수신기(4₁,4₂,---,4_N)는 이러한 다중경로 신호들의 시간 지연과 수신 각도를 고려하여 역확산을 수행한다.

도 4는 본 발명에 따른 RAKE 수신기를 상세히 나타낸 것으로, 상기 RAKE 수신기는 스위칭 및 결합기(11)와, 병렬 탐색기(14), 제어기(15), 다수의 핑거(12₁,12₂,---,12_K) 및, 최대 비 결합기 (13; maximal ratio combiner)로 구성되어 있다. 여기서, RAKE 수신기의 병렬 탐색기(14)는 안테나 소자의 수 만큼(예컨대, M개)의 탐색기들로 구성된다. 상기 병렬 탐색기(14)의 각 탐색기(14₁,---,14_M)에는 해당 안테나 소자(A₁,A₂,---,A_M)로부터 수신된 디지털 신호가 입력된다. 예컨대, 제1신호용 탐색기(14₁)에는 제1안테나(A₁)에서 수신된 신호가 입력되고, 제2신호용 탐색기(도시되지 않았음)에는 제2안테나(A₂)에서 수신된 신호가 입력되며, 제M신호용 탐색기(14_M)에는 제M안테나(A_M)에서 수신된 신호가 입력된다.

안테나 소자(A₁,A₂,---,A_M)로부터 신호를 받은 각 탐색기(14₁,---,14_M)에서는 원하는 사용자의 확산코드와 같은 확산코드를 갖춘 신호가 어떤 안테나 소자 방향에서 크게 수신되는가를 탐색한다.

도 5는 병렬 탐색기(14)의 탐색 결과의 예를 나타낸 것으로, 도 5에서의 탐색 결과를 살펴보면, 제2신호용 탐색기에서는 제2안테나 소자의 방향에서 한 칩 지연된 신호가 크게 수신됨을 탐색하였고, 제3신호용 탐색기에서는 제3안테나 방향에서 칩 지연이 없는 신호가 크게 수신됨을 탐색하였으며, 제4신호용 탐색기에서는 제4안테나 방향에서 칩 지연이 없는 신호가 크게 수신되는 것을 탐색하였다. 또한, 제5신호용 탐색기에서는 제5안테나 방향에서 칩 지연이 없는 신호와 두 칩이 지연된 신호가 크게 수신된다는 것을 탐색하였고, 제6신호용 탐색기에서는 제6안테나로 한 칩이 지연된 신호가 크게 수신됨을 탐색하였다. 즉, 칩 지연이 없는 신호는 제3안테나와 제4안테나 및 제5안테나 방향에서 크게 수신되고, 한 칩이 지연된 신호는 제2안테나 방향과 제6안테나 방향으로부터 크게 수신되며, 두 칩이 지연된 신호는 제5안테나 방향에서 크게 수신됨을 알 수 있다. 이때, 병렬 탐색기(14)의 탐색 결과는 제어기(15)로 보내지고, 제어기(15)는 이 정보를 이용하여 스위칭 및 결합기(11)를 다음과 같이 제어한다.

즉, 제3안테나와 제4안테나 및 제5안테나에서 수신한 신호를 결합하여 제1핑거(12₁)로 보내고, 제2안테나와 제6안테나에서 수신한 신호를 결합하여 제2핑거(12₂)로 보내며, 제5안테나에서 수신한 신호는 제3핑거(도시되지 않았음)로 보낸다. 이때, 제1핑거(12₁)에 입력된 신호는 칩 지연이 없는 신호이고, 제2핑거(12₂)에 입력된 신호는 한 칩이 지연된 신호이며, 제3핑거에 입력된 신호는 두 칩이 지연된 신호이다. 따라서, 제1핑거(12₁)는 칩지연이 없는 신호를 수신하여 이 신호에 대한 역확산을 수행하여 출력하고, 제2핑거(12₂)는 한 칩이 지연된 신호에 대한 역확산을 수행하여 출력하며, 제3핑거는 두 칩이 지연된 신호에 대한 역확산을 수행하여 출력한다. 각 핑거(12₁,12₂,---,12_K)에서 출력된 신호들은 최대 비 결합기(13)에서 시간 지연이 고려된 후, 수신된 각 경로 신호 전력의 비로 합산되어 출력된다. RAKE 수신기(4₁,4₂,---,4_N)에서 출력된 신호는 현재의 CDMA 기지국 시스템과 같은 방식으로 처리된다. 즉, RAKE 수신기(4₁,4₂,---,4_N)의 출력 신호는 판단기(5₁,5₂,---,5_N)에서 그 디지탈값이 1인지 또는 0인지가 판단되고, 디인터리버(6₁,6₂,---,6_N)에서 디인터리빙된 후, 비터비 디코더(7₁,7₂,---,7_N)에서 에러가 수정된다.

상기 시스템은 무지향성의 배열 안테나 소자를 갖는 시스템으로도 설계가 가능한데, 이에 따른 기지국 시스템 블록도를 도 6에 나타낸다. 도 6에 있어서 도 3과 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 6의 기지국 시스템에서 기지국은 무지향성 배열 안테나 소자(B₁,B₂,---,B_M)를 이용하여 신호를 수신한 후, 이 신호를 빔포밍부(22)에서 지향성을 갖는 M개의 신호로 만든다. 도 7은 도 6에 도시된 빔포밍부(22)를 상세히 나타낸 것으로, 도 7에 도시된 바와 같이 빔포밍부(22)에서는 각 안테나 소자(B₁,B₂,---,B_M)에서 수신한 디지털 데이터에 서로 다른 방향에 상응하는 복소 가중치 벡터를 곱해줌으로써, M개의 출력 신호들이 서로 다른 M개의 방향에서 신호를 수신한 것과 같게 한다. 즉, M개의 출력 신호들은 M개의 지향성 안테나에서 수신한 디지털 신호와 같아진다. 도 7의 빔포밍부(22)에서의 입력 신호와 출력 신호의 관계는 다음과 같다.

-------------- (1)

식 (1)에서 은 빔포밍부(22)의

k

번째 출력 신호이고,

s_m(n)

은

m

번째 안테나로부터 수신한 디지털 신호이며,

w_m ^k

는

k

번째 방향으로부터만 신호를 수신하기 위하여

m

번째 안테나로부터 수신한 디지털 데이터에 곱해주는 복소 가중치이다. 만약, 안테나 센서간의 거리가 최대 주파수에 상응하는 파장의 반인 경우,

w_m ^k

는 가 되며,

θ_k

는 셀(혹은 섹터)을 M개의 방향으로 균등하게 나눌 때의

k

번째 방향이다. 따라서, 빔포밍부(22)의 출력 신호는 도 3에서 지향성 안테나를 사용하였을 경우의 A/D 변환기(3₁,3₂,---,3_M)의 출력 신호와 같아지며, 이 신호는 도 4의 RAKE 수신기에서 지향성 안테나를 사용한 경우와 같은 방식으로 처리된다.

사용자에게 신호를 송신(순방향 채널) 할 때도 수신시와 마찬가지로 다수의 지향성 안테나를 사용한다. 도 4의 RAKE 수신기에서 병렬 탐색기(14)의 탐색 결과가 제어기(15)로 전송되면, 상기 제어기(15)는 이 정보를 이용하여 해당 신호를 송신할 안테나를 결정한다. 송신은 신호가 수신된 모든 방향으로 이루어지며, 이때 각 경로 신호의 시간 지연이 보상된다. 즉, 도 5와 같이 신호가 수신되었다면, 제어기(15)는 송신될 신호를 제5안테나 방향으로 송신하고, 또한 같은 신호를 한 칩 지연시켜 제2안테나와 제6안테나 방향으로 송신하며, 두 칩 지연시켜 제3안테나와 제4안테나 및 제5안테나 방향으로 송신한다. 따라서, 이들 신호들을 사용자가 수신할 때는 각 방향 신호의 시간 지연이 서로 비슷해져서 거의 동시에 수신할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 지향성 안테나를 이용하여 공간 필터링에 의한 계산을 하지 않으면서도 신호를 원하는 사용자의 방향으로 송수신할 수 있게 함으로써, 향후의 IMT-2000등의 시스템에서 셀의 크기를 줄이지 않으면서도 많은 사용자에게 고품질의 멀티미디어 서비스를 제공할 수 있게 된다.

또한, 수신 신호의 각도 분산이 클 경우에도 (즉, 사용자의 신호가 광범위하게 퍼져서 수신될 때) 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나 방향의 신호를 모두 수신하여 역확산을 수행해 줌으로써, 시스템의 성능을 향상시키고 보다 안정적으로 신호를 수신할 수 있게 된다.

따라서, 시스템의 가격과 복잡도를 크게 증가시키지 않으면서도 고품질의 멀티미디어 서비스를 제공할 수 있는 기지국 시스템을 구현할 수 있게 된다.

Claims

다수의 지향성 배열 안테나소자(A₁,A₂,---,A_M)와;

이 안테나소자(A₁,A₂,---,A_M)로부터 수신한 신호를 증폭하는 다수의 저잡음증폭기(1₁,1₂,----,1_M);

이 저잡음증폭기(1₁,1₂,----,1_M)에 의해 증폭된 신호를 I채널 및 Q채널 신호의 기저대역신호로 변환시키는 다수의 다운콘버터(2₁,2₂,---,2_M);

이 다운콘버터(2₁,2₂,---,2_M)에 의해 변환된 신호를 시스템 확산코드의 데이터율 보다 더 높은 데이터율을 갖는 디지털신호로 변환시키는 다수의 A/D변환기(3₁,3₂,---,3_M);

이 A/D변환기(3₁,3₂,---,3_M)로부터 입력된 신호의 칩지연의 정도에 따라 해당 신호를 스위칭함과 더불어 결합하여 출력하는 스위칭 및 결합기(11)와,

상기 A/D변환기(3₁,3₂,---,3_M)로부터 수신된 디지털신호를 인가받아 원하는 사용자의 확산코드와 같은 확산코드를 갖춘 신호가 어떤 안테나소자 방향에서 크게 수신되는가를 탐색하는 다수의 신호용 탐색기(14₁,----,14_M)로 이루어진 병렬 탐색기(14),

이 병렬 탐색기(14)의 탐색결과를 인가받아 그 정보를 기초로 상기 스위칭 및 결합기(11)를 제어하는 제어기(15),

상기 스위칭 및 결합기(11)로부터의 출력신호를 인가받아 역확산을 수행하는 다수의 핑거(12₁,12₂,---,12_K) 및,

이 핑거(12₁,12₂,---,12_K)로부터의 출력신호에 대해 시간 지연을 고려한 다음 수신된 각 경로 신호 전력의 비로 합산하여 출력하는 최대 비 결합기(13)를 구비하여 이루어진 다수의 RAKE 수신기(4₁,4₂,---,4_N);

이 RAKE 수신기(4₁,4₂,---,4_N)에서 출력된 신호를 인가받아 그 디지탈값이 1인가 0인가의 여부를 판단하는 다수의 판단기(5₁,5₂,---,5_N);

이 판단기(5₁,5₂,---,5_N)로부터의 출력신호를 인가받아 디인터리빙하는 디인터리버(6₁,6₂,---,6_N) 및;

이 디인터리버(6₁,6₂,---,6_N)로부터의 출력신호를 인가받아 에러를 수정하는 비터비 디코더(7₁,7₂,---,7_N)를 구비하여 구성되고;

상기 다수의 탐색기를 이용하여 각 안테나소자 방향으로부터 수신된 사용자의 경로 신호 수신전력을 추정하고, 그중 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나방향의 신호를 결합하여 역확산을 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 병렬탐색기를 이용한 스마트 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 상기 병렬 탐색기(14)의 탐색 결과가 상기 제어기(15)로 전송되면, 상기 제어기(15)는 이 정보를 기초로 해당 신호를 송신할 안테나를 결정하여, 수신된 사용자 신호의 경로 방향과 시간지연을 추정한 후 임계치 이상으로 수신된 모든 경로 신호의 방향으로 시간지연을 보상하여 신호를 송신할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 병렬탐색기를 이용한 스마트 안테나 시스템.
다수의 무지향성 배열 안테나소자(B₁,B₂,---,B_M)와;

이 안테나소자(B₁,B₂,---,B_M)로부터 수신한 신호를 증폭하는 다수의 저잡음증폭기(1₁,1₂,----,1_M);

이 저잡음증폭기(1₁,1₂,----,1_M)에 의해 증폭된 신호를 I채널 및 Q채널 신호의 기저대역신호로 변환시키는 다수의 다운콘버터(2₁,2₂,---,2_M);

이 다운콘버터(2₁,2₂,---,2_M)에 의해 변환된 신호를 시스템 확산코드의 데이터율 보다 더 높은 데이터율을 갖는 디지털신호로 변환시키는 다수의 A/D변환기(3₁,3₂,---,3_M);

이 A/D변환기(3₁,3₂,---,3_M)로부터 입력되는 디지털신호를 수신한 후, 해당 디지탈 데이터에 서로 다른 방향에 상응하는 복소 가중치 벡터를 곱해줌으로써 M개의 출력신호들이 서로 다른 M개의 방향에서 신호를 수신한 것과 같게 하는 지향성을 갖는 M개의 신호로 만드는 빔포밍부(22);

상기 A/D변환기(3₁,3₂,---,3_M)로부터 입력된 신호의 칩지연의 정도에 따라 해당 신호를 스위칭함과 더불어 결합하여 출력하는 스위칭 및 결합기(11)와,

상기 A/D변환기(3₁,3₂,---,3_M)로부터 수신된 디지털신호를 인가받아 원하는 사용자의 확산코드와 같은 확산코드를 갖춘 신호가 어떤 안테나소자 방향에서 크게 수신되는가를 탐색하는 다수의 신호용 탐색기(14₁,----,14_M)로 이루어진 병렬 탐색기(14),

이 병렬 탐색기(14)의 탐색결과를 인가받아 그 정보를 기초로 상기 스위칭 및 결합기(11)를 제어하는 제어기(15),

상기 스위칭 및 결합기(11)로부터의 출력신호를 인가받아 역확산을 수행하는 다수의 핑거(12₁,12₂,---,12_K) 및,

이 핑거(12₁,12₂,---,12_K)로부터의 출력신호에 대해 시간 지연을 고려한 다음 수신된 각 경로 신호 전력의 비로 합산하여 출력하는 최대 비 결합기(13)를 구비하여 이루어진 다수의 RAKE 수신기(4₁,4₂,---,4_N);

이 RAKE 수신기(4₁,4₂,---,4_N)에서 출력된 신호를 인가받아 그 디지탈값이 1인가 0인가의 여부를 판단하는 다수의 판단기(5₁,5₂,---,5_N);

이 판단기(5₁,5₂,---,5_N)로부터의 출력신호를 인가받아 디인터리빙하는 디인터리버(6₁,6₂,---,6_N) 및;

이 디인터리버(6₁,6₂,---,6_N)로부터의 출력신호를 인가받아 에러를 수정하는 비터비 디코더(7₁,7₂,---,7_N)를 구비하여 구성되고;

셀(또는 섹터)을 다수의 방향으로 나눈 후, 각 방향에 대한 복소 가중치 벡터를 각각의 안테나소자에서 수신한 신호에 곱하여 지향성이 있는 다수의 신호를 만든 다음 상기 다수의 탐색기를 이용하여 각 안테나소자 방향으로부터 수신된 사용자의 경로 신호 수신전력을 추정하고, 그중 임계치 이상의 수신 전력을 갖는 안테나방향의 신호를 결합하여 역확산을 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 병렬탐색기를 이용한 스마트 안테나 시스템.