KR20070023786A - 스마트 안테나를 갖는 위성 통신 가입자 장치 및 그 연관된방법 - Google Patents

스마트 안테나를 갖는 위성 통신 가입자 장치 및 그 연관된방법 Download PDF

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Abstract

위성 통신 가입자 장치는 적어도 하나의 위성으로부터 신호들을 수신하기 위해 안테나 빔들을 발생하기 위한 스마트 안테나와, 수신기를 포함한다. 이 수신기는 각각의 안테나 빔에 의해 수신된 신호들 상에서 품질 메트릭을 계산하기 위한 품질 메트릭 모듈을 포함한다. 빔 선택기는 스마트 안테나에 결합되어 안테나 빔들을 선택한다. 안테나 조향 알고리즘 모듈은 안테나 빔들을 스캐닝하도록 빔 선택기를 동작시키고, 각각의 스캐닝된 안테나 빔에 대해 수신기로부터 상기 계산된 품질 메트릭을 수신하고, 상기 계산된 품질 메트릭을 비교하기 위한 안테나 조향 알고리즘을 실행한다. 이 알고리즘은, 적어도 하나의 위성으로부터 신호들을 계속 수신하기 위해 상기 비교에 기초하여 상기 스캐닝된 안테나 빔들 중 하나를 선택한다.
위성 통신, 품질 메트릭, 다중경로, 안테나 조향

Description

스마트 안테나를 갖는 위성 통신 가입자 장치 및 그 연관된 방법{SATELLITE COMMUNICATION SUBSCRIBER DEVICE WITH A SMART ANTENNA AND ASSOCIATED METHOD}
본 발명은 위성 통신 가입자 장치 분야에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 선호하는 신호 소스를 선택하기 위해 위성 및/또는 지상 리피터로부터 수신된 신호에 관하여 각도 다이버시티(angular diversity)를 제공하는 스마트 안테나에 관한 것이다.
위성 디지털 무선 시스템에서 오디오 신호들은, 디지털 변조 및 코딩과 같은 디지털 통신 기술을 사용하여 위성으로부터 디지털화되어 전송된다. 위성 디지털 무선 시스템은, 종래의 AM 또는 FM 아날로그 무선 시스템에서 이용가능하지 않은 혜택을 제공한다. 디지털 압축 기술은, 신호가 이동 차량에서 수신되는 경우에서도, 위성 디지털 무선 시스템이 고품질의 오디오 신호를 제공하는 것을 허용한다. 고품질의 오디오 재생은 종래의 AM 또는 FM 아날로그 무선 시스템으로는 일반적으로 가능하지 않다.
특히, 위성 디지털 무선 수신에서, 본질적으로 복수의 랜덤 신호 반사에 기인한 RF 신호 레벨에서의 편차라고 할 수 있는 다중경로 페이딩에 기인한 신호 열화는 성가신 문제이다. 비록 등화 및 변조와 같은 기저대역 디지털 전송 기술이 다중경로 페이딩의 영향을 낮출 수는 있지만, 열화는 여전히 존재한다.
특히, 위성 디지털 무선 수신기가 실내에 있거나 좁은 빌딩간 통로에 있을 때에 심각한 신호 열화가 발생할 수 있다. 궤도를 도는 위성들로부터의 디지털 신호들은 양호한 시야선 경로(line-of-sight path)와 더불어 획득되지 않을 수 있다. 결과적으로, 위성발 신호들(satellite-originated signals)의 다양한 랜덤 반사, 즉, 다중경로만이 위성 디지털 무선 수신기 라디오가 수신할 수 있는 유일한 신호일 수 있다.
다중경로 페이딩이나 기타 유형의 신호 차단과 같은 열화에 의해 가해지는 무선 수신상의 영향을 감소시키기 위해, 집합적으로 다이버시티 기술들이라고 불리는 몇개의 전송 리던던시 기술들이 현재의 위성 디지털 무선 시스템에서 사용된다. 첫번째 기술은, 2개 이상의 위성들이 멀리 이격된 위치들로부터 동일한 신호들을 전송하는 위성 공간 다이버시티(satellite spatial diversity)이다. 두번째는 상이한 위성들이 상이한 주파수 대역에서 동일한 신호를 전송하는 주파수 다이버시티이다. 세번째 기술은 상이한 위성들이 약간 상이한 시간들에서 동일한 신호를 전송하는 시간 다이버시티이다. 밀집한 도심이나 터널과 같은 신호 차단 구조물과 같은 도달하기 어려운 영역에서, 위성 디지털 무선 신호들은 지상 리피터를 이용하여 별개의 주파수들에서 재전송된다.
현재의 가입자 장치 안테나 시스템은, 위성 또는 지상 리피터 중 어느 하나로부터 비교적 강한 시야선 신호(line-of-sight signals)가 이용가능할 때에 적절한 전방향성 안테나(omni-directional antenna)를 이용한다. 그러나, 빌딩 내부나 밀집한 도시 지역의 좁은 빌딩간 위치와 같은 다중경로가 많은 환경에서 전방향성 안테나는 매우 취약하다. 하나의 고정된 빔 안테나는, 반사된 무선 신호가 최상으로 잘 수신될 수 있는 방향을 결정할 수 있는 방법이 없으며, 더 정확히 검출하고 임의의 특정한 방향에서 수신하도록 배향될 수 없다.
또한, 현재의 안테나 시스템은 흔히 다이버시티 안테나라고 불리는 듀얼 엘리먼트 안테나를 사용한다. 소정 상황에서 성능이 개선될 수 있지만, 듀얼 엘리먼트 안테나는 안테나 패턴에 의해 형성된 반구형 로브들의 대칭적 속성으로 인해 다중경로 페이딩에 민감하다. 그 근원지로부터 역방향으로 반사된 신호는 직접 수신된 원래의 신호와 거의 비슷한 전력으로 수신될 수 있다. 즉, 만일 원래의 신호가 (전송자의 관점에서) 의도된 수신기를 넘어선 물체 또는 의도된 수신기 뒤쪽의 물체로부터 반사되어, 직접 수신된 신호와 반대 방향으로부터 의도된 수신기 쪽으로 되반사된다면, 2개 신호간의 위상차는 다중경로 페이딩 상황을 생성할 수 있다.
고정된 지향성의 고이득 안테나가 위성을 향하도록 하는 것, 즉 전형적인 실외 안테나도 역시 흔하다. 이들 안테나들은 고정된 지향각(pointing angle)을 가지기 때문에, 이들은 직접적 위성 경로의 방향에 있지 않은 반사된 신호가 최상의 신호가 될 수도 있는 다중경로 환경에서는 신호들을 수신하는데 적합하지 않을 것이다.
또 다른 문제점은 지상 리피터에 의해 재전송된 신호들의 수신으로서, 이들 신호들은 근처의 전송 시스템에 의해 간섭받을 수 있다. 비록 이들 신호들은 주파수 스펙트럼에서는 분리되어 있더라도, 인접한 채널들은 근처의 전송기 스테이션으 로부터 여전히 간섭을 겪을 수 있다. 결과적으로, 전방향성 안테나들과 듀얼 엘리먼트 다이버시티 안테나들은 다중경로 환경에서 적합하지 않다.
전술한 배경에 비추어 볼 때, 본 발명의 목적은, 다중경로가 많은 환경에서 위성 및/또는 지상 리피터에 의해 전송된 신호의, 통신 가입자 장치에 의한 수신을 개선시키는 것이다.
본 발명에 따른 이들 및 다른 목적, 특징, 및 잇점들은 적어도 하나의 위성으로부터 신호들을 수신하기 위한 복수의 안테나 빔을 발생하기 위한 스마트 안테나와, 각각의 안테나 빔에 의해 수신된 신호들 상에서 품질 메트릭을 계산하기 위한 품질 메트릭 모듈을 포함하는 수신기를 포함하는 위성 통신 가입자 장치에 의해 제공된다.
빔 선택기는 스마트 안테나에 결합되어 복수의 안테나 빔을 선택한다. 안테나 조향 알고리즘 모듈은, 복수의 안테나 빔을 스캐닝하도록 빔 선택기를 동작시키는 단계와, 각각의 스캐닝된 빔 안테나에 대해 계산된 품질 메트릭을 수신기로부터 수신하는 단계와, 계산된 품질 메트릭을 비교하는 단계를 위한 안테나 조향 알고리즘을 실행한다. 이 알고리즘은, 적어도 하나의 위성으로부터 신호를 계속 수신하기 위해 상기의 비교에 기초하여 스캐닝된 안테나 빔들중 하나를 선택한다.
계산된 품질 메트릭은 저품질 메트릭 임계치와 비교되고 그 저품질 메트릭 임계치 아래로 떨어지는 계산된 품질 메트릭에 대해, 그 연관된 대응하는 안테나 빔은 선택을 행할 때 무시된다. 계산된 품질 메트릭은, 수신 신호 강도 표시자 또는 수신된 신호의 신호-대-잡음비를 포함할 수 있다. 대안으로서, 계산된 품질 메트릭은 수신된 신호의 에러 레이트 또는 데이터 처리량을 포함할 수 있다.
제1 실시예에서, 복수의 안테나 빔들은, 복수의 지향성 안테나 빔들과 전방향성 안테나 빔을 포함할 수 있다. 제2 실시예에서, 복수의 안테나 빔들은 직교 편광 빔들, 즉, 선형 또는 원형 빔을 포함할 수 있다. 또한, 제3 실시예는 제1 및 제2 실시예의 조합을 포함할 수 있다.
안테나 조향 알고리즘은, 복수의 안테나 빔을 스캐닝하도록 빔 선택기를 동작시킬 수 있다. 스마트 안테나는, 스위치형 빔 안테나 또는 위상 어레이 안테나를 포함하거나, 듀얼 직교 편광 안테나, 또는 선택가능한 선형이나 원형의 빔을 제공하는 안테나와 같은, 선택가능한 빔들을 제공하는 임의의 다른 안테나 아키텍쳐를 포함할 수 있다.
추가하여, 안테나 조향 알고리즘은, 복수의 지향성 안테나 빔들을 스캐닝하기 이전에 전방향성 안테나 빔을 선택하고, 전방향성 빔 안테나에 의해 수신된 신호에 대해 계산된 품질 메트릭을 수신기로부터 수신하며, 복수의 지향성 안테나 빔들이 스캐닝되어야 할지의 여부를 판정하기 위해 상기 계산된 품질 메트릭을 스캔 임계치와 비교하도록, 빔 선택기를 동작시킨다.
추가하여, 안테나 조향 알고리즘은, 수신된 신호들에 대해 계산된 품질 메트릭을 수신기로부터 수신하고, 어느 지향성 빔들이 스캐닝될 것인지를 판정하기 위해 상기 계산된 품질 메트릭을 스캔 임계치와 비교하기 위해, 안테나 빔들 모두 또는 그 서브셋을 순차적으로 선택하도록 빔 선택기를 동작시킨다.
스마트 안테나는 유익하게도 방위각 방향 및 앙각 방향으로 지향성 안테나 빔들을 발생한다. 스마트 안테나는 적어도 하나의 지상 리피터로부터 신호를 수신할 수도 있기 때문에, 스마트 안테나는, 빔 선택기가, 적어도 하나의 지상 리피터로부터 신호를 수신하기 위해 방위각 및 앙각 방향에서 지향성 안테나 빔들을 선택하고, 적어도 하나의 위성으로부터 신호를 수신하기 위해 방위각 및 앙각 방향에서 지향성 안테나 빔들을 선택하는 것을 허용한다.
위성 통신 가입자 장치는 스마트 안테나로부터 신호를 전송하기 위한 전송기를 더 포함할 수 있다. 안테나 조향 알고리즘은, 복수의 안테나 빔들의 일부만이 적어도 한 위성의 알려진 방향에 기초하여 스캐닝되도록, 스캐닝 동안에 빔 선택기를 동작시킬 수 있다.
비대칭 지향성을 제공하여 결과적으로 방위각 방향 또는 앙각 방향 또는 이들 모두의 방향에서 각도 다이버시티를 제공함으로써, 본 발명의 위성 통신 가입자 장치는, 단일 엘리먼트 전방향성 안테나 시스템의 신호 다이버시티의 비가용성 문제 뿐만 아니라, 듀얼 엘리먼트 다이버시티 안테나 시스템의 고정된 대칭적 빔 패턴에 기인한 랜덤 다중경로 페이딩에 대한 무능력의 문제를 해결하고 있다. 게다가, 안테나 빔들은, 인접하는 방송 신호로부터의 원치않는 간섭으로부터 벗어나 원하는 전송기 소스 쪽으로 향할 수 있다.
본 발명의 또 다른 면은, 전술한 바와 같이 위성 통신 가입자 장치를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 복수의 안테나 빔을 스캐닝하도록 빔 선택기를 동작시키는 단계와, 각각의 스캐닝된 안테나 빔에 대해 계산된 품질 메트릭을 수신기로부터 수신하는 단계와, 계산된 품질 메트릭을 비교하는 단계와, 위성 또는 지상 리피터로부터 신호를 계속 수신하기 위해 상기 비교에 기초하여 스캐닝된 안테나 빔들중 하나를 선택하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 위상 통신 가입자 장치를 포함하는 위성 디지털 무선 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 위성 통신 가입자 장치의 블럭도이다.
도 3은 도 1에 도시된 위성 통신 가입자 장치를 동작시키기 위한 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 스마트 안테나의 한 실시예의 개략도이다.
도 5는, 지향성이며 방위각 방향으로 조향가능한 안테나 빔들을 제공하기 위해 독립적으로 조절가능한 리액티브 부하 요소들을 포함하는 도 4에 도시된 스마트 안테나의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 6은 앙각 방향으로 조향가능한 안테나 빔을 제공하기 위해 2개의 평행판 사이에 가변 리액티브 부하가 삽입된 도 5에 도시된 지면(ground plane)의 부분 측면의 개략도이다.
도 7은 한 쌍의 어레이에 피딩(feeding)되는 쉘턴-버틀러(Shelton-Butler) 매트릭을 포함하는 도 1에 도시된 스마트 안테나의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 8은 도 7에 도시된 스마트 안테나에 의해 발생된 방위각 및 앙각 방향의 지향성 안테나 빔들의 3차원 도면이다.
본 발명의 양호한 실시예들이 도시되어 있는 첨부된 도면들을 참조하여, 이하에서 본 발명이 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 본 명세서에서 제시하는 실시예들만으로 제한되어서는 안되며, 많은 상이한 형태로도 구현가능할 것이다. 오히려, 이들 실시예들은 본 발명의 범위를 당업자에게 완벽하게 전달하기 위해 제공되는 것이다. 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분에는 유사한 참조 번호가 부여되어 있으며, 대안적 실시예에서 유사한 요소들을 가리키기 위해 프라임 기호(prime notation)가 사용된다.
먼저 도 1 및 도 2를 참조하여, 위성 디지털 무선 시스템(10)이 논의될 것이다. 위성 디지털 무선 시스템(10)은 위성 통신 가입자 장치(16)와 같은 위성 통신 장치에 디지털 무선 신호들을 전송하는 하나 이상의 위성(12)을 포함한다. 가입자 장치(16)는 이동형 또는 고정형일 수 있다. 지상 리피터(14)는 디지털 무선 신호들을 재전송하기 위해 사용될 수 있다. 가입자 장치(16)는 가입자 기반의 스마트 안테나(18)와 함께 동작한다. 스마트 안테나(18)는, 이하에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 스위칭형 빔 안테나 또는 위상 어레이 안테나일 수 있다.
가입자 장치(16) 및 스마트 안테나(18)는 예를 들어 Sirius 무선 위성, XM 무선 위성, 또는 WorldSpace 위성과 같은 다양한 디지털 무선 위성들 중 적어도 하나와 호환된다. 이들 디지털 무선 위성들 중 임의의 하나로부터 무선 신호들을 수신할 때, 가입자 장치(16)는 수신-전용 모드에서 동작하기만 하면 된다. 그러나, 양방향 위성 통신 시스템에서, 가입자 장치(16)는, 당업자라면 용이하게 이해하겠 지만, 위성(12) 및/또는 지상 리피터에 신호를 전송할 수 있어야 한다.
가입자 장치(16)가 빌딩(20) 내에서 동작하고 있기 때문에, 이것은 결과적으로 다중경로 신호가 많은 환경을 초래한다. 이 예에서, 위성(12)은 가입자 장치(16)에 관해 약 45 내지 60도의 앙각에 있다. 2개의 위성(12)으로부터의 안테나 빔들(22)은 전송된 신호들을 상이한 각도로 빌딩(20) 내에 유도한다. 또한, 위성(12)으로부터의 신호들은, 지상 리피터(14)에 의해, 전방향성 안테나 빔 또는 방위각 방향의 안테나 빔(24)을 통해 빌딩(20) 내로 재전송된다.
빌딩(20) 내부에 및 가입자 장치(16) 주변에, 전송된 신호들에 대한 복수의반사된 신호 경로들(26)이 도시되어 있다. 즉, 가입자 장치는 신호 수신에 있어서 다중경로 페이딩을 겪는다. 도시된 스마트 안테나(18)는 다중경로 반사된 신호에 기초하여 최적의 신호를 수신하기 위해 지향성 안테나 빔(28)을 발생한다.
위성(12)으로부터의 신호들은, 공간 다이버시티, 상이한 주파수 대역의 이용을 통한 주파수 다이버시티, 및 시간 지연의 이용을 통한 시간 다이버시티를 제공할 수 있다. 이하에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 위성(12) 및 지상 리피터(14)는 (예를 들어, 시분할 멀티플렉싱을 이용하여) 공유된 스펙트럼 상에서 동작할 수도 있고, (예를 들어, 주파수 분할 멀티플렉싱을 이용하여) 별개의 스펙트럼 상에서 동작할 수도 있다. 현재의 위성 시스템은 신호의 위성 전송을 위해 TDM-QPSK 변조를 이용한다. 지상 리피터(14)는 신호의 지상 재전송을 위해 TDM-COFDM 변조를 이용한다.
스마트 안테나(18)에 의해 발생된 안테나 빔들은 지향성 빔들(30) 및 전방향 성 빔(32)을 포함한다. 또한, 안테나 빔들은 직교 편광 빔들, 즉, 선형 또는 원형 빔들을 포함할 수 있다. 스마트 안테나(18)가 위상 어레이 안테나이거나 스위칭형 빔 안테나인 것에 추가하여, 스마트 안테나는 듀얼 직교 편광 안테나 또는 선택가능한 선형이나 원형 빔을 제공하는 안테나와 같은, 선택가능한 빔들을 제공하는 임의의 다른 안테나 아키텍쳐를 포함할 수 있다.
가입자 장치(16)는, 스마트 안테나(18)에 결합되어 안테나 빔들(30, 32)을 선택하기 위한 빔 선택기(40)를 포함한다. 스마트 안테나(18)가 위성 어레이 안테나일 때, 한번에 하나 이상의 지향성 안테나 빔이 발생될 수 있다.
트랜시버(42)는 빔 선택기(40)에 결합되어 위성(12) 및 지상 리피터(14)로부터 신호를 수신한다. 안테나 조향 알고리즘 모듈(44)은 어느 안테나 빔이 최상의 수신을 제공하는지를 판정하기 위해 안테나 조향 알고리즘(46)을 실행한다. 최상의 수신을 제공하는 선택된 안테나 빔은 위성(12)들 중 하나 또는 지상 리피터(14)에 대응한다. 안테나 빔들은 상이한 편광을 가질 수도 있기 때문에, 최상의 안테나의 선택은, 어느 편광이 최상의 수신을 제공하는지에 기초할 것이다.
안테나 조향 알고리즘 모듈(44)이, 도시된 바와 같이 트랜시버(42) 및 빔 선택기(40)로부터 분리되는 것 대신에, 당업자라면 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 빔 선택기나 트랜시버 내에 주재할 수도 있다. 안테나 조향 알고리즘(46)은, 위성(12) 및 지상 리피터(14)로부터 신호를 수신하기 위해 복수의 안테나 빔들(30, 32)을 스캐닝하도록 빔 선택기(40)를 동작시킨다.
트랜시버(42) 내의 품질 메트릭 모듈(48)은 각각의 스캐닝된 안테나 빔에 의 해 수신된 신호들에 대해 품질 메트릭을 계산하고, 그 다음, 품질 메트릭들은 안테나 조향 알고리즘(46)에 의해 비교된다. 상기 비교에 기초하여, 그 연관된 위성(12) 및 지상 리피터(14)로부터 신호를 계속 수신하기 위해 스캐닝된 안테나 빔들 중 하나가 선택된다. 스캐닝된 안테나 빔들은 상이한 편광을 가질 수 있기 때문에, 품질 메트릭도 역시 상이한 편광과의 수신에 기초하여 결정된다.
계산된 품질 메트릭은 저품질 메트릭 임계치와 비교되고, 그 저품질 매트릭 임계치 아래로 떨어지는 계산된 품질 메트릭에 대해, 그 연관된 대응하는 안테나 빔은 선택을 행할 때 무시된다. 계산된 품질 메트릭은 신호 품질 메트릭일 수 있다.
신호 품질 메트릭은, 수신 신호 강도 표시자 또는 수신된 신호의 신호-대-잡음비를 포함할 수 있다. 대안으로서, 계산된 품질 메트릭은, 수신된 신호의 데이터 처리량 또는 에러 레이트와 같은 링크 품질 메트릭일 수도 있다. 또한, 계산된 품질 메트릭은 신호 품질 메트릭들 중 하나와 링크 품질 메트릭들 중 하나와의 조합일 수도 있다.
이제 스마트 안테나(18)를 동작시키기 위한 방법이 도 3에 도시된 흐름도를 참조하여 논의될 것이다. 개시(블럭 60)로부터, 전송된 신호를 처음으로 수신하기 위해 전방향성 안테나 빔(32)이 블럭 62에서 선택된다. 전방향 안테나 빔(32)을 통해 수신된 신호들에 대해 품질 메트릭이 계산되고, 계산된 품질 메트릭은 블럭 64에서 스캔 임계치와 비교된다. 그 다음, 복수의 지향성 안테나 빔들(30)에 대한 스캐닝을 수행할지의 여부에 관해 결정이 블럭 66에서 이루어진다. 스마트 안테 나(16)가 전방향성 안테나 빔(32)을 발생할 수 없는 경우에, 지향성 안테나 빔(30)들 중 하나가 선택되어 사용된다.
만일 스캐닝 결정이 "예"이면, 블럭 68에서 복수의 지향성 안테나 빔들(30)이 스캐닝되고, 각각의 스캐닝된 안테나 빔에 의해 수신된 신호들 상에 품질 메트릭이 블럭 70에서 계산된다. 블럭 72에서, 계산된 품질 메트릭이 비교된다.
지향성 안테나 빔들(30)이 스캐닝된 후에, 계산된 품질 메트릭이 최적화되었는지를 판정하기 위해 블럭 74에서 또 다른 판정이 이루어진다. 만일 스마트 안테나(18)가 스위칭형 빔 안테나라면, 이러한 최적화는, 가장 높은 품질 메트릭을 갖는 신호를 수신하는 스캐닝된 안테나 빔을 선택하는 것에 기초한다.
또한, 계산된 품질 메트릭은 전술한 바와 같이 저품질 메트릭 임계치와 비교될 것이다. 그 저품질 메트릭 임계치 아래로 떨어지는 계산된 품질 메트릭에 대해, 그 연관된 대응하는 안테나 빔은 스캐닝을 수행할 때 무시된다.
만일 스마트 안테나(180)가, 위상 어레이 안테나, 스위칭형 빔 안테나 또는 동시 다중-편광 안테나라면, 한번에 하나 이상의 안테나 빔이 발생될 수 있다. 이 경우, 상이한 다중경로 신호들을 수신하기 위해 동시에 복수의 안테나 빔들이 발생될 수 있다. 품질 메트릭의 최적화는, 선택된 안테나 빔들의 위상 정렬에 기초하고, 그 결과 최고의 품질 메트릭을 갖는 신호의 수신으로 이어진다. 수신된 신호들은 각각 위상 및 진폭을 갖는 벡터 신호들이기 때문에, 당업자라면 용이하게 이해하는 바와 같이, 신호들은 서로 가산되거나 감산된다. 이것은 위성(12) 및 지상 리피터(14)가 동일한 채널 상에서 동작할 때 특히 그러하다.
예로서, 최고의 품질 메트릭을 갖는 신호들을 수신하는 스캐닝된 안테나 빔은, 스마트 안테나(18)가 예를 들어 2개의 다른 안테나 빔들로부터도 역시 신호를 수신할 때, 더 최적화될 수 있다. 여기서, 이들 2개의 다른 안테나 빔들은 최고의 품질 메트릭을 갖는 신호들에 (감산이 아니라) 가산된다. 발생될 수 있는 안테나 빔들의 갯수에 의존하여, 어느 조합의 위상이 수신된 다중경로 신호들을 정렬하는지를 알기 위해 사전설정된 조합의 안테나 빔들이 조합될 수 있다.
만일 품질 메트릭이 최적화되었다면, 지향성 안테나 빔(들) 중 하나가 블럭 76에서 선택되고, 대응하는 위성(12) 및 지상 리피터(14)와의 통신이 계속된다. 블럭 78에서, 리스캔이 수행될 필요가 있는지의 여부를 결정하기 위한 판정이 이루어진다. 이러한 리스캔은 시간 주기적 리스캔, 또는 리스캔 임계치 아래로 떨어지는 선택된 안테나 빔(들)을 통해 수신되는 신호에 기초할 수 있다. 어떤 경우에는, 블럭 80에서 스마트 안테나(18)을 리셋하고 전방향성 안테나 빔(32)과 함께 모두 시작하는 것이 바람직할 것이다. 예를 들어, 가입자 장치(16)는 파워-오프된 후 다시 파워-온되거나, 가입자 장치가 터널을 통과하면서 지상 리피터(14)로부터 신호를 수신할 필요가 있다. 이 방법은 블럭 82에서 종료한다.
위상 어레이 스마트 안테나와 더불어 복수의 안테나 빔들을 동시에 발생하는 또 다른 잇점은, 상이한 채널들이 위성(12) 및 지상 리피터(14)에 의해 사용되고 있는 경우이다. 예를 들어, 위성(12)들 중 하나는 채널 1 상에서 신호를 전송하고 있고, 다른 위성은 채널 2에서 신호를 전송하고 있으며, 지상 리피터(14)는 채널 3에서 신호를 전송하고 있다. 동시에 3개의 안테나 빔들을 발생함으로써, 각각의 안테나 빔은 각각의 소스 쪽으로 향할 수 있으며, 계산된 품질 메트릭에 기초하여, 최고의 품질 메트릭을 갖는 신호를 제공하는 안테나 빔이 선택된다. 또한, 검색 또는 스캐닝된 지향성 안테나 빔(30)은, 위성(12) 및 지상 리피터(14)의 알려진 방향들에 기초한 제한된 세트일 것이다.
스마트 안테나(18)의 상이한 실시예들이 도 4 내지 도 8을 참조하여 논의될 것이다. 스마트 안테나(18)의 한 실시예는 도 4에 도시된 바와 같이 평면의 삼각형 지면(94) 상에 놓인 4개의 안테나 요소(90, 92)를 포함한다. 안테나 요소들 중 3개(90)가 삼각형의 지면(94)의 코너에 놓이고, 안테나 요소들 중 하나(92)는 삼각형의 지면(94)의 중심에 놓인다. 지면(94)의 도시된 형상과 안테나 요소들(90, 92)의 도시된 갯수는, 당업자라면 용이하게 이해하는 바와 같이, 의도한 응용에 따라 달라질 수 있다.
스위칭형 빔 안테나의 한 형태에서, 3개의 외측 안테나 요소들(90)은 수동형(passive)이고, 중심의 안테나 요소(92)는 능동형(active)이다. 수동형 요소들(90)은 능동형 요소(92)와 함께 동작하며 어레이를 형성한다. 복사 패턴(radiation pattern)을 변경하기 위해, 수동형 요소들(90)의 종단 임피던스(termination impedance)는, 이들 요소들에 흐르는 전류를 변경하도록 스위칭가능하다. 수동형 요소들(90)은 예를 들어 핀 다이오드를 이용하여 지면(94)에 단락될 때 리플렉터(reflector)가 된다. 수동형 요소들(90)이 지면(94)에 단락되지 않을 때, 이들은 안테나 특성에 거의 영향을 주지 않는다.
또 다른 실시예에서, 안테나 요소들(90, 92)은 모두 능동형 요소들이고 위상 어레이 안테나를 제공하기 위해 독립적으로 조절가능한 위상 쉬프터와 조합된다. 이 실시예에서, 방위각 방향의 전방향성 빔 뿐만 아니라 복수의 지향성 빔들이 발생될 수 있다.
본질적으로, 위상 어레이 안테나는 복수의 안테나 요소들과, 다소 적지만 유사한 갯수의 조절가능한 위상 쉬프터를 포함한다. 위상 쉬프터들 각각은 안테나 요소들 중 각각 하나와 결합된다. 위상 쉬프터들은 독립적으로 조절가능(즉, 프로그램가능)하여, 안테나 요소들 각각 상에서 수신/송신되는 각각의 다운링크/업링크 신호의 위상에 영향을 미친다.
합산 회로도 역시 각각의 위상 쉬프터에 결합되어, 가입자 장치로부터의 전송을 위해 가입자 장치(16)로부터 각각의 위상 쉬프터로 각각의 업링크 신호를 제공한다. 합산 회로도 역시 각각의 위상 쉬프터로부터 각각의 다운링크 신호를 수신하여, 이를 가입자 장치(16)에 제공되는 하나의 수신된 다운링크 신호로 결합된다.
위상 쉬프터도 역시 독립적으로 조절가능하여 가입자 장치(16)의 각각의 안테나 요소 상에서 수신되는 다운링크 신호들의 위상에 영향을 준다. 다운링크 링크 신호들에 대한 위상을 조절함으로써, 스마트 안테나(18)는, 수신된 신호로서 가입자 장치(16)에 대해 의도된 다운링크 신호들로서 유사한 방향으로부터 전송되지 않은 신호들의 거부를 제공한다.
스마트 안테나(18')의 또 다른 실시예가 도 5에 도시되어 있으며, 여기서 삼각형의 지면(94')의 코너에 위치한 3개의 안테나 요소(90')들은, 안테나 요소들의 상부 반쪽(901') 및 하부 반쪽(902')에서, 독립적으로 조절가능한 리액티브 부하 요소들을 가진다. 이와 같은 실시예는 방위각 및/또는 앙각 방향으로 지향성인 복수의 빔들을 제공할 수 있다.
독립적으로 조절가능한 리액티브 부하 요소들은, 예를 들어, 안테나 요소들 상에 비대칭 부하를 제공하기 위해, 버랙터 또는 기계적으로 삽입가능한 RF 초크 요소들을 포함한다. 그 결과, 앙각 방향으로 지향성인 안테나 빔들이 형성된다.
지면(94")의 또 다른 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 여기서, 가변 에지 임피던스(96")가 지면(94")의 2개의 평행판(100", 102") 사이에 삽입된다. 가변 에지 임피던스(96")는 에지 임피던스를 제어하기 위한 버랙터 부하일 수 있으며, 결과적으로, 발생된 안테나 빔들의 앙각 방향에서 상방향 또는 하방향 경사각을 유발한다. 연속적인 리액턴스 월(continuous wall of reactance)을 근사화하기 위해 지면(94")에 복수의 리액티브 부하가 위치할 수 있으며, 상이한 위치들에서의 리액턴스의 값들은 상이할 수 있으므로, 빔 경사각도 역시 방위각의 함수가 될 수 있다.
스마트 안테나(18")의 역시 또 다른 실시예가 도 7에 도시되어 있으며, 여기서, 앙각 쉘턴-버틀러 매트릭(120")의 한 행은, 도 8에 도시된 바와 같이, 고립된 좁은 앙각 폭 빔들(124")을 생성하기 위해, 2개 이상의 적층된 원형 어레이(122")에 피딩(feeding)된다. 각각의 원형 어레이(122")도 역시 세로로 2개의 쉘턴-버틀러 매트릭(130")에 의해 피딩되어, 안테나 빔들은 펜슬 빔들(pencil beams)로 정의 된다. 방위각 빔 분포는 3-dB 코로스오버를 가지며, 앙각 빔들은 상이한 크로스오버 값들을 갖도록 설계될 수 있다. 결과적인 빔들은, 방위각에서 뿐만 아니라 앙각에서, 고도로 구분되는 복수의 안테나 룩 패턴(antenna look pattern)을 제공한다. 포트 선택을 통해, 빔 방향이 전자적으로 변경될 수 있다.
스마트 안테나(18)가 위성(12) 또는 지상 리피터(14)에 관하여 다양한 배향에 적응하도록 위상 어레이 안테나로서 구성될 때, 빔 선택기(40)는 조절가능한 위상 쉬프터들 각각에 결합된 제어기를 포함한다. 제어기는 각각의 위상 쉬프터에 대해 최적의 위상 설정을 결정한다. 각각의 요소의 적절한 위상은, 예를 들어, (위성 전송의 경우) TDM-QPSK 또는 (지상 리피터 전송의 경우) TDM-COFDM 신호들에서 전송된 시분할 멀티플렉스(TDM) 파일럿 신호들에 대한 최적의 응답을 감시함으로써 결정된다. 따라서, 스마트 안테나(18)는 트랜시버(42)로부터의 신호 전송을 위한 빔 형성기로서 역할하며, 트랜시버에 의해 수신된 신호들에 대해 지향성 안테나로서 역할한다.
각각이 프로그램가능한 위상을 갖는 안테나 요소들의 어레이를 사용함으로써, 안테나 장치는, N개의 안테나 요소들에 의존하여, 업링크 통신에 대해 전송되는 비트당 유효 전송 전력을 5 내지 12 데시벨(dB)만큼 증가시키는 것으로 추정된다. 따라서, 가입자 장치(16)의 전송 전력은 업링크 성능을 희생하지 않고도 감소될 수 있다. 또한, 수신 모드에서 사용될 때, 수신된 신호 품질은 다운링크에서 개선될 수 있다. 결과적으로, 무선 오디오 신호의 인지 품질이 개선될 수 있다.
실내, 또는, 직접적 위성 링크로부터의 직접적 시야선 경로들이 약하거나 이 용불가능한 기타의 다중경로가 많은 환경에서 사용될 때, 스마트 안테나(18)의 지향성은, 열악한 다중경로 환경에서 높은 수신 성능을 달성하기 위해 복수의 반사된 무선 경로들로부터 가용 에너지를 모은다. 스마트 안테나(18)의 지향성은, 또한, 가입자 장치(16)가 소정의 방향으로부터 오는 원치 않거나 희망하지 않는 간섭을 억제하여, 원하는 링크에 대한 무선 성능을 개선시킬 수 있도록 허용한다.
전술한 스마트 안테나(18)의 물리적 구현에 관하여, 총 N개의 안테나 요소들 중에서 처음 N-1개의 안테나 요소들이, 등변 다각형의 코너에 대응하는 위치들에 배치되고, 마지막 안테나 요소가 다각형의 지면의 중심에 배치된다. N개 요소들 모두는 다각형에 의해 정의된 평면에 대해 수직으로 정렬된다. 이와 같은 실시예들에서, 스마트 안테나는, 앙각 방향에서는 본질적으로 동일한 패턴을 가지며 방위각 방향에서는 지향성 또는 전방향성 빔들로서 구분될 수 있는 빔들을 보여준다.
추가적으로, 높은 이득의 지향성 빔들을 채택함으로써, 디지털 무선 신호 전송기(즉, 위성(12) 또는 지상 리피터(14))와 가입자 장치(16) 사이에 명확한 시야선 무선 경로가 존재할 때, 무선 링크 성능이 상당히 향상된다. 더 구체적으로, 유익하게도, 방위각 방향 뿐만 아니라 앙각 방향에서도 지향성이 제공되어, 궤도 내의 위성들로부터 신호를 수신하는 가입자 장치에 대해 향상된 무선 성능을 위한 최적의 접근법을 제공하게 된다.
전술한 설명들과 연관된 도면들의 교시로부터, 본 발명의 많은 수정 및 기타의 실시예들이 당업자들에게는 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 공개된 특정의 실시예들만으로 제한되어서는 안되며, 이러한 수정 및 실시예들은 첨부된 특허청구 범위 내에 포함하도록 의도되었다.

Claims (31)

  1. 위성 통신 가입자 장치에 있어서,
    적어도 하나의 위성으로부터 신호들을 수신하기 위해 복수의 안테나 빔들을 발생하기 위한 스마트 안테나;
    각각의 안테나 빔에 의해 수신된 신호들 상에서 품질 메트릭을 계산하기 위한 품질 메트릭 모듈을 포함하는 수신기;
    상기 스마트 안테나에 결합되어 복수의 안테나 빔들을 선택하기 위한 빔 선택기; 및
    안테나 조향 알고리즘(antenna steering algorithm)을 실행하기 위한 안테나 조향 알고리즘 모듈
    을 포함하고, 상기 안테나 조향 알고리즘은,
    상기 복수의 안테나 빔들을 스캐닝하도록 상기 빔 선택기를 동작시키고,
    각각의 스캐닝된 안테나 빔에 대해 상기 수신기로부터 상기 계산된 품질 메트릭을 수신하고,
    상기 계산된 품질 메트릭을 비교하고,
    상기 적어도 하나의 위성으로부터 신호들을 계속 수신하기 위해 상기 비교에 기초하여 상기 스캐닝된 안테나 빔들 중 하나를 선택하기 위한 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 계산된 품질 메트릭은 또한 저품질 메트릭 임계치와 비교되고, 상기 저품질 메트릭 임계치 아래로 떨어지는 계산된 품질 메트릭에 대해, 그 연관된 대응하는 안테나 빔은 선택을 행할 때 무시되는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 안테나 빔들 중 적어도 일부는 상이한 편광을 갖는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 상이한 편광은 선형 및 원형 편광 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 계산된 품질 메트릭은 수신 신호 강도 표시자 및 상기 수신된 신호의 신호-대-잡음비 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 계산된 품질 메트릭은 상기 수신된 신호의 데이터 처리량 및 에러 레이트 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 안테나 빔들은 복수의 지향성 안테나 빔들과 전방향성(omni-directional) 안테나 빔을 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 안테나 조향 알고리즘은 상기 복수의 지향성 안테나 빔들을 스캐닝하도록 상기 빔 선택기를 동작시키는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 안테나 조향 알고리즘은, 상기 복수의 지향성 안테나 빔들을 스캐닝하기 이전에 상기 전방향성 안테나 빔을 선택하고, 또한 상기 전방향성 안테나 빔에 의해 수신된 신호들에 대해 계산된 품질 메트릭을 상기 수신기로부터 수신하도록, 상기 빔 선택기를 동작시키는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 안테나 빔들은 복수의 지향성 안테나 빔들만을 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 스마트 안테나는 복수의 지향성 안테나 빔들과 전방향성 안테나 빔을 발생하기 위한 스위칭형 빔 안테나(switched beam antenna)를 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 스마트 안테나는 복수의 지향성 안테나 빔들과 전방향성 안테나 빔을 발생하기 위한 위상 어레이 안테나(phased array antenna)를 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 위상 어레이 안테나는 방위각 방향 및 앙각 방향으로 지향성 안테나 빔들을 발생하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 스마트 안테나는 또한 적어도 하나의 지상 리피터로부터 신호들을 수신하고, 상기 빔 선택기는 상기 적어도 하나의 지상 리피터로부터 신호들을 수신하기 위해 방위각 방향에서 상기 지향성 안테나 빔들을 선택하며, 상기 적어도 하나의 위성으로부터 신호들을 수신하기 위해 앙각 방향에서 상기 지향성 빔들을 선택하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 스마트 안테나로부터의 신호들을 전송하기 위한 전송기를 더 포함하는 위성 통신 가입자 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 안테나 조향 알고리즘은, 상기 복수의 안테나 빔들 중 일부만이 상기 적어도 하나의 위성의 알려진 방향에 기초하여 스캐닝되도록, 스캐닝 동안에 상기 빔 선택기를 동작시키는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  17. 위성 통신 가입자 장치에 있어서,
    방위각 방향 및 앙각 방향으로 복수의 지향성 안테나 빔들을 발생하기 위한 스마트 안테나로서, 상기 복수의 지향성 빔들은 위성 및 지상 리피터 중 적어도 하나로부터 신호들을 수신하기 위한 것인, 상기 스마트 안테나;
    각각의 지향성 안테나 빔에 의해 수신된 신호들 상에서 품질 메트릭을 계산하기 위한 품질 메트릭 모듈을 포함하는 트랜시버;
    상기 스마트 안테나에 결합되어 상기 방위각 및 앙각 방향에서 상기 복수의 지향성 안테나 빔들을 선택하기 위한 빔 선택기; 및
    안테나 조향 알고리즘을 실행하기 위한 안테나 조향 알고리즘 모듈
    을 포함하고, 상기 안테나 조향 알고리즘은,
    상기 복수의 지향성 안테나 빔들을 스캐닝하도록 상기 빔 선택기를 동작시키고,
    각각의 스캐닝된 안테나 빔에 대해 상기 트랜시버로부터 상기 계산된 품질 메트릭을 수신하고,
    상기 계산된 품질 메트릭을 비교하고,
    상기 위성 또는 지상 리피터로부터의 신호들을 계속 수신하기 위해 상기 비교에 기초하여 상기 방위각 또는 앙각 방향에서 상기 스캐닝된 지향성 안테나 빔들 중 하나를 선택하기 위한 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 계산된 품질 메트릭은 또한 저품질 메트릭 임계치와 비교되고, 상기 저품질 메트릭 임계치 아래로 떨어지는 계산된 품질 메트릭에 대해, 그 연관된 대응하는 안테나 빔은 선택을 행할 때 무시되는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 계산된 품질 메트릭은 수신 신호 강도 표시자 및 상기 수신된 신호의 신호-대-잡음비 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 계산된 품질 메트릭은 상기 수신된 신호의 데이터 처리량 및 에러 레이트 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  21. 제17항에 있어서, 상기 스마트 안테나는 또한 전방향성 안테나 빔을 발생하고, 상기 안테나 조향 알고리즘은, 상기 복수의 지향성 안테나 빔들을 스캐닝하기 이전에 상기 전방향성 안테나 빔을 선택하고, 또한 상기 전방향성 안테나 빔에 의해 수신된 신호들에 대해 계산된 품질 메트릭을 상기 트랜시버로부터 수신하고, 상기 복수의 지향성 안테나 빔들이 스캐닝되어야 할지의 여부를 판정하기 위해 상기 계산된 품질 메트릭을 스캔 임계치와 비교하도록, 상기 빔 선택기를 동작시키는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  22. 제17항에 있어서, 상기 스마트 안테나는 스위칭형 빔 안테나 및 위상 어레이 안테나 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  23. 제17항에 있어서, 상기 안테나 조향 알고리즘은, 상기 복수의 안테나 빔들 중 일부만이 상기 위성 및 지상 리피터의 알려진 방향에 기초하여 스캐닝되도록, 스캐닝 동안에 상기 빔 선택기를 동작시키는 것인, 위성 통신 가입자 장치.
  24. 적어도 하나의 위성으로부터 신호들을 수신하기 위해 복수의 안테나 빔들을 발생하기 위한 스마트 안테나와, 각각의 안테나 빔에 의해 수신된 신호들 상에서 품질 메트릭을 계산하기 위한 품질 메트릭 모듈을 포함하는 수신기와, 상기 스마트 안테나 결합된 빔 선택기와, 안테나 조향 알고리즘을 실행하기 위한 안테나 조향 알고리즘 모듈을 포함하는 위성 통신 가입자 장치를 동작시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 복수의 안테나 빔들을 스캐닝하도록 상기 빔 선택기를 동작시키는 단계;
    각각의 스캐닝된 안테나 빔에 대해 상기 수신기로부터 상기 계산된 품질 메트릭을 수신하는 단계;
    상기 계산된 품질 메트릭을 비교하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 위성으로부터 신호들을 계속 수신하기 위해 상기 비교에 기초하여 상기 스캐닝된 안테나 빔들 중 하나를 선택하는 단계
    를 포함하는, 위성 통신 가입자 장치를 동작시키기 위한 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 계산된 품질 메트릭은 또한 저품질 메트릭 임계치와 비교되고, 상기 저품질 메트릭 임계치 아래로 떨어지는 계산된 품질 메트릭에 대해, 그 연관된 대응하는 안테나 빔은 선택을 행할 때 무시되는 것인, 위성 통신 가 입자 장치를 동작시키기 위한 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 복수의 안테나 빔들 중 적어도 일부는 상이한 편광을 갖는 것인, 위성 통신 가입자 장치를 동작시키기 위한 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 계산된 품질 메트릭은, 수신 신호 강도 표시자, 상기 수신된 신호의 신호-대-잡음비, 상기 수신된 신호의 데이터 처리량 및 에러 레이트 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치를 동작시키기 위한 방법.
  28. 제24항에 있어서, 상기 복수의 안테나 빔들은 복수의 지향성 안테나 빔들 및 전방향성 안테나 빔을 포함하는 것인, 위성 통신 가입자 장치를 동작시키기 위한 방법.
  29. 제24항에 있어서, 상기 안테나 조향 알고리즘은, 상기 복수의 지향성 안테나 빔들을 스캐닝하기 이전에 상기 전방향성 안테나 빔을 선택하도록 상기 빔 선택기를 동작시키고,
    상기 전방향성 안테나 빔에 의해 수신된 신호들에 대해 계산된 품질 메트릭을 상기 수신기로부터 수신하는 단계와;
    상기 복수의 지향성 안테나 빔들이 스캐닝되어야 할지의 여부를 판정하기 위해 상기 계산된 품질 메트릭을 스캔 임계치와 비교하는 단계
    를 더 포함하는, 위성 통신 가입자 장치를 동작시키기 위한 방법.
  30. 제24항에 있어서, 상기 스마트 안테나는 방위각 방향 및 앙각 방향으로 지향성 안테나 빔들을 발생하는 것인, 위성 통신 가입자 장치를 동작시키기 위한 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 스마트 안테나는 또한 적어도 하나의 지상 리피터로부터 신호들을 수신하고, 상기 빔 선택기는 상기 적어도 하나의 지상 리피터로부터 신호들을 수신하기 위해 방위각 방향에서 상기 지향성 안테나 빔들을 선택하며, 상기 적어도 하나의 위성으로부터 신호들을 수신하기 위해 앙각 방향에서 상기 지향성 빔들을 선택하는 것인, 위성 통신 가입자 장치를 동작시키기 위한 방법.
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