KR20070057272A - 지향성 안테나를 위한 적응 포인팅 - Google Patents

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KR20070057272A
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케니스 엠 게이니
제임스 씨 오토
자너슨 엘 휴즈
그리핀 케이 고사드
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아이피알 라이센싱, 인코포레이티드
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Abstract

지향성 안테나는 랭킹 프로세스에 기초하여 포인팅된다. 선택의 랭킹 프로세스는 순방향 및 역방향 링크에 있어서의 최상의 전체 시스템 성능을 위한 파일럿 신호로부터 측정된 것과 같은 Es/No 및 파일럿 전력 파라미터를 사용한다. 이러한 포인팅 및 랭킹 프로세스의 사용은 간섭 및 다중경로 구동 환경에서 지향성 안테나의 적응 포인팅을 가능하게 한다. 포인팅 및 랭킹 프로세스는 주어진 기지국과 통신하거나 주어진 기지국을 선택하기 위한 "최상의" 포인팅 각도를 선택하기 위해 사용될 수 있다. 프로세스는 상이한 환경들에서 사용하기 위한 미세 조정 기술을 포함할 수 있다. 미세 조정은 지향성 안테나의 동작 환경 또는 지향성에 관련된 가중치의 사용을 포함할 수 있다.
지향성 안테나, 포인팅, 랭킹 프로세스, 각도, 수신 전력, 가중치, 상관인자

Description

지향성 안테나를 위한 적응 포인팅{ADAPTIVE POINTING FOR DIRECTIONAL ANTENNAS}
도 1은 2가지 상이한 유형의 채널 인코딩을 이용하는 시스템의 블록도.
도 2는 지향성 안테나 장치를 사용하는 CDMA 셀룰러 통신 시스템의 한 셀을 도시한 도면.
도 3은 도 2의 셀룰러 통신 시스템에서 필드 유닛에 의해 사용된 지향성 안테나 장치의 양호한 구성을 도시한 도면.
도 4는 도 3의 필드 유닛에 의해 사용된 지향성 안테나 장치의 대안적인 구성을 도시한 도면.
도 5는 지향성 안테나 패턴을 갖는 필드 유닛을 나타내는 도 2의 통신 시스템의 시스템도.
도 6은 도 5의 안테나 각도들 중의 한 각도를 선택하는데 사용되는 메트릭을 결정하기 위해 필드 유닛에 의해 사용된 회로도.
도 7은 도 6의 메트릭에 기초하여 각도 세팅을 선택하기 위해 필드 유닛에 의해 사용된 프로세스의 일반화된 흐름도.
도 8은 각도 세팅을 선택하고 랭크하기 위한 도 7의 프로세스에 의해 사용된 흐름도.
도 9a는 도 7의 프로세스의 제1 실시양상의 상세한 흐름도.
도 9b는 도 7의 프로세스의 제2 실시양상의 상세한 흐름도.
도 10은 도 7의 프로세스에 의해 선택적으로 사용하기 위한 가중치를 계산하는데 사용된 프로세스의 흐름도.
도 11은 도 10의 프로세스에 의해 사용하기 위해 10개의 상이한 참조 위치를 사용하여 10번 반복된 이론적 자유 공간 지향성 안테나 패턴을 도시한 도면.
도 12는 도 10의 프로세스에 의해 사용하기 위한, 이론적 자유 공간 지향성 안테나 패턴 및 중첩된 이론적 측정 파일럿 전력 패턴을 도시한 도면.
도 13은 도 10에서 가중치로서 적용된 최대 상관 인수(CF)를 계산하기 위해 계산이 행해질 수 있는 화살표 표시의 측정된 파일럿 전력 패턴 및 실제 측정된 자유 공간 안테나 패턴의 플롯.
본 발명은 지향성 안테나를 위한 적응 포인팅에 관한 것이다.
코드 분할 다중 액세스(CDMA) 변조는 기지국과 하나 이상의 필드 유닛 사이에 무선 통신을 제공하기 위해 사용될 수 있다. CDMA 셀룰러 시스템에 있어서, 다수의 필드 유닛은 동일한 주파수 상에서 신호들을 송수신할 수 있는데, 이들 신호는 각 유닛별로 신호의 검출을 가능케 하기 위해 상이한 코드를 갖는다. 전형적인 필드 유닛으로는 디지털 셀룰러 전화 핸드셋, 또는 셀룰러 모뎀에 연결된 퍼스널 컴퓨터가 있다.
기지국은 전형적으로, 육상 기반의 일반 전화 교환망(PSTN)에 상호접속되거나, 데이터 시스템인 경우에 인터넷 서비스 제공자(ISP)를 통하는 것과 같은 인터넷 게이트웨이에 상호접속되는 컴퓨터 제어형 송수신기 세트이다. 기지국은 순방향 링크 무선 주파수 신호를 필드 유닛에 보내는 안테나 장치를 포함한다. 기지국 안테나는 또한 각 필드 유닛으로부터 송신된 역방향 링크 무선 주파수 신호를 수신할 책임이 있다. 각 필드 유닛은 또한 순방향 링크 신호를 수신하고 역방향 링크 신호를 송신하기 위한 안테나 장치를 포함한다.
필드 유닛에서 신호를 송수신하기 위해 사용된 가장 일반적인 유형의 안테나는 단극(mono-pole) 또는 무지향성(omni-directional) 안테나이다. 이러한 유형의 안테나는 필드 유닛 내의 송수신기에 연결되는 단선(single wire) 또는 안테나 소자로 이루어진다. 송수신기는 필드 유닛 내의 회로로부터 송신될 수 있는 역방향 링크 신호를 수신하여, 그 신호를 안테나 소자 상에서 그 필드 유닛에 할당된 특정 주파수에서 변조시킨다. 특정 주파수에서 안테나 소자에 의해 수신된 순방향 링크 신호는 송수신기에 의해 복조되어, 필드 유닛 내의 프로세싱 회로에 공급된다.
단극 안테나로부터 송신된 신호는 사실상 무지향성이다. 즉, 신호는 일반적으로 수평면 내의 모든 방향으로 동일한 신호 강도로 보내진다. 단극 안테나 소자에 대한 신호의 수신도 마찬가지로 무지향성이다. 모노폴 안테나는 다른 방향으로부터 오는 동일하거나 상이한 신호의 검출에 대해 한 방향의 신호를 검출할 수 있는 능력에 차이가 없다.
필드 유닛에 의해 사용될 수 있는 두번째 유형의 안테나는 미국 특허 제5,617,102호에 설명되어 있다. 거기에 설명된 시스템은 랩탑 컴퓨터의 외부 케이스에 장착된 2개의 안테나 소자로 구성된 지향성 안테나를 제공한다. 이 시스템은 2개의 소자에 부착된 위상 시프터를 포함한다. 위상 시프터는 컴퓨터로/로부터 통신 동안에 송신 또는 수신되는 신호의 위상에 영향을 주기 위해 온되거나 오프될 수 있다. 위상 시프터를 온으로 함으로써, 안테나 송신 패턴은 집중된 신호 강도 또는 이득을 갖는 송신 빔 패턴 영역을 제공하는 예정된 반구(hemispherical) 패턴에 적응될 수 있다. 2중 소자 안테나는 신호 손실을 최소화하면서 기지국에 관련된 큰 방향 변화를 고려에 넣기 위해 신호를 예정된 사분면(quadrant) 또는 반구로 향하게 한다.
CDMA 셀룰러 시스템은 또한 간섭 제한 시스템으로 인식된다. 즉, 더 많은 필드 유닛이 하나의 셀에서 및 인접한 셀들에서 작동하게 됨에 따라, 주파수 간섭은 더욱 커지므로, 에러율이 증가한다. 에러율이 증가하면, 최대 데이터 속도는 감소한다. 그러므로, CDMA 시스템에서 데이터 속도가 증가될 수 있는 다른 방법은 작동하는 필드 유닛의 수를 감소시킴으로써, 잠재적 간섭의 전파(airwave)를 제거하는 것이다. 예를 들어, 현재 최대 이용가능한 데이터 속도를 2의 계수만큼 증가시키기 위해, 작동하는 필드 유닛의 수는 2분의 1로 감소될 수 있다. 그러나, 이것은 사용자들간 우선순위 부족으로 인해 데이터 속도를 증가시키기 위한 효율적인 메카니즘은 별로 못된다.
시뮬레이션 및 필드 측정은 간섭/다중경로 환경에서 동작하는 주파수 2중화 시스템에서의 지향성 안테나들의 동작들이 모순될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 즉, 송신 및 수신 주파수가 서로 다르기 때문에, 그리고 간섭이 임의의 방향으로부터 올 수 있기 때문에, 지향성 안테나에 대한 최적의 세팅은 역방향 링크에서와 순방향 링크에서 동일하게 될 수 없다. 적절한 역방향 링크를 여전히 달성하면서, 순방향 링크 동작을 최적화하기 위한 고려가 있어야 된다. 이 때문에, 역방향 링크의 설정을 시도할 때 최상의 안테나 세팅을 결정하기 위해서는 약간의 프로세스 분류가 필요로 된다.
순방향 링크 신호의 수신을 최적화하기 위해, 안테나 장치는 가장 큰 신호 대 잡음비(ES/NO)를 제공하는 각도에서 위상 또는 기계적 조정 기술을 통해 포인팅될 수 있는데, ES는 심볼 당 에너지로 정의되고, NO는 dB 단위의 총 잡음으로 정의된다. 이것은 ES/NO가 전체 시스템 성능을 정하는 주요 메트릭(metric)이기 때문이다. 더 양호한 ES/NO가 달성되면, 동일한 데이터 처리량을 지원하기 위해 사용자에게 공급된 전력량은 감소될 수 있다. 그러나, 많은 경우에, ES/NO에만 기초한 포인팅은 역방향 링크 성능의 상당한 저하를 초래할 수 있다. 이것은 ES/NO에 기초한 포인팅이, 인접한 셀 내의 기지국으로부터의 간섭을 줄이기 위해 필드 유닛이 통신하고 있는 기지국으로부터 멀리 떨어진 각도에서의 안테나 빔을 조정할 수도 있기 때문이다. 그러므로, 송신 및 수신을 위한 분리되고 독립된 포인팅 빔을 고려하지 않은 대부분의 저렴한 휴대용 안테나 어레이와 연관된 안테나 장치를 사용할 때, 순방향 링크의 통신은 최적화될 수 있지만, 역방향 링크의 통신은 동일한 안테나 방향 선택 시에 최적화될 수 없다. 순방향 및 역방향의 전체 통신 성능을 최대화하기 위해, 방향 선택은 또한, 파일럿 전력과 같은, 역방향 링크의 최적화 성능과 연관된 메트릭에 기초하여 이루어져야 된다.
따라서, 본 발명은 랭킹(ranking) 프로세스에 기초하여 지향성 안테나를 포인팅하는데 사용될 수 있는 기술을 제공한다. 선택의 랭킹 프로세스는 파일럿 신호로부터 측정되는 것과 같은 Es/NO 및 파일럿 전력 파라미터를 사용할 수 있다. 이러한 포인팅 및 랭킹 프로세스의 사용은 송신 및 수신 링크를 위해 포인팅하기 위한 하나의 안테나 빔만이 있는 간섭 및 다중경로 구동 환경에서 지향성 안테나의 적응 포인팅을 가능하게 한다. 이것은 송신 및 수신 링크의 주파수가 분리되는(즉, 2중화되는) 애플리케이션에 특히 유용하다.
양호한 순방향 및 역방향 링크 성능과 연관된 메트릭에 기초한 안테나 각도 세팅을 선택하는 것 이외에, 시스템은 초기 기지국 획득을 위해 이 프로세스를 사용할 수 있고, 또는 기지국과의 링크를, 예를 들어 무지향성 모드로 설정한 후에 이 프로세스를 시작할 수 있다. 또한, 가중치는 여러가지 환경 또는 지향성 인수를 고려하여 메트릭과 결합될 수 있다.
여러가지 현상은 안테나 포인팅 프로세스의 성능에 직접 영향을 미친다. 이들 현상은 한 환경과 다른 환경에서 서로 다를 수 있으며, 다중경로의 엄격성, 간 섭량, 및 평균 제곱근(RMS) 지연 확산을 포함할 수 있다.
한 실시예에서, 각도 세팅은 서로다른 환경에서 동작하는 지향성 안테나 포인팅 시스템과 함께 사용하기 위해 미세하게 조정될 수 있다. 미세 조정은 임의의 환경에서 지향성 안테나의 성능을 최대화하기 위해 각도 세팅을 결정할 때 사용된 메트릭에 조정 인수 또는 가중치를 적용한다.
환경적 가중치 이외에, 본 발명의 원리를 이용하는 시스템은 안테나 패턴과 연관된 가중치를 포함할 수 있다. 그러한 가중치의 예는 지향성 안테나 포인팅을 향상시키기 위해 다른 프로세스와 따로 또는 함께 사용될 수 있는 안테나 패턴 상관 인수(Correlation Factor; CF)이다. CF는 분리되거나 연속된 형태로 표현될 수 있는(하지만 이것에 제한되지 않는) 패턴들의 비교 결과이다. 비교는 분리되거나 연속된 컨벌루션(convolution)에 의해 실행되거나, 또는 최소 평균 제곱(이것에 제한되는 것은 아님)과 같은 소정의 다른 비교 기술에 의해 실행될 수 있다. CF의 사용은 메트릭이 상이한 포인팅 각도에서 상당히 변화하는 경우라도 "최상의" 포인팅 방향을 선택할 수 있게 한다.
CF의 독립적인 사용은 "최상의" 수신된 파일럿 전력 신호의 크기 중심, 신호 대 잡음 비, 프레임 에러율, 지연 확산, 및 기타 수신기 신호 메트릭을 찾을 수 있게 한다. CF를 다른 가중 프로세스와 함께 사용하면, 다중경로의 심한 정도에 기초한 가중과 같은, 프로세스 내의 여러 메트릭의 가중을 할 수 있다.
본 발명의 상기 및 그외 다른 목적, 특징 및 장점은 여러 도면에서 동일한 참조부호들이 동일한 구성요소를 나타내는 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 양호한 실시예에 관한 다음의 더욱 구체적인 설명으로부터 명백해질 것이다.
다음은 본 발명의 양호한 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 코드 분할 다중 액세스(CDMA) 통신 시스템(10)의 블록도이다. 통신 시스템(10)은 공유된 채널 자원이 무선 채널인 것으로 설명된다. 셀룰러 통신 네트워크로서 서술되고 있지만, 여기에 설명된 기술은 무선 근거리망(WLAN)과 같은 다른 무선 네트워크에 적용될 수 있다는 것을 알기 바란다.
시스템(10)은 제2 그룹의 사용자(30)뿐만 아니라 제1 그룹의 사용자(20)에게 무선 통신을 지원한다. 제1 그룹의 사용자(20)는 전형적으로 무선 핸드셋(40-1, 40-2) 및/또는 차량에 설치된 셀룰러 이동 전화(40-k)와 같은 셀룰러 전화 장치의 레가시(legacy) 사용자들이다. 이러한 제1 그룹의 사용자(20)는 주로 이들의 통신이 연속된 송신으로서 인코딩되는 음성 모드로 네트워크를 사용한다. 사용자들의 송신은 순방향 링크(50) 무선 채널 및 역방향 링크(60) 무선 채널을 통해 가입자 유닛(40)으로부터 보내진다. 이들의 신호는 기지국 안테나(70), 기지국 송수신기(BTS)(72) 및 기지국 제어기(BSC)(74)를 포함하는 중앙 위치에서 관리된다. 그러므로, 제1 그룹의 사용자(20)는 전형적으로, PSTN(76)을 통해 전화 접속부와 접속하기 위한 필드 유닛(40), BTS(72), BSC(74)를 사용하여 음성 대화에 참여하게 된다.
통신 시스템(10)은 또한 제2 그룹의 사용자(30)를 포함한다. 이러한 제2 그룹의 사용자(30)는 전형적으로, 고속 무선 데이터 서비스를 요구하는 사용자들이 다. 이들의 시스템 컴포넌트는 다수의 원격 위치된 퍼스널 컴퓨터(PC) 장치(80-1, 80-2, ... 80-h, ...80-l), 대응하는 원격 액세스 단말(AT)(82-1, 82-2, ... 82-h, ... 82-l) 및 연관된 안테나(84-1, 84-2, ...84-h, ... 84-l)를 포함한다. 중앙에 위치한 장비는 기지국 안테나(90) 및 기지국 프로세서(BSP)(92)를 포함한다. BSP(92)는 인터넷(98)과 같은 데이터 네트워크, 및 네트워크 파일 서버(100)에 차례로 액세스를 제공하는 인터넷 게이트웨이(96)로/로부터의 접속을 제공한다.
2개 그룹의 사용자를 지원하는 코드 채널의 다중-사용자 직교 및 비직교 상호운용성을 참작한 시스템의 동작은 국제 공개 번호 제WO 02/09320호에 설명되어 있으며, 그것의 전체적인 교시는 여기에서 참조로 사용된다.
도 2는 지향성 안테나 장치를 사용하는 CDMA 셀룰러 통신 시스템의 한 셀을 도시한 것이다. 각각의 안테나(220)를 갖는 필드 유닛(210-1 내지 210-3)은 빔 형성(beamforing)이라고 한 프로세스를 통해 필드 유닛(210)에서 기지국(230)으로 역방향 링크 신호의 방향성 송신을 제공할 뿐만 아니라, 안테나(240)를 갖는 기지국(230)으로부터 송신된 순방향 링크 무선 신호의 방향성 수신을 제공한다. 빔 형성은 능동 안테나 소자, 또는 능동 및 수동 안테나 소자의 조합을 포함하는 지향성 안테나 어레이에 의해 실행될 수 있다.
도 3은 이동 가입자 유닛(210), 및 한가지 유형의 연관된 안테나 장치(300)의 상세한 등각투상도이다. 안테나 장치(300)는 5개의 안테나 소자(301 내지 305)가 장착되는 플랫폼 또는 하우징(310)을 포함한다. 하우징(310) 내에서, 안테나 장치(300)는 위상 시프터(320 내지 324), 양방향성 합산 네트워크 또는 분배기/결 합기(330), 송수신기(340) 및 제어 프로세서(350)를 포함하고, 이들 모두는 버스(360)를 통해 상호접속된다.
도시된 바와 같이, 안테나 장치(300)는 송수신기(340)를 통해 랩탑 컴퓨터(80)에 연결된다(일정 비율로 도시되지 않음). 이 위상 어레이형 안테나 장치(300)는 랩탑 컴퓨터(80)가 기지국(90)으로부터 송신된 순방향 링크 신호(50) 및 기지국(90)에 송신된 역방향 링크 신호(60)를 통해 무선 데이터 통신을 실행할 수 있게 한다.
도 4는 필드 유닛(210) 및 다른 안테나 장치(400)의 상세한 등각투시도이다. 이 안테나 장치(400)는 상술된 안테나 장치(300)(도 3)의 대안적인 실시예이다. 앞의 안테나 장치(300)에 비해, 이 안테나 장치(400)는 중앙에 위치한 능동 안테나 소자(406)에 전자기적으로 연결된(즉, 상호 연결되는) 다수의 수동 안테나 소자(401 내지 405)를 이용한다. 수동 안테나 소자(401 내지 405)는 각각, 능동 안테나 소자(406)가 RF 신호를 수신/송신하는 방향에 영향을 주는 전자기 에너지를 재방출한다. 안테나 패턴(도시되지 않음)의 방향은 각각, 선택가능한 임피던스 성분(410-414)에 의해 설정되는 개별적인 수동 안테나 소자(401-405)의 위상에 의해 영향을 받는다. 랩탑 컴퓨터(80) 또는 랩탑 컴퓨터(80) 내의 전용 프로세서(도시되지 않음), 안테나 장치(400), 또는 분리된 장치는 안테나 장치(400)에 의해 생성된 안테나 패턴의 각도 세팅을 제어하기 위해 각각의 선택가능한 임피던스 성분(410-414)에 대해 세팅을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
도 5는 기지국 안테나 탑(520 및 530)과 연관된 기지국(도시되지 않음)과 통 신하는 필드 유닛(210)의 네트워크도이다. 필드 유닛(210)은 제1 안테나 빔 각도(505) 및 제2 안테나 빔 각도(510)에서 안테나 패턴을 제공할 수 있는 지향성 안테나(400)(도 4)를 갖고 있다. 지향성 안테나(400)는 더욱 더 많은 빔 각도를 제공할 수 있으며; 제1 및 제2 안테나 빔 각도(505, 510)는 각각 예시적으로 나타내기 위해 도시된 것이라는 것을 알기 바란다.
필드 유닛(210)은 제1 안테나 탑(520)에서 바로 제1 안테나 빔 각도(505) 내에 포인팅된 안테나 빔으로 스캔을 시작할 수 있다. 순방향 링크 신호는 제1 송신 경로(515)를 따라 제1 안테나 탑(520)에서 필드 유닛(210)으로 보내진다. 이와 동시에, 제2 안테나 탑(530)은 순방향 링크 신호를 제2 송신 경로(525)를 따라 필드 유닛(210)에 보낸다. 제1 송신 경로(515)를 따라 제1 안테나 탑(520)으로부터 신호를 수신하는 동안, 필드 유닛(210)은 제2 안테나 탑(530)으로부터 간섭 또는 잡음으로 간주될 수 있는 순방향 링크 신호를 수신하는데, 이것은 제1 안테나 빔(505)이 제2 송신 경로(525)의 방향으로 약간의 이득을 갖기 때문이다.
제2 안테나 탑(530)으로부터의 간섭을 줄이기 위해, 필드 유닛(210)은 제1 안테나 빔 각도(505)에서부터 제2 안테나 빔 각도(510)까지 안테나 빔을 스캔한다. 이러한 방식으로, 제2 송신 경로(525)를 따르는 제2 안테나 탑(530)으로부터의 송신은 감소되는데, 그것은 제2 송신 경로(525)의 방향으로 제2 안테나 빔 각도(510)에서의 안테나 빔 패턴의 이득이 거의 없기 때문이다. 이것은 제1 안테나 탑(520)으로부터 신호를 수신하는데에 약간의 이득 손실(예를 들어, 5dB 손실)을 초래하고, 이해할 수 있는 것처럼, 필드 유닛(210)에서 제1 안테나 탑(520)으로의 역방향 링크 신호 이득의 손실을 초래한다.
그러나, 필드 유닛(210)과 제1 안테나 탑(520) 사이의 전체적인 통신은 제2 안테나 탑(530)으로부터 수신된 신호로부터의 간섭의 감소로 인해 향상될 수 있다. 그러므로, 순방향 및 역방향 링크의 양호한 성능과 각각 연관된 ES/No 및 파일럿 전력과 같은 메트릭을 사용함으로써, 통신 성능의 전체적인 향상은 간섭 및 다중경로에도 불구하고 달성될 수 있다. 즉, 한 링크 방향으로 차선의 각도 세팅을 선택하는 것은 필드 유닛(210)의 전체 성능 향상을 위해 다른 링크 방향으로의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 6은 순방향 및 역방향 링크와 연관된 메트릭을 결정하는 예시적인 프로세서(600), 또는 그 일부를 제공한다. 이 경우에, 프로세서(600)는 (i) 파일럿 Es/No와 같은 잡음의 함수로서 계산된 제1 메트릭, 및 (ii) 파일럿 전력(PilotPwr)과 같은 제2 메트릭을 출력한다.
프로세서(600)를 참조하면, 기지국 송수신기(BTS)로부터의 수신 채널은 가변 이득 증폭기(VGA)(605)에 의해 수신된다. VGA(605)의 출력은 신호를 자동 이득 제어(AGC) 제어기(615)에 제공하는 검출기에 의해 수신된다. AGC 제어기(615)는 제어 전압을 피드백으로서 VGA(605)에 출력한다.
VGA(605)의 출력은 또한 파일럿 복조기(620)에 의해 수신된다. 파일럿 복조기는 파일럿 채널 내의 총 잡음으로 나누어진 심볼 당 에너지로 표시될 수 있는 신호 Es/No를 출력한다. 이 신호는 승산기(625)를 사용하여 제어 전압에 의해 승산된 다. 제어 전압은 수신된 채널의 에너지를 나타내기 때문에, 최종적인 신호는 파일럿 전력이다.
이 프로세서(600)가 전개되는 BTS에서 필드 유닛(210)으로의 순방향 링크로 보내진 직교 채널들 중에서 파일럿 채널을 분리시키기 위해 사용되는 추가 회로(도시되지 않음)가 있다는 것을 알기 바란다.
도 7은 각도 세팅의 식별 및 선택이 적용될 수 있는 대안적인 이용 또는 타이밍을 도시한 프로세스(700)의 흐름도이다. 이 프로세스(700)는 "최상의 각도 선택" 서브프로세스(702) 및 "최상의 기지국 선택" 서브프로세스(704)를 설명한다. 최상의 각도 선택 서브프로세스(702)에서, 프로세스(700)는 이미 기지국과 연관되어 있으며, 프로세스(700)는 상술된 바와 같이 순방향 및 역방향 링크로 양호한 성능을 위해 균형이 잡힌 그 기지국과 통신하기 위해 지향성 안테나에 대한 최상의 각도 세팅을 식별한다. 최상의 기지국 선택 서브프로세스(704)에서, 프로세스(700)는 통신하기 위한 "최상의 기지국"을 찾는 것을 돕기 위해 안테나의 스캐닝 능력을 사용한다.
프로세스(700)를 참조하면, 프로세스(700)가 시작된 후(단계 705), 종래에 행해진 것처럼 무지향성 모드의 기지국을 선택하거나, 또는 "최상의 기지국"의 위치를 알기 위해 안테나의 지향성 모드를 사용할 것인 지에 관해 결정이 이루어진다(단계 710). 기지국의 위치를 알아내는 종래의 방법이, 최상의 신호 대 잡음 비(SNR)를 갖는 파일럿 신호의 식별을 통해 선택되면, 프로세스(700)는 그 지향성 안테나를 무지향성 모드로 설정하고(단계 715), 하나 이상의 기지국으로부터 수신 하는 파일럿 신호(들)의 측정에 기초하여 기지국(720)의 위치를 알아낸다(단계 720). 일단 기지국이 무지향성 모드로 선택되었으면, 필드 유닛(210)은 지향성 안테나를 지향성 모드로 설정하고(단계 725), 지향성 안테나와 연관된 각각의 각도 세팅의 각도 세팅 랭킹을 결정하기 위해 스캔을 실행한다(단계 730). 상술된 바와 같이, 각도 세팅 랭킹의 결정은 기지국과 필드 유닛(210) 사이에서 순방향 링크와 연관된 메트릭 및 역방향 링크와 연관된 메트릭의 함수로서 행해진다.
각도 세팅 랭킹을 사용하면, 필드 유닛(210)은 가장 높게 랭크된 각도 세팅을 사용하여 역방향 링크로 기지국으로의 접속을 시도할 수 있다(단계 735). 접속 성공이면(단계 740), 프로세스는 완료된다(단계 770). 접속 성공이 아니면(단계 740), 필드 유닛(210)은 지향성 안테나를 사용하고, 그 다음으로 높게 랭크된 각도 세팅을 사용하여 기지국으로의 접속을 시도한다(단계 735). 그 다음으로 높게 랭크된 각도 세팅을 사용하려고 시도하는 이 프로세스(단계 735)는 필드 유닛에 의해 무지향성 모드로 위치를 알아낸 기지국(단계 715)과의 접속이 성공할 때까지 또는 필드 유닛이 무지향성 모드로 기지국에 접속하게 될 때까지 계속되고, 도시되지는 않았지만 디폴트로서 사용되는 한 단계는 당연히 지향성 모드 접속 실패가 될 것이다.
필드 유닛(210)이 다른 서브프로세스(704)를 사용하여 "최상의" 기지국의 위치를 알기 위해 지향성 모드를 사용하면(단계 710), 프로세스(700)는 지향성 안테나(400)를 지향성 모드로 설정한다(단계 745). 프로세스(700)는 지향성 안테나를 사용하여 스캔을 실행하고, 스캔시 각도 사용을 통해 기지국 랭킹을 결정한다(단계 750). 기지국 랭킹은 각각의 스캔 각도에서 식별된 바와 같이, 기지국의 각각의 파일럿 신호의 신호 대 잡음 비(SNR)의 함수로서 지정될 수 있다.
일단 스캔이 완료되면, 필드 유닛(210)은 서브프로세스(704)를 사용하여, 가장 높게 랭크된 기지국으로의 접속을 시도한다(단계 755). 접속 성공이면(단계 760), 프로세스(700)는 계속하여, 종료되거나(단계 770), 또는 상술된 다른 서브프로세스(702)의 단계 735 및 740과 유사하게, 스캔 및 각도 세팅 랭킹 프로세스(765)를 사용함으로써 선택된 기지국에 대한 스캔 각도를 최적화하는 선택적인 단계를 실행한다. 접속 성공이 아니면(단계 760), 필드 유닛(210)은 그 다음으로 높게 랭크된 기지국으로의 접속을 시도할 때 지향성 안테나를 사용한다(단계 755). 다시, 그 다음으로 높게 랭크된 기지국으로 접속을 시도할 때, 지향성 안테나(400)는 그 다음으로 높게 랭크된 기지국과 연관된 스캔 각도를 갖도록 설정된다는 것을 알기 바란다.
도 8은 도 7과 관련하여 설명된 바와 같이, 지향성 안테나(400)의 사용을 통해 스캔을 실행하는(단계 730 및 750) 프로세스(800)의 흐름도이다. 프로세스(800)가 시작된 후(단계 802), 프로세스(800)는 그 다음의 각도 세팅을 선택하고(단계 803), 주어진 기지국과 연관된 파일럿 신호 또는 그외 다른 예정된 신호의 수신 전력을 계산한다(단계 805). 프로세스(800)는 파일럿 신호와 연관된 채널의 잡음의 함수(예를 들어, Es/No)로서 메트릭을 계산한다(단계 810). 이러한 3개의 단계(803, 805 및 810)는 모든 각도 세팅이 측정되었을 때까지 반복된다(단계 815).
측정 다음에, 프로세스(800)는 수신된 전력과 메트릭의 조합에 기초하여 지향성 안테나의 각도 세팅을 선택하고 랭크한다(단계 820). 그 다음, 프로세스(800)는 완료되고(단계 825), 랭킹 및 각도 세팅에 대한 표, 데이터베이스 또는 다른 참조가 프로세스(800)로부터 출력될 수 있다.
또한, 이 프로세스는 도 7의 프로세스(700)에 의해 사용하기 위한 하나의 각도 세팅(즉, "최상의" 각도 세팅)이 생기게 할 수 있으며, 여기에서 프로세스(800)는 대안적인 실시예에서 요구에 따라 사용된다.
도 9a는 랭킹 프로세스에 기초하여 안테나 장치(400)의 방향을 설정하기 위해 사용된 포인팅 프로세스의 흐름도이다. 제어기(350)는 개시중에, 즉 AT(82)가 안테나 장치(400)를 통해 BSP(92)와의 통신 링크를 초기에 설정하고 있을 때, 선택가능한 임피던스 성분(411 내지 414)의 최적한 임피던스 세팅을 결정하기 위해 포인팅 프로세스를 사용한다. 개시 중에(단계 903에서 시작), 안테나 장치(400)는 옴니 모드로 배치된다(단계 906). 안테나 장치(400)는 "최상의" BSP(92) 상으로 고정되고(단계 909-921), 초기 파일럿 스캔을 실행한다(단계 924).
필드 유닛(210)은 Es/NO, 파일럿 전력, 총 수신 전력, RMS 지연 확산(이른바 "레이크 수신기"가 다중경로를 분리하기 위해 사용되는 경우), 순방향 에러율(FER) 및 기타 수신기 신호 메트릭과 같은 출력 파리미터를 제공할 수 있는 정교한 디지털 수신기를 포함할 수 있다. 이들 신호 메트릭을 결정할 수 있는 다른 기술이 대 안적으로 이용될 수 있다.
그 다음, 안테나 장치(400)는 지향성 모드로 놓이고, 동일한 파라미터들은 1 내지 i번째의 상이한 포인팅 각도 또는 모드의 각각에서 기록된다(단계 927). 다시, 본 발명의 원리는 임의의 한 필드 유닛(210)(예를 들어, 랩탑(80))에 관련된 BSP(92)의 위치가 사실상 대략 원주형이라는 것의 관찰에 부분적으로 기초하고 있다는 것을 알기 바란다. 즉, 필드 유닛 주위로 원이 그려지고, 상이한 위치들은 임의의 2개의 위치들 사이에서 최소 1도의 세분성을 갖는다고 하면, BSP(92)는 다수의 상이한 포인팅 각도 또는 모드 중의 임의의 각도 또는 모드에서 위치될 수 있다. 예를 들어, 정밀도를 10도라고 하면, 그러한 안테나 장치(400)에 존재하는 36개의 상이한 가능한 모드 또는 세팅 조합이 있다. 각각의 위상 세팅 조합은 각각의 수동 안테나 소자(401 내지 405)에 전기적으로 접속된 각각의 선택가능한 임피던스 성분(410-414)에 대한 5개의 임피던스 값의 세트로 생각될 수 있다.
일단 이러한 "데이터베이스"가 생성되면, 옴니 모드를 포함하는 각 모드는 랭킹 프로세스를 사용하여 1 내지 i번째에 옴니 모드를 더하여 랭크된다(단계 933). 선택에 관한 양호한 각도 또는 모드 랭킹 프로세스는 아래에 표시된 것과 같이 Es/NO 및 파일럿 전력의 사용을 포함할 수 있다.
Rank(A0) = ES0/NO0 + PilotPwr0
Rank(A1) = ES1/NO1 + PilotPwr1
Rank(A2) = ES2/NO2 + PilotPwr2
여기에서,
ES/NO = 파일럿 심볼 당 에너지 대 총 잡음 비 (데시벨(dB) 단위);
PilotPwr = 선택된 기지국의 수신된 파일럿 전력 (1 밀리와트를 기준으로 한 데시벨(dBm) 단위); 및
Rank(Ai) = i번째 모드 또는 각도에 대한 랭킹 값.
이 메트릭은 상관된 전력이 신호 대 잡음보다 역방향 링크 성능에 대해 훨씬 더 효과적인 관계를 갖기 때문에 바람직하다. 예를 들어:
각도 6: ES/NO=8dB PilotPwr=-100dBm 랭킹 값=-92
각도 10: ES/NO=6.5dB PilotPwr=-92dBm 랭킹 값=-85.5
일반적으로, ES/NO만이 사용되면, 각도 6은 ES/NO가 1.5dB만 차이나더라도 각도 10보다 더 높게 랭크된다. 랭킹에서 PilotPwr을 사용함으로써, 각도 10은 더 높게 랭크되는데, 이것은 많은 경우에, 역방향 링크를 더욱 많이 수용할 수 있게 한다.
비록 그것이 제안될 수 있다 하더라도, 전력 제어가 가능하기 때문에, 가입자의 송신 전력이 증가되어야 하는 경우라면 문제가 되지 않는다. 이것은 (i) 가입자 유닛 내에 무한량의 송신 전력이 있는 경우, 및 (ii) 송신되는 추가 전력이 동일한 셀 및 그외 다른 셀 간섭의 원인이 되지 않는 경우에 그러하다. 이것은 그러한 경우가 아니기 때문에, 가능한 한 최상으로 순방향 및 역방향 링크의 균형을 맞추려고 시도하는 것이 더욱 바람직하다.
파일럿 심볼이 각도 랭킹에서의 ES/NO 측정 메트릭에 사용되기 때문에, 안테나 포인팅 결정은 트래픽 채널이 항상 설정되기 전에 이루어질 수 있다. 부수적으로, 파일럿 전력이 종래에 고정되기 때문에, 이것은 간섭 및 다중경로가 악화됨에 따라 선형으로 저하되는 안정된 기준선을 제공한다.
파일럿 신호의 ES/NO는 송신되는 트래픽 데이터가 하나도 없을 때가 있기 때문에 트래픽 신호의 ES/NO와 대조적으로 사용된다. 이 메트릭의 잡음 성분, ES/NO와 관련하여, 순방향 링크가 간섭 제한된다고 가정하면, NO에 대한 가장 큰 기여자는 인접한 셀들 및 다중경로로부터의 간섭이다. 고정된 비로 시작하는 파일럿 ES/NO를 사용함으로써, 이러한 비의 임의의 저하는 인접한 셀 간섭 및 다중경로에서 비롯된 것으로 예상된다.
모드 랭킹 시에 사용될 수 있는 다른 인자는 상술된 바와 같이, 총 수신 전력, RMS 지연 확산, 및 FER을 포함한다.
도 9a를 다시 참조하면, 프로세서(350)는 그 다음 최고 랭킹 안테나 모드를 먼저 사용하여 각각의 선택가능한 임피던스 성분(411 내지 414)에 대해 최적한 임 피던스를 제공하고 설정한다(단계 936). 그 다음에, 역방향 링크 접속은 가장 높게 랭크된 안테나 모드를 사용하여 시작된다(단계 939). 적절한 접속이 이루어질 수 없으면(단계 942), 프로세서(350)는 다음으로 높게 랭크된 후보 모드를 설정하고(단계 945-948), 역방향 링크 접속은 이 모드를 사용하여 시작된다. 이 프로세스는 성공적인 역방향 링크 접속이 달성되거나, 시도하기 위한 후보 모드의 수에 도달되거나, 또는 옴니 모드에 도달될 때까지 계속된다(단계 942-954).
이 프로세스(900)는 사실상 셀룰러 네트워크, WLAN에 특히 적합한 임의의 환경에서, 또는 간섭/다중경로에 의해 심하게 영향받거나 상이한 송신(TX) 및 수신(RX) 주파수를 사용하여 동작하는 그외 다른 환경에서 동작하는 지향성 안테나를 포인팅하는데 사용될 수 있다.
대안적인 선택 프로세스는 랭킹 프로세스에 기초하여 안테나 장치(400)의 방향을 설정하기 위해 -이미 선택된 기지국에 대한 최상의 각도와는 대조적으로- "최상의" 기지국을 선택하는데 사용될 수 있다. 이 대안적인 프로세스의 한 예는 도 9b에 도시되어 있다. 도 9a와 관련하여 설명된 바와 같이 기지국을 옴니 모드로 선택한 다음에 최상의 각도 세팅을 선택하는 것과 유사하게, 안테나 장치(400)의 방향 설정은 각각의 선택가능한 임피던스 성분(411 내지 414)에 대한 임피던스를 설정함으로써 달성된다.
도 9b를 참조하면, 개시 동안에(단계 905에서 시작), 안테나 장치(400)는 지향성 모드로 배치되고(단계 957), 안테나 장치(400)는 i번째 중의 하나의 BSP(92) 상으로 고정되고, 초기 파일럿 스캔을 실행한다(단계 909).
그 다음, 안테나 장치(400)는 1 내지 i번째 상이한 포인팅 BSP의 각각에서 동일한 파라미터를 기록한다(단계 924-930).
일단 이러한 데이터베이스가 생성되면(단계 960), 각각의 BSP는 랭킹 프로세스를 사용하여 1 내지 i번째로 랭크된다(단계 963). 선택에 관한 "최상의" BSP 랭킹 프로세스는 아래에 표시된 바와 같이 Es/NO 및 파일럿 전력을 사용하고 있다.
Rank(A0) = ES0/NO0 + PilotPwr0
Rank(A1) = ES1/NO1 + PilotPwr1
Rank(Ai) = ESi/NOi + PilotPwri
여기에서,
ES/NO = 파일럿 심볼 당 에너지 대 총 잡음 비 (데시벨(dB) 단위);
PilotPwr = 선택된 기지국의 수신된 파일럿 전력 (1 밀리와트를 기준으로 한 데시벨 (dBm) 단위); 및
Rank(Ai) = i번째 BSP에 대한 랭킹 값.
도 9b를 계속 참조하면, 프로세스(350)는 그 다음, 최고 랭킹 BSP를 먼저 사용하여 각각의 선택가능한 임피던스 성분(411 내지 414)에 대해 최적한 임피던스를 제공하고 설정한다(단계 966). 그 다음에, 역방향 링크 접속은 가장 높게 랭크된 BSP를 사용하여 시작된다(단계 969-972 및 939). 적절한 접속이 이루어질 수 없으면(단계 942), 프로세스(350)는 그 다음 높게 랭크된 후보 BSP 쪽으로 안테나 각도 를 설정하고(단계 975-978), 역방향 링크 접속은 이 모드를 사용하여 시작된다. 이 프로세스는 성공적인 역방향 링크 접속이 달성될 때까지, 또는 시도하기 위한 후보 BSP의 수에 도달될 때까지 계속된다(단계 951-954).
이 프로세스는 사실상 셀룰러 네트워크에 특히 적합한 임의의 환경에서, 또는 간섭/다중경로에 의해 심하게 영향받고 상이한 송신(TX) 및 수신(RX) 주파수를 사용하여 동작하는 그외 다른 환경에서 동작하는 지향성 안테나(400)를 포인팅하는데 사용될 수 있다.
상술된 선택 프로세스는 지향성 안테나(400)의 동작 환경 또는 지향성에 관한 예정되거나 또는 적합하게 학습된 정보를 추가함으로써 향상되거나 미세하게 조정될 수 있다. 이 정보는 가중치로서, 필드 유닛(210) 내에, 또는 본 발명이 이용되는 다른 시스템에 표시된다.
도 10은 이러한 가중치가 스캐닝 프로세스(800)의 사용을 통해 학습된 잡음 및 예정된 신호 전력에 관련된 메트릭에 적용되는 프로세스(1000)의 흐름도이다.
프로세스(1000)를 참조하면, 프로세스(1000)는 시작되어(단계 1005), 예를 들어 도 8을 참조하여 상술된 단계 805 및 810을 사용하여, 잡음 관련 메트릭(예를 들어, ES/NO) 및 파일럿 전력 메트릭을 계산한다(단계 1010). 가중치가 적용될 수 있으면(단계 1015), 선택된 가중치는 단계 1020 및 1025에서 결정된다.
가중치가 사실상 환경에 관한 것이면, 프로세스(1000)는 환경 가중치를 계산하거나 수신한다(단계 1020). 가중치를 계산하는 경우, 필드 유닛(210)은 독립 모 드로 동작한다(즉, 필드 유닛은 환경 가중치를 스스로 결정한다). 필드 유닛이 환경 가중치를 수신한 경우, 기지국은 무선 통신을 통해 이 가중치를 제공했으므로, 필드 유닛(210)은 독립적으로 동작을 못했다.
적용될 가중치가 지향성 안테나의 지향성에 기초하고 있으면(즉, 가중치가 지향성에 관한 것이면), 프로세스(1000)는 상관 인자(CF)로 계산하거나, 수신하거나, 미리 프로그램될 수 있다. 상관 인자는 특정 유형의 가중이고, 안테나 패턴에 기초하고 있다. 상관 인자는 도 11-13을 참조하여 상세하게 후술된다.
적용될 가중치가 없으면, 가중은 값 "1"로 설정된다. 프로세스(1000)는 가중치를 각 메트릭으로 곱한다. 예를 들어, 제1 환경 가중치 및 제1 지향성 가중치는 잡음 함수인 메트릭으로 곱해질 수 있고, 제2 환경 가중치 및 제2 지향성 가중치는 파일럿 전력과 관련된 메트릭으로 곱해질 수 있다(단계 1030). 프로세스(1000)가 종료되면(단계 1035), 가중된 메트릭은 표, 데이터베이스에 저장되거나, 또는 각도 선택을 할 때 사용하기 위해 필드 유닛(210) 상의 실시간 실행 프로그램으로 보내질 수 있다. 가중된 메트릭은 이때, 상술된 바와 같이, 비가중된 메트릭과 유사하게 사용될 수 있다.
상이한 영역들에서 환경에 관련된 가중치(즉, 환경 조정 인자)를 설정하는 한가지 방식은 도시, 도시주변 또는 시골과 같이 통계적으로 중요한 서로다른 환경들의 시뮬레이션을 기초로 한다. 이들 가중치를 설정하는 다른 방식은 실제 필드 측정을 기초로 할 수 있다. 대안적으로, 이들 가중치는 세뮬레이션 또는 블라인드(blind) 적응 최적화에 기초한 커널(kernel)을 사용하는 최적화 루틴에 기초하여 실시간으로 설정될 수 있다.
최적화 루틴은 특정 네트워크의 요구에 기초하여 상이한 메트릭을 최적화하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 밀집된 도시 지역에서, 순방향 용량, 즉 순방향 신호 대 잡음 비(SNR)는 범위 향상범위보다 훨씬 더 중요한 것으로 간주될 수 있으므로, 프로세스는 각 사용자에 대해 최상의 SNR에 집중하도록 설정될 수 있다. 이와 마찬가지로, 시골 지역에서는, 커버리지(coverage)가 더욱 중요한 것으로 간주될 수 있으므로, 수신된 신호 전력 또는 가입자 송신 전력이 최적화될 수 있다.
조정 인자를 구현하는 한가지 방식은 각 필드 유닛(10) 내로 값을 미리 프로그램하는 것이다. 이들 값은 지리적인 영역들, 즉, 지구, 상이한 대륙, 상이한 국가, 상이한 국가 내의 상이한 지역, 및 사용자의 가정 영역 네트워크에 기초할 수 있다. 이들 값은 사용자가 그들의 필드 유닛을 동작시키는 지리적 영역에 기초하여 프로세스의 매크로 조정을 할 수 있게 한다. 이들 값은 상이한 지리적 영역으로의 사용자의 재배치, 또는 사용자 자신의 지리적 영역 내에서의 큰 변동을 고려하지 못한다. 그러므로, 환경에 관련된 가중치는 사용자가 새로운 지리적 영역으로 이동하거나, 또는 사용자 자신의 지리적 영역 내에서 큰 변동이 있는 경우에 사용자의 필드 유닛에 대해 정정되지 않을 확률이 높다.
조정 인자를 구현하는 두번째 방식은 예정된 데이터베이스를 필드 유닛(210)에 내장하는 것이다. 예정된 데이터베이스는 한 세트의 예정된 환경, 예를 들어 시골, 도시주변, 도시 및 대도시 영역에 대한 상이한 가중치를 포함할 수 있다. 사용자가 특정 네트워크로 로그온할 때, 기지국은 사용자가 위치하고 있는 환경의 종류를 필드 유닛에 통지할 수 있다. 필드 유닛은 기지국에 의해 제공된 정보에 기초하여 그 내부 데이터베이스로부터 환경과 연관된 예정된 값을 로드한다. 이 방법은 상이한 환경에 대한 가중 인자로의 변경을 용이하게 할 수 없게 하고, 인자의 실시간 조정도 지원하지 않는다.
바람직한 방법은 가장 작게 한정할 수 있는 지역에 대한 특정 가중치를 사용한다. 이들 가중치는 로그인 동안에 사용자 필드 유닛에 동적으로 다운로드될 수 있고, 또는 가중치는 사용자의 필드 유닛에 연속적으로 방송될 수 있다. 셀룰러 네트워크에서, 각각의 기지국은 소정의 제어 채널을 통해 각 사용자에게 다운로드되거나 또는 방송 채널을 통해 방송될 수 있는 자체의 가중치 세트를 포함할 수 있다. 특정 사이트를 관리하고 있는 네트워크 기술자는 특정 셀 내의 성능을 더욱 최적화시키기 위해 이들 파리미터를 "세밀 조정"할 수 있다. 네트워크 기술자가 "세밀 조정"할 수 있는 파라미터들은 용량, 일시, 또는 LQM(Link Quality Metric)에 기초할 수 있다. 가중치의 자동 세밀조정은 전체 시스템 및 네트워크 성능을 모니터하는 네트워크 최적화 도구를 사용하여 달성될 수 있다. 최적화 도구는 링크 통계를 수집해서, 셀 내에서의 사용자들의 성능에 관한 데이터베이스를 구축한다. 최적화 도구는 통계를 실시간 모델링 프로그램 내로 입력하고, 예를 들어, 전체 시스템 성능을 최대화하는 최적의 가중치를 찾으려고 시도하고 해결하기 위한 순열 기술을 사용한다.
선택에 관한 양호한 각도 또는 모드 랭킹 알고리즘은 아래에 표시된 바와 같 이 Es/NO 및 파일럿 전력을 사용하고 있다.
Rank(A0) = RfAntESNoWgtxES0/NO0 + RfAntPilotWgtxPilotPwr0
Rank(A1) = RfAntESNoWgtxES1/NO1 + RfAntPilotWgtxPilotPwr1
Rank(Ai) = RfAntESNoWgtxESi/NOi + RfAntPilotWgtxPilotPwri
여기에서,
ES/NO = 파일럿 심볼 당 에너지 대 총 잡음 비 (데시벨(dB) 단위);
PilotPwr = 선택된 기지국의 수신된 파일럿 전력 (1 밀리와트를 기준으로 한 데시벨 (dBm) 단위);
Rank(Ai) = i번째 모드 또는 각도에 대한 랭킹 값;
RfAntESNoWgt = 내부적으로 현재의 기지국으로부터 다운로드되거나, 또는 ES/NO가 그 기지국 환경에서 포인팅 결정을 하는 인자가 될 수 있는 방법을 정의하는 것을 통하여 적합하게 결정되는 Es/No 가중치; 및
RfAntPilotWgt = 내부적으로 현재의 기지국으로부터 다운로드되거나, 또는 파일럿 전력이 그 기지국 환경에서 포인팅 결정을 하는 인자가 될 수 있는 방법을 정의하는 것을 통하여 적합하게 결정되는 파일럿 전력 가중치.
파일럿 신호의 Es/No는 상술된 것과 동일한 이유로 트래픽 신호의 Es/No와 대조적으로 사용되고, 즉 포인팅 방향 결정은 보내지고 있는 트래픽 데이터가 하나도 없을 때 초기 시스템 액세스 동안에 양호하게 발생한다. 순방향 링크가 간섭 제한된다고 가정하면, NO에 대한 가장 큰 기여자는 인접한 셀들 및 다중경로로부터의 간섭이다. 파일럿 ES/NO를 사용함으로써, 그것은 고정된 비로 시작하고, 이러한 비의 임의의 저하는 인접한 셀 간섭 및 다중경로에서 비롯된다.
모드 랭킹 시에 사용될 수 있는 다른 인자는 상술된 바와 같이, 총 수신 전력, RMS 지연 확산, 및 FER을 포함한다.
포인팅을 미세 조정하기 위해 메트릭에 적용될 수 있는 동작 환경에 관련된 가중치 이외에, 안테나 지향성 또는 빔 패턴에 관련된 가중치가 또한 미세 조정을 위해 메트릭에 적용될 수 있다. 이들 지향성 가중치는 환경 가중치에 관계없이 적용되거나, 또는 환경 가중치에 추가하여 적용될 수 있다.
지향성 가중치의 한 예는 안테나 패턴 상관 인자(CF)이다, CF는 지향성 안테나의 자유 공간 안테나 패턴과, 안테나 포인팅 방향의 함수로서 기록된 임의의 메트릭 간의 비교이다. 패턴은 연속된 형태 또는 이산 측정치로 표현될 수 있는데, 이것에 제한되는 것은 아니다. 비교는 연속 또는 이산 컨벌루션에 의해, 또는 최소 평균 제곱과 같은 소정의 다른 비교 기술에 의해 실행될 수 있다.
한가지 비교 유형은 지향성 안테나(400)의 자유 공간 패턴을 파일럿 전력과 비교한다. 비교는 다수의 파일럿 에너지의 중심 지점을 알아내서, 다중경로 환경의 존재 및 심한정도를 설명하기 위한 메트릭을 형성한다.
도 11은 10개의 상이한 참조 위치, 즉 각도 1 내지 각도 10을 사용하여 10번 반복된 이론적인 자유 공간 지향성 안테나 패턴을 도시한 것이다. 자유 공간 참조 패턴은 안테나를 비반사 환경에서 측정함으로써 얻어질 수 있다. 다중경로 환경을 측량하기 위해서는, 자유 공간 패턴으로부터 벗어나는 측정 패턴(예를 들어, 파일럿 전력)이 얼마나 되는 지에 관해 결정이 이루어져야 되기 때문에 자유 공간 안테나 패턴을 사용하는 것이 유용하다. 측정된 패턴과 자유 공간 지향성 안테나 패턴 사이의 비교 값을 낮추면(즉, CF를 더 작게 하면), 다중경로 환경이 더욱 심해진다. 이와 마찬가지로, 비교 값을 더 높게 하면, 다중경로 환경이 덜 심해진다.
도 12는 이론적 자유 공간 지향성 안테나 및 이론적으로 측정된 파일럿 전력 패턴을 도시한 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 각도 5는 10개의 자유 공간 안테나 패턴 각각과 측정된 파일럿 전력 패턴 사이에서 가장 높은 상관을 갖는다. 그러므로, 각도 5는 최적한 포인팅 각도로서 선택된다. 그러나, 최대 CF의 계산은 포인팅 각도를 더욱 최적화할 수 있다. 최대 CF는 각도 5를 사용하여 계산된 상관 값 및 복잡한 포인팅 프로세스를 사용하여 계산될 수 있다. CF는 다중경로 각도 퍼짐이 더욱 큰 환경에서 더욱 작고, 다중경로 각도 퍼짐이 더 작은 환경에서 더 크다. 각각의 안테나 위치 j에 대한 CF를 계산하는 한 방법은 다음 식을 사용하는 것이다.
CFj = 1-(sumi =1->A(sqrt(abs(Diffi ,j)/X)
여기에서,
CF는 상관 인자;
"A"는 측정된 각도의 총 수;
"Diff"는 i번째 측정된 값과 j번째 안테나 패턴 사이의 차; 및
"X"는 평탄 잡음 패턴이 실제 자유 공간 안테나 패턴과 관련되는 경우에 얻어지는 최대 전체 차.
도 13은 실제 측정된 자유 공간 안테나 패턴과 측정된 파일럿 패턴을 사용하여 최대 CF를 계산하기 위한 프로세스를 도시한 것이다. 프로세스는 다음과 같이 리스트 형식으로 설명될 수 있다.
외부 루프
1. 측정된 파일럿 패턴의 피크 대 자유 공간 안테나 참조 패턴의 피크를 정규화한다;
2. 10개의 상이한 자유 공간 안테나 패턴들 중 첫번째 패턴을 선택한다;
내부 루프
a. 측정된 파일럿 전력 패턴 및 기록된 자유 공간 참조 패턴을 와트 단위의 전력으로 변환한다.
b. 현재의 각도에서 자유 공간 참조 패턴과 측정된 파일럿 패턴 사이의 차(Diff)를 계산한다.
c. 차의 절대값을 계산한다;
d. 차의 제곱근을 계산한다;
e. 그 차를 평탄 잡음 패턴이 실제 자유 공간 안테나 패턴과 관련되는 경우에 얻어지는 것의 최대 전체 차로 나눈다. 예를 들어, 지향성 안테나(400)의 경 우에, 그 값은 7.6951이다;
f. D1 내지 D10이 계산될 때까지 내부 루프 b 내지 e를 실행한다;
g. D1 내지 D10의 결과를 합하고, 이 값을 1에서 뺀다;
3. 그 다음의 자유 공간 안테나 패턴을 선택하고, 내부 루프를 다시 실행한다;
4. 일단 10개 모두의 자유 공간 참조 패턴이 계산된 CF를 가졌으면, 가장 큰 값(0과 1 사이)을 갖는 참조 패턴은 CFmax인 CF 값을 갖는 파일럿 에너지의 크기 중심의 방향이다.
일단 모드(즉, 도 7과 관련하여 설명된 각도 또는 기지국) 및 CFmax의 데이터베이스가 생성되면, 각 모드는 최적한 포인팅 각도를 얻기 위해 가중화 랭킹 프로세스를 사용하여 1 내지 i번째로 랭크된다. 가중화 랭킹 프로세스의 한 예는 CF에 의해 PilotPwr을 가중하는 것이다. 랭킹 방정식에서의 PilotPwr이 순방향 및 역방향 링크를 조화시키기 위해 사용되기 때문에 다중경로 환경이 악화될 때 수신 PilotPwr을 덜 가중하는 것이 바람직하다는 것을 시뮬레이션 및 측정을 통해 알았다. 다중경로 환경이 악화될 때 기지국 파일럿의 우세한 도달 각도를 찾기는 어렵다. 따라서, PilotPwr에 의한 랭킹에 대한 기여는 감소되는 것이 바람직하다. 선택에 관한 양호한 각도 또는 모드 랭킹 프로세스는 아래에 표시된 바와 같이 Es/NO 및 가중된 파일럿 전력을 사용하고 있다.
Rank(A0) = ES0/NO0 + CFmaxxPilotPwr0
Rank(A1) = ES1/NO1 + CFmaxxPilotPwr1
Rank(Ai) = ESi/NOi + CFmaxxPilotPwri
여기에서,
ES/NO = 파일럿 심볼 당 에너지 대 총 잡음 비 (데시벨(dB) 단위);
PilotPwr = 선택된 기지국의 수신된 파일럿 전력 (1 밀리와트를 기준으로 한 데시벨 (dBm) 단위);
Rank(Ai) = i번째 모드 또는 각도에 대한 랭킹 값; 및
CFmax = 가장 큰 상관 인자.
CF를 랭킹 프로세스에 단독으로 적용하는 것 이외에, CF는 다음과 같이 환경 가중치와 결합하여 적용될 수 있다.
Rank(A0) = RfAntESNoWgtxES0/NO0 + CFmaxxRfAntPilotWgtxPilotPwr0
Rank(A1) = RfAntESNoWgtxES1/NO1 + CFmaxxRfAntPilotWgtxPilotPwr1
Rank(Ai) = RfAntESNoWgtxESi/NOi + CFmaxxRfAntPilotWgtxPilotPwri
본 발명은 특히 본 발명의 양호한 실시예와 관련하여 도시되고 설명되었지만, 본 분야에 숙련된 기술자들은 첨부된 청구범위에 의해 포함된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 그 형태 및 상세의 여러가지 변경이 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 랭킹(ranking) 프로세스에 기초하 여 지향성 안테나를 포인팅하는데 사용될 수 있는 기술이 제공되어, 선택의 랭킹 프로세스는 파일럿 신호로부터 측정되는 것과 같은 Es/NO 및 파일럿 전력 파라미터를 사용할 수 있다. 이러한 포인팅 및 랭킹 프로세스의 사용은 송신 및 수신 링크를 위해 포인팅하기 위한 하나의 안테나 빔만이 있는 간섭 및 다중경로 구동 환경에서 지향성 안테나의 적응 포인팅을 가능하게 하고, 주어진 기지국과 통신하거나 주어진 기지국을 선택하기 위한 "최상의" 포인팅 각도를 선택하기 위해 사용될 수 있다. 프로세스는 상이한 환경들에서 사용하기 위한 미세 조정 기술을 포함할 수 있다. 미세 조정은 지향성 안테나의 동작 환경 또는 지향성에 관련된 가중치의 사용을 포함할 수 있다.

Claims (3)

  1. 순방향 링크 방향과 역방향 링크 방향의 양방향으로 통신하는 무선 통신 시스템과 함께 사용되는 지향성 안테나에 대한 각도 세팅을 결정하는 방법에 있어서,
    상기 지향성 안테나와 연관된 적어도 2개의 각도 세팅에 대해:
    상기 역방향 링크에서 예정된 송신 신호의 수신 전력을 계산하는 단계;
    상기 순방향 링크에서 상기 예정된 송신 신호와 연관된 채널 내의 잡음의 함수로서 메트릭(metric)을 계산하는 단계; 및
    상기 지향성 안테나를 이용하여 상기 무선 통신 시스템의 전체적인 성능을 향상시키기 위해서 상기 수신 전력과 상기 메트릭의 조합에 기초하여 상기 지향성 안테나에 대한 각도 세팅을 선택하는 단계로서, 상기 선택된 각도는 상기 순방향 링크 방향과 상기 역방향 링크 방향의 양방향으로의 통신에 부분 최적한 각도인 것인 선택 단계
    를 포함하는 지향성 안테나에 대한 각도 세팅 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 예정된 송신 신호는 파일럿(pilot) 신호 또는 비컨(beacon) 신호인 것인 지향성 안테나에 대한 각도 세팅 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수신 전력, 메트릭, 또는 그 둘다에 적어도 하나의 가중치를 적용하는 단계를 더 포함하는 지향성 안테나에 대한 각도 세팅 결정 방법.
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