KR100465314B1 - System for beam forming of mobile communication and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이동통신에서의 빔형성 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a beamforming system and method thereof in mobile communication.
이를 위하여 본 발명의 실시예는 공간상 일정 간격 이상 격리되어 있는 두 배열 안테나로 수신된 역방향 데이터를 이용해 각도별 수신 전력값을 평균하여 신호 방향을 추정하는 기지국 수신 장치, 및 기지국 수신 장치를 통해 추정한 신호 방향으로 각 배열 안테나가 지향되도록 하고, 다이버서티(diversity)를 적용한 디지털 출력 데이터를 아날로그로 변환하여 상기 두 배열 안테나를 통하여 송신하는 기지국 송신 장치를 포함한다.To this end, an embodiment of the present invention estimates the signal direction by estimating the signal direction by averaging the received power values for each angle by using reverse data received by two array antennas separated by a predetermined interval in space, and the base station receiving device. And a base station transmitter for directing each array antenna in one signal direction and converting the digital output data to which the diversity is applied is converted to analog and transmitting through the two array antennas.
따라서, 본 발명은 역방향에서 신호 방향을 추정시 두 개의 배열 안테나로 방위각 전력 분포를 구하고, 이를 이용하여 모든 다중 경로를 추정함으로써 정확도를 높일 수 있고, 빔형성 가중치와 개루프 다이버서티 코딩 기법을 이용하여 빔형성 이득과 다이버서티 이득을 동시에 얻을 수 있는 효과를 제공하여 준다.Therefore, the present invention can improve the accuracy by estimating the azimuth power distribution with two array antennas when estimating the signal direction in the reverse direction, and estimating all the multipaths using it, and using the beamforming weights and the open loop diversity coding technique. Therefore, the beam forming gain and diversity gain can be obtained at the same time.
Description
본 발명은 이동통신에서의 빔형성 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코드분할 다중 접속 방식에서 순방향 링크 성능을 향상시키기 위한 이동통신에서의 빔형성 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a beamforming system and method for mobile communication, and more particularly, to a beamforming system and method for mobile communication for improving the forward link performance in a code division multiple access scheme.
이동통신 시스템에서 다중 안테나를 이용하여 순방향 링크 성능을 향상시키는 방법으로는 빔 형성 기법과 송신 다이버서티 기법이 있다.In the mobile communication system, there are a beamforming technique and a transmission diversity technique for improving forward link performance using multiple antennas.
빔 형성 기법은 안테나 간격을 작게하여 송신시 에너지가 특정 방향으로 집중되게 함으로써 원하는 단말기에게 전달하는 전력을 증대시키고 동시에 다른 방향에 위치한 단말기들에게 전달하는 간섭 신호 전력을 감소시키는 방법이다.The beamforming technique reduces the antenna spacing to concentrate energy in a specific direction during transmission, thereby increasing power delivered to a desired terminal and simultaneously reducing interference signal power delivered to terminals located in different directions.
송신 다이버서티 기법은 공간상에서 충분히 떨어진 다수의 안테나를 사용하는 것으로 주로 페이딩 감소 효과를 얻기 위한 것이다. 폐루프 방식의 송신 다이버서티에서는 페이딩 감소 효과 외에도 원하는 단말기에 도달하는 전력을 증대시킬 수 있으나 이때 전력 증가량은 빔 형성 기법에 비하여 상대적으로 작다.The transmit diversity technique uses a large number of antennas spaced far enough in space to obtain a fading reduction effect. In the closed loop transmission diversity, in addition to the fading reduction effect, the power reaching the desired terminal can be increased, but the amount of power increase is relatively small compared to the beamforming technique.
이는 안테나 간격이 커서 그래이팅 로브(Grating lobe) 등이 발생하고 이로 인해 빔 형성 안테나에 비하여 안테나 이득이 감소하기 때문이다.This is because the antenna spacing is large, resulting in a grating lobe, which reduces the antenna gain compared to the beam forming antenna.
다수 개의 안테나를 사용하는 기지국 시스템은 최적의 성능을 만들기 위해 역방향 및 순방향 링크에서의 정확한 채널 정보를 필요로 한다. 일반적으로 배열 안테나는 기지국에 탑재되어 있어 역방향 채널 특성이 수신 데이터 벡터를 분석하여 파악된다. 그러나, 배열 안테나의 순방향 채널 특성은 기지국이 직접 구할 수 없으므로 정확한 추정을 위해 단말기로부터 피드백받아야 한다.Base station systems using multiple antennas require accurate channel information on the reverse and forward links to achieve optimal performance. In general, the array antenna is mounted in the base station so that the reverse channel characteristics are determined by analyzing the received data vector. However, since the forward channel characteristics of the array antenna cannot be directly obtained by the base station, it must be fed back from the terminal for accurate estimation.
이러한 채널 피드백 방식은 기지국이 채널 측정을 위한 기준 신호(Prpbe signal)를 별도로 송신해야 하며, 측정한 채널 값을 기지국으로 보내는 피드백데이터가 역방향 링크 효율을 저하시킨다는 문제점이 있다.The channel feedback method requires a base station to separately transmit a reference signal (Prpbe signal) for channel measurement, and there is a problem in that feedback data for transmitting the measured channel value to the base station degrades reverse link efficiency.
따라서, 채널 피드백 방식은 주로 안테나의 개수가 작은 시스템에서 활용하기에 적합하다.Therefore, the channel feedback scheme is mainly suitable for use in a system with a small number of antennas.
안테나 수가 증가할수록 위에서 언급한 피드백 문제점으로 인하여 기지국 시스템은 빠른 페이딩에 대한 고려 없이 단지 신호 방향으로 안테나 빔을 지향하는 빔형성 기법만을 사용한다.As the number of antennas increases, due to the above-mentioned feedback problem, the base station system uses only the beamforming technique that directs the antenna beam in the signal direction without considering fast fading.
위의 빔형성 기법은 안테나 이득을 향상시키고 다른 단말기에 대한 간섭을 감소시키는 효과는 있으나 페이딩의 영향을 감소시키는 효과는 없게 된다.The above beamforming technique improves antenna gain and reduces interference to other terminals, but does not reduce the effects of fading.
종래 고유 빔형성기(eigenbeamformer)는 피드백 데이터 양을 감소시키면서 빔형성 이득과 다이버서티 이득을 얻기 위한 방식이 적용된다.In the conventional eigenbeamformer, a method for obtaining beamforming gain and diversity gain while reducing the amount of feedback data is applied.
단말기는 수신 데이터를 오랜 시간 동안 평균하여 구한 상관행렬의 가장 큰 두 개의 고유치(eigenvalue)를 연산하고 이를 피드백하여 긴 시간 간격으로 갱신한다. 그리고, 이러한 두 고유 벡터를 결합하기 위해 필요한 계수를 짧은 시간 동안 평균하여 구한 상관 행렬을 이용하여 구한 후 이를 피드백한다.The terminal calculates the two largest eigenvalues of the correlation matrix obtained by averaging the received data for a long time, and updates the feedback data at long time intervals. Then, the coefficients needed to combine these two eigenvectors are averaged for a short time and then fed back using the correlation matrix.
이러한 고유 빔형성기의 방식은 상대적으로 데이터 양이 많은 고유 벡터는 긴 시간 간격으로 피드백하고, 데이터 양이 적은 고유 벡터의 결합 계수는 짧은 시간 간격으로 피드백한다. 그러므로, 전체 피드백 데이터양이 줄어들 뿐만 아니라 고유 벡터의 결합 계수가 페이딩에 따라 빠르게 변하므로 다이버서티 효과를 얻을 수 있다.The eigenbeamformer's method feeds back eigenvectors with a relatively large amount of data at long time intervals, and feeds back coefficients of eigenvectors with a small amount of data at short time intervals. Therefore, not only the total amount of feedback data is reduced, but also the diversity effect can be obtained because the coupling coefficient of the eigenvector changes rapidly with fading.
그러나, 위의 고유 빔형성기의 방식은 고유 벡터의 데이터 양이 여전히 많아 안테나 개수를 증가시키는데 부담이 되고, 단말기 수신 데이터로 구한 상관행렬의 두 고유치의 차이가 큰 경우에 다이버서티 효과가 감소하며, 단말기가 고유 벡터를 연산해야 하므로 단말기 구조가 복잡해진다는 문제점이 있다.However, the method of the eigenbeamformer above is a burden to increase the number of antennas due to the large amount of data of the eigenvectors, and the diversity effect is reduced when the difference between the two eigenvalues of the correlation matrix obtained from the terminal reception data is large. Since the terminal needs to compute the eigenvectors, there is a problem that the terminal structure becomes complicated.
한편, 종래 빔형성 기법과 폐루프 송신 다이버서티 기법을 결합한 방식은 다수개의 배열 안테나를 공간상에서 충분히 격리시키고, 배열 안테나 간에는 폐루프 송신 다이버서티를 적용한다.On the other hand, the conventional beamforming technique combined with the closed loop transmit diversity technique sufficiently isolates a plurality of array antennas in space, and applies the closed loop transmit diversity between array antennas.
이러한 방식은 폐루프 송신 다이버서티보다 동일한 안테나 개수를 가질 경우 피드백 데이터 양이 상대적으로 작고 빔형성 이득과 다이버서티 이득을 동시에 얻을 수는 있으나, 단말기 구조가 복잡하고 피드백 데이터가 여전히 많아 속도가 증가하는 경우에 성능이 저하된다는 문제점이 있다.In this method, if the number of antennas is the same as that of the closed-loop transmit diversity, the amount of feedback data is relatively small and the beamforming gain and the diversity gain can be obtained at the same time. In this case, there is a problem that performance is reduced.
본 발명은 위의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 단말기로부터 피드백 정보를 받지 않고도 두 개의 배열 안테나로 빔형성 이득과 다이버서티 이득을 동시에 획득하기 위한 이동통신에서의 빔형성 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a beamforming system and a beamforming system in a mobile communication for simultaneously obtaining beamforming gain and diversity gain with two array antennas without receiving feedback information from a terminal. To provide a way.
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 이동통신에서의 빔형성 시스템의 구성을 도시한 것이다.1 is a block diagram of a beamforming system in mobile communication according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 이동통신에서의 빔형성 방법에서 방향 추정하는 과정이 도시된 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a direction estimation process in the beamforming method of the mobile communication according to the embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 실시예의 이동통신에서의 빔형성 방법에서 송신 다이버서티 적용하는 과정이 도시된 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a process of applying transmission diversity in a beamforming method in a mobile communication according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 실시예에서 방위각 전력 분포를 이용하여 신호 방향을 추정하는 과정을 도시한 것이다.4 illustrates a process of estimating a signal direction using an azimuth power distribution in an embodiment according to the present invention.
도 5는 두 배열 안테나로 구한 방위각 전력분포를 이용하여 신호 방향을 추정하고 송신 빔패턴을 구하는 과정에 대한 일례를 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates an example of a process of estimating a signal direction and obtaining a transmission beam pattern using an azimuth power distribution obtained by two array antennas.
상기한 바와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 이동통신에서의 빔형성 시스템의 특징은, 공간상 일정 간격 이상 격리되어 있는 두 배열 안테나로 수신된 역방향 데이터를 이용해 각도별 수신 전력값을 평균하여 신호 방향을 추정하는 기지국 수신 장치; 및 상기 기지국 수신 장치를 통해 추정한 신호 방향으로 각 배열 안테나가 지향되도록 하고, 다이버서티(diversity)를 적용한 디지털 출력 데이터를 아날로그로 변환하여 상기 두 배열 안테나를 통하여 송신하는 기지국 송신 장치를 포함한다.A feature of the beamforming system in a mobile communication according to the present invention for achieving the above object is to average the received power value for each angle by using the reverse data received by two array antennas isolated over a predetermined interval in space. A base station receiving apparatus for estimating a signal direction; And a base station transmitter for directing each array antenna in a signal direction estimated by the base station receiver, converting digital output data applying diversity to analog, and transmitting the analog output data through the two array antennas.
이때, 상기 기지국 수신 장치는,At this time, the base station receiving apparatus,
공간상에서 일정 간격이상으로 격리되어 있는 두 개의 배열 안테나로 구성되는 안테나부; 상기 두 개의 배열 안테나로 수신된 역방향 신호를 각각 기저대역 디지털 신호로 하향 변환하는 다중채널 하향 변환부; 상기 다중채널 하향 변환부에서 변환된 기저대역 디지털 신호를 이용하여 상관벡터를 추정하는 상관벡터 추정부; 상기 상관벡터 추정부를 통해 추정한 상관벡터를 각도별 영역을 각각 지향하는 수신 빔형성 가중치와 상관하여 각도별 수신 전력 분포를 구한 후 이를 평균하여 방위각 전력 분포를 구하고, 상기 방위각 전력 분포를 이용해 다중 경로 방향을 추정하는 방향 추정부; 및 상기 방향 추정부에서 추정한 모든 다중 경로 방향을 지향하는 송신 빔형성 가중치를 연산하는 송신 빔형성 가중치 연산부를 포함한다.An antenna unit consisting of two array antennas separated from each other by a predetermined interval in space; A multi-channel down converter for down converting the uplink signals received by the two array antennas into baseband digital signals, respectively; A correlation vector estimator for estimating a correlation vector using the baseband digital signal converted by the multi-channel down converter; The correlation vector estimated by the correlation vector estimator is correlated with the reception beamforming weights directed to the angle-by-angle regions, and then the received power distribution for each angle is averaged to obtain an azimuth power distribution. The multi-path is obtained using the azimuth power distribution. A direction estimator for estimating a direction; And a transmission beamforming weight calculator for calculating transmission beamforming weights for all multipath directions estimated by the direction estimator.
상기 상관벡터 추정부는, 상기 디지털 신호와 기준 신호를 곱한 다음 일정 구간 동안 적분을 하여 상관벡터를 추정한다.The correlation vector estimator multiplies the digital signal by the reference signal and then integrates the signal for a predetermined period to estimate the correlation vector.
상기 상관벡터 추정부가 적분을 하는 일정 구간은 채널 코히어런스 시간(Channel coherence time)을 넘지않도록 설정하는 것이 바람직하다.Preferably, the correlation vector estimator integrates a predetermined section so as not to exceed a channel coherence time.
상기 방향 추정부는, 상기 각도별 수신 전력값을 평균한 값과과 기준값을 비교하여 상기 수신 전력값이 기준값보다 큰 값을 가지는 각도를 다중 경로 방향으로 추정한다.The direction estimator compares the average of the received power values for each angle with a reference value to estimate an angle in which the received power value is greater than the reference value in the multipath direction.
상기 방향 추정부는, 상기 수신 빔형성 가중치가 지향하는 각도 영역을 하나의 섹터에서 다수 개로 분할하는데, 상기 방향 추정부가 분할한 다수개의 각도 영역이 서로 중첩되거나, 상기 방향 추정부가 분할한 다수개의 각도 영역이 서로 중첩되지 않는다.The direction estimator divides the angular regions indicated by the reception beamforming weights into a plurality of sectors in one sector, and a plurality of angular regions divided by the direction estimator overlap each other or the directional estimator divides the plurality of angular regions. These do not overlap each other.
한편, 상기 기지국 송신 장치는,On the other hand, the base station transmitter,
상기 두 개의 배열 안테나로 송신하는 신호가 구분되도록 다이버서티를 송신 심벌에 적용하는 다이버서티 인코더; 상기 다이버서티 인코더에서 출력되는 송신 심벌 데이터에 송신 빔형성 가중치를 곱하는 빔형성부; 상기 빔형성부를 거쳐 출력되는 송신 심벌 데이터에 채널 구분 코드와 스크램블링 코드를 곱하는 확산부; 상기 확산부를 거쳐 출력되는 송신 심벌 데이터에 모든 사용자 신호 벡터를 합하여 디지털 출력 데이터로 출력하는 벡터 합산부; 및 상기 벡터 합산부에서 출력하는 디지털 출력 데이터를 아날로그로 변환한 후 라디오 주파수 대역으로 상향 변환하여 이를 두 배열 안테나를 통해 송신하는 다중채널 상향 변환부를 포함한다.A diversity encoder for applying diversity to transmission symbols so that signals transmitted by the two array antennas are distinguished; A beamforming unit multiplying the transmission beamforming weights by the transmission symbol data output from the diversity encoder; A spreading unit multiplying the channel symbol code and the scrambling code by the transmission symbol data output through the beamforming unit; A vector summing unit which adds all user signal vectors to the transmission symbol data output through the spreading unit and outputs the digitized output data; And a multi-channel up-converter for converting the digital output data output from the vector adder into an analog and then up-converting the radio frequency band and transmitting the same through two array antennas.
상기 다이버서티 인코더는 개루프 송신 다이버서티 코딩 기법을 이용한다. 상기 빔형성부는, 상기 다이버서티 인코더에서 두 개의 신호로 분할된 송신신호에 역방향 데이터로 추정한 모든 방향을 지향하며 두 개의 배열 안테나에 동일하게 적용되는 빔형성 가중치를 곱한다,The diversity encoder uses an open loop transmit diversity coding technique. The beamforming unit multiplies a transmission signal divided by two signals in the diversity encoder in all directions estimated by reverse data and multiplies beamforming weights that are equally applied to two array antennas.
한편, 본 발명에 따른 이동통신에서의 빔형성 방법의 특징은, a) 공간상 일정 간격 이상 격리되어 있는 두 배열 안테나로 수신된 역방향 데이터를 이용해 각도별 수신 전력값을 평균하여 신호 방향을 추정하는 단계; 및 b) 상기 a) 단계를 통해 추정한 신호 방향으로 각 배열 안테나가 지향되도록 하고, 다이버서티(diversity)를 적용한 디지털 출력 데이터를 아날로그로 변환하여 상기 두 배열 안테나를 통하여 송신하는 단계를 포함한다.On the other hand, a feature of the beamforming method in the mobile communication according to the present invention is to a) estimate the signal direction by averaging the received power value for each angle by using the reverse data received by the two array antennas isolated over a predetermined interval in space step; And b) directing each array antenna in the signal direction estimated through step a), converting the digital output data to which the diversity is applied, into analog, and transmitting them through the two array antennas.
상기 a) 단계는,Step a) is
가) 상기 두 개의 배열 안테나로 수신된 역방향 신호를 각각 기저대역 디지털 신호로 하향 변환하고 이를 이용하여 상관벡터를 추정하는 단계; 나) 각도별 영역을 각각 지향하는 수신 빔형성 가중치를 구하고, 상기 가) 단계에서 추정한 상관벡터와 상기 수신 빔형성 가중치를 상관하여 두 배열 안테나에 대하여 각도별 수신 전력 분포를 구하는 단계; 다) 상기 나) 단계에서 구한 각도별 수신 전력분포를 상기 배열 안테나와 시간에 대해 평균하여 방위각 전력 분포를 구하고, 상기 방위각 전력 분포를 이용해 모든 다중 경로 방향을 추정하는 단계; 및 라) 상기 다) 단계에서 추정한 모든 다중 경로 방향을 지향하는 송신 빔형성 가중치를 연산하는 단계를 포함한다.A) downconverting the backward signals received by the two array antennas into a baseband digital signal and estimating a correlation vector using the same; B) obtaining a reception beamforming weight directed toward each angled area, and correlating the correlation vector estimated in step a) and the reception beamforming weight to obtain angle distribution of power for each of the two array antennas; C) calculating azimuth power distribution by averaging the received power distribution for each angle obtained in step b) with respect to the array antenna and time, and estimating all multipath directions using the azimuth power distribution; And d) calculating transmission beamforming weights for all the multipath directions estimated in step c).
상기 상관벡터 추정부는 상기 가) 단계에서 상관벡터를 추정하는 단계는, 아래 수학식1을 이용한다.The correlation vector estimating unit estimates the correlation vector in step a) using Equation 1 below.
상기 상관벡터를 추정하는 단계에서 적분 구간은 채널 코히어런스 시간(Channel coherence time)을 넘지않도록 설정한다.In the step of estimating the correlation vector, the integral period is set not to exceed the channel coherence time.
상기 다) 단계에서 상기 수신 빔형성 가중치가 지향하는 각도 영역은 하나의 섹터에서 다수 개로 분할되는데, 상기 다수개의 각도 영역이 서로 중첩되거나 서로 중첩되지 않는다.In the step c), the angular regions to which the reception beamforming weights are directed are divided into a plurality of sectors, and the angular regions do not overlap each other or overlap each other.
상기 다) 단계에서 방위각 전력 분포를 구하는 단계는 아래 수학식 2를 이용한다.In the step c), the azimuth power distribution is calculated using Equation 2 below.
상기 b) 단계는,B),
가) 상기 두 개의 배열 안테나로 송신하는 신호가 구분되도록 다이버서티를 송신 심벌에 적용하고, 그 송신 심벌 데이터에 송신 빔형성 가중치를 곱하는 단계; 나) 가)단계를 거쳐 출력되는 송신 심벌 데이터에 채널 구분 코드와 스크램블링 코드를 곱한 송신 심벌 데이터에 모든 사용자 신호 벡터를 합하여 디지털 출력 데이터로 출력하는 단계; 및 다) 상가 나) 단계에서 출력되는 디지털 출력 데이터를 아날로그로 변환한 후 라디오 주파수 대역으로 상향 변환하여 이를 두 배열 안테나를 통해 송신하는 단계를 포함한다.A) applying diversity to transmission symbols so that signals transmitted by the two array antennas are distinguished, and multiplying the transmission symbol data by transmission beamforming weights; B) adding all user signal vectors to the transmission symbol data obtained by multiplying the channel identification code and the scrambling code by the transmission symbol data output through step a) and outputting the digital output data; And c) converting the digital output data output in step b) to analog and then up-converting the radio frequency band to transmit them through two array antennas.
상기 나) 단계는 상기 가) 단계에서 다이버서티를 적용하여 두 개의 신호로 분할된 송신신호에 역방향 데이터로 추정한 모든 방향을 지향하며 두 개의 배열 안테나에 동일하게 적용되는 송신 빔형성 가중치를 곱한다.In step b), by applying diversity in step a), the transmission signal divided into two signals is directed in all directions estimated by reverse data and multiplied by the transmission beamforming weights that are equally applied to the two array antennas.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 이동통신에서의 빔형성 시스템의 구성을 도시한 것이다.1 is a block diagram of a beamforming system in mobile communication according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 이동통신에서의 빔형성 시스템은 크게 기지국 수신 장치와 기지국 송신 장치를 포함한다.As shown in FIG. 1, a beamforming system in mobile communication largely includes a base station receiver and a base station transmitter.
기지국 수신 장치는 역방향에서 수신한 데이터를 이용하여 방위각 전력 분포를 구하여 이를 기준값과 비교하고, 두 개의 배열 안테나(101, 102)를 이용하여 신호 방향을 추정한다.The base station receiver obtains the azimuth power distribution using the data received in the reverse direction, compares it with the reference value, and estimates the signal direction using the two array antennas 101 and 102.
기지국 송신 장치는 개루프 송신 다이버서티 코딩 기법을 이용하여 송신 신호를 두 개의 신호로 분할한 후 빔형성 가중치를 곱하고, 두 개의 배열 안테나(101, 102)로 전송한다.The base station transmitting apparatus divides a transmission signal into two signals using an open loop transmission diversity coding scheme, multiplies the beamforming weights, and transmits the two signals to the array antennas 101 and 102.
이때, 다이버시티 기법은 수신 단에서 2개의 안테나를 이용하여, 두 개의 안테나에 수신되는 신호가 완전히 서로 다른 신호를 수신하도록 하는 것이다. 이렇게 다이버시티 기법을 이용하게 되면, 한쪽 안테나에 수신되는 신호에 깊은 페이딩 현상이 발생하더라도 다른 한쪽 안테나에 수신되는 신호는 작은 페이딩 현상이 발생하게 됨으로 적은 페이딩 신호를 선택하여 신호를 재생하면 좋은 질의 통화를 제공하게 된다.In this case, the diversity scheme uses two antennas at the receiving end so that signals received by the two antennas receive completely different signals. By using the diversity technique, even if a deep fading phenomenon occurs in a signal received at one antenna, the signal received at the other antenna generates a small fading phenomenon. Will be provided.
여기서, 빔형성 가중치는 역방향 데이터로 추정한 모든 방향을 지향하며 두 개의 배열 안테나(101, 102)에 적용하는 송신 빔형성 가중치는 동일하도록 하는 것이 바람직하다.Here, the beamforming weights are directed in all directions estimated by the reverse data, and the beamforming weights applied to the two array antennas 101 and 102 are preferably the same.
기지국 수신 장치는 안테나부(110), 다중채널 하향 변환부(120), 상관벡터 추정부(130), 방향 추정부(140), 송신 빔형성 가중치 연산부(150)를 포함한다.The base station receiver includes an antenna unit 110, a multi-channel down converter 120, a correlation vector estimator 130, a direction estimator 140, and a transmission beamforming weight calculator 150.
안테나부(110)는 두 개의 배열 안테나(101, 102)로 구성되어 있고, 이 두 배열 안테나(101, 102)는 공간상에서 충분히 격리되어 있다.The antenna unit 110 is composed of two array antennas 101 and 102, and the two array antennas 101 and 102 are sufficiently isolated in space.
다중채널 하향 변환부(120)는 두 개의 다중채널 하향 변환기로 구성되고 이 두 다중채널 하향 변환기는 두 배열 안테나(101, 102)로 수신된 신호를 각각 기저대역 디지털 신호로 하향 변환한다.The multichannel downconverter 120 is composed of two multichannel downconverters, and the two multichannel downconverters downconvert the signals received by the two array antennas 101 and 102 into baseband digital signals, respectively.
상관벡터 추정부(130)는 두 개의 상관벡터 추정기로 구성되고, 이 상관벡터 추정기들은 아래 수학식 1과 같이 각 배열 안테나(101, 102)로 수신된 신호를 이용하여 상관벡터를 추정한다.The correlation vector estimator 130 includes two correlation vector estimators, and the correlation vector estimators estimate the correlation vector using the signals received by the array antennas 101 and 102 as shown in Equation 1 below.
여기서,는 k번째 배열 안테나에 대한 ｉ번째 다중 경로의 상관벡터이다. M/2는 하나의 배열 안테나가 구성하는 안테나의 개수이다. 또한,는 k번째 배열 안테나의 j번째 안테나로 수신된 신호를 의미하고,는 기준신호로 ｉ번째 다중 경로 신호와 상관성이 있다.here, Is the correlation vector of the i th multipath for the k th array antenna. M / 2 is the number of antennas configured by one array antenna. Also, Denotes a signal received by the j th antenna of the k th antenna, Is a reference signal and has a correlation with the i-th multipath signal.
일반적인 코드분할 다중 접속 시스템에서는 기준신호로 파일럿 신호를 이용한다.In a general code division multiple access system, a pilot signal is used as a reference signal.
상관벡터는 위의 수학식 1과 같이 디지털 수신 신호와 기준 신호를 곱한 다음 일정 구간 동안 적분을 하여 추정한다. 이때, 적분 구간은 채널 코히어런스 시간(Channel coherence time)을 넘지않도록 설정한다.The correlation vector is estimated by multiplying the digital received signal and the reference signal as shown in Equation 1 and integrating for a predetermined period. At this time, the integral section is set not to exceed the channel coherence time.
방향 추정부(140)는 두 배열 안테나(101, 102)에서 추정한 상관벡터로 각도에 따른 수신 전력 분포를 구하고, 그 각도에 따른 수신 전력 분포를 일정 시간 동안 평균하여 방위각 전력 분포를 이용하여 다중 경로 방향을 추정한다. 이때, 방위각 전력 분포는 수학식 2를 이용하여 구한다.The direction estimator 140 obtains a reception power distribution according to an angle using a correlation vector estimated by the two array antennas 101 and 102, averages the reception power distribution according to the angle for a predetermined time, and uses the azimuth power distribution to multiply them. Estimate the path direction. At this time, the azimuth power distribution is obtained using Equation 2.
여기서,는 한 섹터를 N개의 각도 영역으로 분할하였을 때, j번째 각도 영역으로 수신되는 신호의 세기를 의미한다. 그리고, bj는 j번째 각도 영역을 지향하는 수신 빔형성 가중치 벡터를 의미한다.here, Denotes the strength of the signal received in the j-th angular region when one sector is divided into N angular regions. And b j denotes a reception beamforming weight vector pointing to the j th angular region.
수신 빔형성 가중치 벡터가 지향하는 각도 영역은 서로 중첩된 영역을 가지거나 서로 중첩되지 않은 영역을 가질 수도 있다.The angular regions pointed to by the reception beamforming weight vector may have regions overlapping each other or regions not overlapping each other.
방향 추정부(140)는 두 개의 배열 안테나(101, 102)에 대하여 수학식 2를 이용하여 구한 방위각 전력분포를 평균하고, 이 방위각 전력분포의 평균값을 기준값과 비교하여 평균값이 기준값보다 큰 값을 갖는 각도를 다중 경로 방향으로 추정한다.The direction estimator 140 averages the azimuth power distributions obtained by using Equation 2 for the two array antennas 101 and 102, and compares the average value of the azimuth power distribution with a reference value to obtain a value whose average value is larger than the reference value. Estimate angle with multipath direction.
방향 추정부(140)는 원하는 사용자의 다른 다중 경로 신호 방향을 추정하고 이를 송신 빔형성 가중치 연산부(150)로 전달한다.The direction estimator 140 estimates another multipath signal direction of a desired user and transfers it to the transmission beamforming weight calculator 150.
이때, 송신빔 형성 가중치 연산부(150)는 방향 추정부(140)에서 추정한 모든 다중 경로 방향을 지향하는 빔형성 가중치를 연산한 후 이를 기지국 송신 장치의빔형성부(220)로 전달한다.In this case, the transmission beamforming weight calculator 150 calculates beamforming weights for all the multipath directions estimated by the direction estimator 140 and transfers the beamforming weights to the beamformer 220 of the base station transmission apparatus.
기지국 송신 장치는 다이버서티 인코더(210), 빔형성부(220), 확산부(230), 벡터 합산부(240), 다중채널 상향 변환부(250)를 포함한다.The base station transmitting apparatus includes a diversity encoder 210, a beam forming unit 220, a spreading unit 230, a vector adder 240, and a multichannel up-conversion unit 250.
다이버서티 인코더(210)는 두 개의 배열 안테나(101, 102)로 송신하는 신호를 단말기가 구분할 수 있도록 STTD(Space Time Transmit Diversity) 또는 STS(Space Time Spreading)과 같은 개루프 다이버서티 코딩 기법을 송신 심벌에 적용한다.The diversity encoder 210 transmits an open loop diversity coding scheme such as Space Time Transmit Diversity (STTD) or Space Time Spreading (STS) so that a terminal can distinguish signals transmitted to the two array antennas 101 and 102. Applies to symbols.
빔형성부(220)는 다이버서티 인코더(210)에서 출력되는 송신 심벌 데이터에 동일한 송신 빔형성 가중치를 곱해준다. 그러면, 확산부(230)는 송신 심벌 데이터에 채널 구분 코드(Channelization code)와 스크램블링 코드(Scrambling code)를 곱한다.The beamformer 220 multiplies the same transmit beamforming weight by the transmit symbol data output from the diversity encoder 210. Then, the spreader 230 multiplies the transmission symbol data by a channelization code and a scrambling code.
벡터 합산부(240)는 모든 사용자 신호 벡터를 합한 디지털 출력 데이터를 다중채널 상향 변환부(250)에 전달한다. 그러면, 다중채널 상향 변환부(250)는 디지털 출력 데이터를 아날로그 데이터로 변환한 후 RF 대역으로 상향 변환하고, 두 배열 안테나(101, 102)를 통하여 송신한다.The vector adder 240 delivers the digital output data obtained by adding all the user signal vectors to the multi-channel up converter 250. Then, the multi-channel up-conversion unit 250 converts the digital output data into analog data, up-converts the RF band, and transmits the data through two array antennas 101 and 102.
상기와 같이 구성되는 이동통신에서의 빔형성 시스템의 동작을 첨부한 도면을 참고하여 더욱 상세히 살펴보면 다음과 같다.The operation of the beamforming system in the mobile communication configured as described above will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 이동통신에서의 빔형성 방법에서 방향 추정하는 과정이 도시된 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a direction estimation process in the beamforming method of the mobile communication according to the embodiment of the present invention.
도 2에 나타나 있듯이, 다중채널 하향 변환부(120)는 두 개의 배열안테나(101, 102)로 수신된 역방향 신호를 각각 기저대역 디지털 신호로 하향 변환하고(S1, S2), 상관벡터 추정부(130)는 상기한 수학식 1과 같이 각 기저대역 디지털 신호와 기준 신호를 상관벡터를 추정한다.(S3)As shown in FIG. 2, the multi-channel down converter 120 down-converts the uplink signals received by the two array antennas 101 and 102 into baseband digital signals, respectively (S1 and S2). 130 estimates a correlation vector between each baseband digital signal and a reference signal as shown in Equation 1 above (S3).
방향 추정부(140)는 하나의 섹터를 다수개의 각도 영역으로 분할하는데, 다수개의 각도 영역은 경우에 따라 서로 중첩될 수도 있고, 반대로 서로 중첩되지 않을 수도 있다.(S4)The direction estimator 140 divides one sector into a plurality of angular regions, and the plurality of angular regions may overlap each other in some cases, or may not overlap each other (S4).
방향 추정부(140)는 각 각도 영역을 지향하는 수신 빔형성 가중치를 구하고(S5), 수신 빔형성 가중치와 상관 벡터를 상관하여 두 배열 안테나에 대하여 각도별 수신 전력 분포를 구한다.(S6)The direction estimator 140 obtains reception beamforming weights directed to each angular region (S5), and correlates the reception beamforming weights with a correlation vector to obtain angle-specific reception power distributions for the two array antennas (S6).
이렇게 구한 각도별 수신 전력분포를 상기한 수학식 2를 이용해 방향 추정부(140)는, 두 배열 안테나와 시간에 대해 평균하여 방위각 전력 분포를 구하고 상기 방위각 전력 분포를 이용해 모든 다중 경로 방향을 추정한다.(S17)The direction estimator 140 obtains an azimuth power distribution by averaging the received power distributions for each angle by using Equation 2, and estimates all multipath directions using the azimuth power distribution. (S17)
이때, 방향 추정부(140)는 방위각 전력분포의 평균값을 기준값과 비교하여 평균값이 기준값보다 큰 값을 갖는 각도를 다중 경로 방향으로 추정한다.At this time, the direction estimator 140 compares the average value of the azimuth power distribution with the reference value and estimates the angle in which the average value is larger than the reference value in the multipath direction.
그러면, 송신 빔형성 가중치 연산부(150)는 방향 추정부(140)에서 추정한 모든 다중 경로 방향을 지향하는 송신 빔형성 가중치를 연산한다.(S18)Then, the transmission beamforming weight calculator 150 calculates the transmission beamforming weights for all the multipath directions estimated by the direction estimator 140 (S18).
다음, 도 3은 본 발명에 따른 실시예의 이동통신에서의 빔형성 방법에서 송신 다이버서티 적용하는 과정이 도시된 순서도이다.Next, FIG. 3 is a flowchart illustrating a process of applying transmission diversity in a beamforming method in a mobile communication according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 다이버서티 인코더(210)는 두 개의 배열 안테나(101, 102)로 송신하는 신호를 단말기가 구분할 수 있도록 STTD 또는 STS와같은 개루프 다이버서티 코딩 기법을 송신 심벌에 적용한다.(S21)As shown in FIG. 3, the diversity encoder 210 applies an open loop diversity coding scheme such as STTD or STS to a transmission symbol so that a terminal can distinguish signals transmitted to two array antennas 101 and 102. (S21)
그러면, 빔형성부(220)는 다이버서티 인코더(210)에서 출력되는 송신 심벌 데이터에 송신 빔형성 가중치 연산부(150)에서 구한 동일한 송신 빔형성 가중치를 곱한다.(S22)Then, the beamforming unit 220 multiplies the transmission symbol data output from the diversity encoder 210 by the same transmission beamforming weight obtained by the transmission beamforming weight calculator 150 (S22).
그리고, 확산부(230)는 빔형성부(220)를 거쳐 출력되는 송신 심벌 데이터에 채널 구분 코드와 스크램블링 코드를 곱하고, 벡터 합산부(240)는 확산부(230)에서 출력하는 데이터에 모든 사용자 신호 벡터를 합한 디지털 출력 데이터를 다중채널 상향 변환부(250)로 출력한다.(S23)In addition, the spreader 230 multiplies the transmission symbol data output through the beamformer 220 by the channel discrimination code and the scrambling code, and the vector adder 240 all the users of the data output from the spreader 230. The digital output data obtained by adding the signal vectors is output to the multi-channel up-conversion unit 250 (S23).
다중채널 상향 변환부(250)는 디지털 출력 데이터를 아날로그로 변환한 후 라디오 주파수 대역으로 상향 변환하여 이를 두 배열 안테나(101, 102)를 통해 송신한다.(S24)The multi-channel up-conversion unit 250 converts the digital output data into an analog, up-converts the radio frequency band, and transmits the same through the two array antennas 101 and 102 (S24).
도 4는 본 발명에 따른 실시예에서 방위각 전력 분포를 이용하여 신호 방향을 추정하는 과정을 도시한 것이다.4 illustrates a process of estimating a signal direction using an azimuth power distribution in an embodiment according to the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 먼저, 방향 추정부(140)는 각 각도 영역에 대한 수신 세기를 추정하기 위하여 상기한 수학식 2와 같이 상관벡터를 각 각도 영역을 지향하는 수신 빔형성 가중치 벡터와 내적한 값의 절대값의 제곱을 평균한다.As shown in FIG. 4, first, the direction estimator 140 includes a received beamforming weight vector pointing to a correlation vector directed to each angle region as shown in Equation 2 to estimate the reception strength of each angle region. Average the square of the absolute value of the dot product.
위에서, 한 섹터는 7개의 중첩된 각도 영역으로 분할되어 있다.Above, one sector is divided into seven overlapping angular regions.
다음으로, 방향 추정부(140)는 각도별 수신 전력 세기를 기준값과 비교하여 기준값도다 더 큰 값을 가지는 각도를 신호 방향으로 추정한다.Next, the direction estimator 140 estimates an angle having a larger value than the reference value as the signal direction by comparing the received power intensity for each angle with the reference value.
도 4에서는 4번째 각도 영역으로 신호가 입사하는 것으로 가정한다.In FIG. 4, it is assumed that a signal is incident to the fourth angular region.
하나의 다중 경로에 대한 각도 확산 범위가 각도 영역 범위보다 넓은 경우에 각도별 수신 전력 분포가 신호 방향을 지향하는 대신 랜덤한 특성을 가지면서 지향성이 없어질 수 있기 때문에 정확도가 떨어지는 문제점을 보완하기 위해, 방위각 전력 분포는 채널 코히런스 시간보다 훨씬 더 긴 시간 동안 평균을 취하여 구한다.In order to compensate for the problem of inaccuracy when the angular spread range for one multipath is wider than the angular domain range, the received power distribution for each angle may have a random characteristic instead of directing the signal direction, and thus lose directivity. The azimuth power distribution is then averaged over a much longer time than the channel coherence time.
도 5는 두 배열 안테나로 구한 방위각 전력분포를 이용하여 신호 방향을 추정하고 송신 빔패턴을 구하는 과정에 대한 일례를 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates an example of a process of estimating a signal direction and obtaining a transmission beam pattern using an azimuth power distribution obtained by two array antennas.
도 5에서, 4번째와 5번째 방향으로 신호가 입사한 것으로 가정한다. 그러면, 두 배열 안테나는 공간상에서 충분히 격리되어 있으므로 서로 다른 페이딩을 가진다.In FIG. 5, it is assumed that signals are incident in the fourth and fifth directions. The two array antennas then have different fading because they are sufficiently isolated in space.
사용자가 원하는 단말기가 빠른 속도로 이동하고 잇는 경우에, 두 배열 안테나에서 구한 방위각 번력 분포는 평균하는 시간이 길어질수록 서로 유사한 패턴을 가진다. 그러나, 단말기가 페이딩이 거의 없는 환경에 있는 경우에, 도 5에 도시된 바와 같이 첫 번째 배열 안테나에서는 4번째 각도만 검출되고, 두 번째 배열 안테나에서는 5번째 각도만 검출될 수 있다.When the terminal desired by the user is moving at a high speed, the azimuth power distributions obtained by the two array antennas have a similar pattern as the average time increases. However, when the terminal is in an environment with little fading, as shown in FIG. 5, only the fourth angle may be detected at the first array antenna and only the fifth angle may be detected at the second array antenna.
이 경우, 하나의 배열 안테나만을 이용하여 신호 방향을 추정한다면 방향 추정부(140)가 실제 존재하는 신호 방향을 모두 추정하지 못할 확률이 두 개의 배열 안테나를 이용하는 경우에 비하여 높다.In this case, if the signal direction is estimated using only one array antenna, the probability that the direction estimator 140 cannot estimate all the signal directions actually present is higher than that of using the two array antennas.
따라서, 본 발명에 따른 실시예에서는 공간상에서 충분히 떨어진 두 개의 배열 안테나로 구한 방위각 전력 분포를 평군하여 신호 방향을 추정한다.Therefore, in the embodiment according to the present invention, the signal direction is estimated by averaging the azimuth power distribution obtained by two array antennas sufficiently spaced in space.
이렇게 되면, 방향 추정부(140)는 두 개의 배열 안테나로 평균하여 구한 방위각 전력 분포로 4번째와 5번째 각도 영역에서 신호 검출하고 송신 빔 패턴은 이 두 방향을 모두 지향하도록 한다.In this case, the direction estimator 140 detects a signal in the fourth and fifth angular regions with an azimuth power distribution obtained by averaging with two array antennas, and directs the transmission beam pattern in both directions.
기지국 수신 장치는 시간 지연 차이가 한 칩 이상인 모든 다중 경로에 대하여 이와 같은 방법을 이용하여 방향을 추정하고, 송신 빔형성 가중치가 그 추정한 모든 방향을 지향하도록 한다.The base station receiving apparatus estimates directions by using this method for all multipaths having a time delay difference of more than one chip, and directs the transmission beamforming weights to all the estimated directions.
어느 한 실시예에서 언급한 내용 중 다른 실시예에도 적용할 수 있는 내용은 다른 실시예에서 특별히 언급하지 않아도 이를 적용할 수 있는 것은 당업자에게 자명하다.It is apparent to those skilled in the art that the information mentioned in any one embodiment can be applied to other embodiments even if it is not specifically mentioned in the other embodiments.
상기 도면과 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The drawings and detailed description of the invention are merely exemplary of the invention, which are used for the purpose of illustrating the invention only and are not intended to limit the scope of the invention as defined in the appended claims or claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
본 발명에 의한 이동통신에서의 빔형성 시스템 및 그 방법은 역방향에서 신호 방향을 추정시 두 개의 배열 안테나로 방위각 전력 분포를 구하고, 이를 이용하여 모든 다중 경로를 추정함으로써 정확도를 높일 수 있고, 빔형성 가중치와 개루프 다이버서티 코딩 기법을 이용하여 빔형성 이득과 다이버서티 이득을 동시에 얻을 수 있는 효과가 있다.The beamforming system and method thereof in the mobile communication according to the present invention can obtain the azimuth power distribution with two array antennas when estimating the signal direction in the reverse direction, and increase the accuracy by estimating all multipaths using the beamforming. The beamforming gain and the diversity gain can be simultaneously obtained by using the weighted and open-loop diversity coding technique.
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