KR100957354B1

KR100957354B1 - 스마트 안테나 시스템에서 순방향 빔 형성 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100957354B1
Application number: KR1020030079186A
Authority: KR
Inventors: 양장훈
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2010-05-12
Also published as: KR20050045209A; US7239893B2; US20050101354A1

Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템의 순방향 빔 형성 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 스마트 안테나 시스템에서 순방향 빔 형성 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 실시간으로 보다 정확한 순방향 송신 빔을 형성할 수 있고, 미리 저장된 테이블을 사용하지 않으면서 정확한 순방향 송신 빔을 형성할 수 있고, 이동 단말의 이동 속도에 의한 오류를 줄일 수 있는 순방향 송신 빔 형성 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 장치는, 다중 안테나를 이용하여 각 사용자 별로 운송빔을 형성하는 기지국에서 순방향 운송 빔을 형성하는 장치에 있어서, 역방향으로 수신된 신호의 최대 에너지를 가지는 신호와 에너지 값을 검출하는 순간 방향 추정부와, 상기 순간 방향 추정부의 출력 값과 순방향 안테나 방향 응답 특성을 이용하여 순방향 공간 상관관계 행렬을 계산하는 순방향 공간 상관관계 행렬 계산부와, 상기 순방향 행렬 계산부의 출력으로부터 공통 빔과 운송 빔 사이의 위상차를 반영하여 순방향 빔 형성 벡터를 출력하는 빔 벡터 적응부를 포함한다.

스마트 안테나, 순방향 빔 형성, 벡터 왜곡, 실시간 계산.

Description

스마트 안테나 시스템에서 순방향 빔 형성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FORWARD_LINK BEAM-FORMING IN A SMART ANTENNA SYSTEM}

도 1은 종래기술에 따른 스마트 안테나 시스템의 순방향 빔 형성 장치의 일 예를 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스마트 안테나 시스템의 블록 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 스마트 안테나 시스템에서 수행되는 순방향 빔 형성을 위한 빔 벡터 계산 및 갱신 시의 흐름도,

도 4는 본 발명에 따른 스마트 안테나 시스템을 적용한 경우의 운송 빔 벡터와 패턴을 공통 빔 패턴과 비교한 시뮬레이션 그래프.

본 발명은 무선 통신 시스템의 순방향 빔 형성 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 스마트 안테나 시스템에서 순방향 빔 형성 장치 및 방법에 관한 것이다.

통상적으로 무선 통신 시스템의 전형적인 예로 코드분할다중접속(CDMA : Code Division Multiplexing Access) 이동통신 시스템을 예로 들 수 있다. 이러한 코드분할다중접속 이동통신 시스템에서 효율적인 통신을 위해 스마트 안테나 시스템의 도입이 진행 중이다. 스마트 안테나 시스템이란, 다수 개의 어레이(array) 안테나를 이용하여 이동 단말이 위치한 방향으로 순방향 빔을 형성하고, 상기 이동 단말로부터 다수 개의 안테나를 수신되는 신호에 대하여 가중치를 적용함으로서 보다 양호한 신호를 수신할 수 있도록 하는 시스템이다. 이와 같이 순방향 빔의 형성 시 특정한 이동 단말로 빔이 형성되도록 구성하는 경우에 다른 이동 단말로의 간섭이 줄어들게 되므로 무선 통신 시스템 전체의 성능 향상을 기대할 수 있다.

그러면 현재까지 알려진 스마트 안테나 시스템의 순방향 빔 형성 방법에 대하여 살펴보기로 한다. 스마트 안테나 시스템에서 순방향 빔 형성 방법은 크게 2가지 방법으로 구분할 수 있다. 첫째로, 소수의 협소한 빔 폭을 가지는 빔 형성 데이터를 테이블로 저장하고, 이동 단말의 위치를 검출하여 상기 테이블에 저장된 위치와 가장 유사한 순방향 빔을 선택하여 순방향 빔을 형성하는 방법이다. 이러한 방법을 스위칭 빔 방법이라 한다. 둘째로, 특정한 방향에 대하여 다수의 빔 폭을 가지는 방향별 빔의 형성 데이터를 테이블로 저장하고, 역방향으로부터 수신되는 정보를 이용하여 순방향 정보와 매칭한 후 가장 적합한 방향을 찾아 순방향 빔을 선택하여 순방향 빔을 형성하는 방법이다. 이때, 이동 단말과 기지국간의 거리를 고려하여 가장 적합한 빔 폭을 가지는 순방향 빔 형성 정보를 선택하게 된다.

상기한 2가지 방법은 기본적으로 사용자의 위치를 역방향 정보를 이용하여 추정한다는 점에서 상호간 유사점이 있다. 그러나 첫 번째 방법은 특정한 구획을 결정하여 상기 구획에 포함된 다수의 사용자에게 동일하게 순방향 빔을 형성하는 집단적 순방향 빔 형성 방법이며, 두 번째 방법은 매 이동 단말마다 이동 단말의 위치에 따라 서로 다른 순방향 빔을 형성하는 개별적 순방향 빔 형성 방법이라는 점에서 차이를 가진다.

그러면 도 1을 참조하여 현재 스마트 안테나 시스템의 순방향 빔 형성 장치에 대하여 살펴보기로 한다. 도 1은 종래기술에 따른 스마트 안테나 시스템의 순방향 빔 형성 장치의 일 예를 도시한 도면이다.

상기 도 1의 큰 구성을 살펴보면, 다수의 배열 안테나들(Array Antennas)과 순간 방향 추정부(Instantaneous Direction Finding Unit)(110)와 평균 검출부(Average Direction Finding Unit)(120)와 실시간 빔폭 제어부(Band Width Control Uint)(130)와 송신 처리부(Transmit Processor Unit)(140)으로 구성된다. 또한 상기 순간 방향 추정부(110)는 선행 처리기(Front End Processor)(111)와 공간 상관기(Spatial Correlator)(112)와 역방향 응답 특성 테이블(Array Manifold Table)(113)과 최대 에너지 검출기(Maximum Energy Detector)(114)로 구성된다.

그러면 상기한 구성을 가지는 순방향 빔 형성 장치의 동작에 대하여 살펴보기로 한다. 다수의 배열 안테나들을 통해 수신되는 신호는 순간 방향 추정부(110)로 입력된다. 상기 순간 방향 추정부(110)는 역방향으로 수신되는 신호의 순간적인 최대 에너지의 방향을 검출하여 출력한다. 그러면 순간 방향 추정부(110)의 내부 동작에 대하여 좀 더 상세히 살피기로 한다. 상기 순간 방향 추정부(110)는 선행 처리기(110)에서 배열 안테나들(ANTs)로부터 수신된 신호들을 각각 공간 상관기(112)에서 처리가 가능한 형태로 변환하여 출력한다. 이러한 선행 처리를 CDMA2000 1x의 경우로 예를 들어 설명하면, 고유 부호 역확산 및 누적과정이 수행되는 것이다. 이와 같이 선행 처리기(112)에서 처리된 신호들은 공간 상관기(112)로 입력된다. 상기 공간 상관기(112)는 미리 저장된 역방향 방향 응답 특성 테이블(113)을 이용하여 선행 처리기(111)의 출력과 상관관계를 계산하여 출력한다. 그러면 최대 에너지 검출기(114)는 상관관계가 가장 큰 인덱스와 그 에너지를 검출하고, 최대 인덱스 값과 최대 에너지 값을 출력한다.

이와 같이 출력된 순간 방향 추정부(110)의 출력은 평균 검출부(120)로 입력된다. 상기 평균 검출부(120)는 순간 방향 추정부(110)의 출력을 이용하여 수신 신호의 평균 방향을 구할 수 있다. 이와 같이 평균 검출부(120)에서 구해진 평균 방향의 값은 실시간 빔 폭 제어부(130)로 입력된다. 상기 실시간 빔폭 제어부(130)는 수신된 신호의 세기 등으로부터 기지국과 이동 단말간의 거리를 계산하여 순방향으로 설정할 빔 폭을 계산한다. 즉, 역방향으로 수신된 신호의 정보와, 이동 단말의 송신 전력, 이동 단말로부터 수신된 신호의 세기 및 역방향으로 수신된 전력 제어 명령 등의 다양한 정보들을 이용하여 순방향으로 설정할 적절한 빔폭을 결정한다. 이와 같은 빔 폭이 결정은 상기 이용할 수 있는 정보들과 미리 결정된 빔 폭을 매칭하기 위한 테이블을 구비하고, 이용 가능한 정보들을 수신하여 이에 대응하는 또는 가장 유사한 값을 테이블로부터 찾아 빔 폭을 결정하게 된다. 이와 같이 빔 폭과 빔의 방향이 결정되면, 이를 순방향 빔 벡터로 출력한다. 즉, 실시간 빔폭 제어 부(130)는 실제로 전송할 순방향 빔 벡터 값을 출력한다. 상기 실시간 빔폭 제어부(130)로부터 출력된 순방향 빔 벡터 값들은 송신 처리부(140)로 입력된다. 상기 송신 처리부(140)는 순방향으로 송신할 신호에 상기 순방향 빔 벡터를 곱하여 해당하는 다수의 배열 안테나들(ANTs)로 출력한다.

이상에서 살핀 스마트 안테나의 동작을 간략히 다시 정리하면, 순방향 운송 빔을 결정하는 과정은 결국, 송신 방향 검출과 사용 가능한 여러 가지 정보를 이용하여 빔폭을 결정한다. 이러한 송신 방향의 검출과 빔폭의 결정은 미리 저장해 놓은 테이블에서 빔을 선택하는 과정으로 이루어진다.

그런데, 미리 저장해 놓은 빔 형성을 위한 값들 중에 하나를 선택하는 방식은 적어도 하기와 같은 3가지 문제점을 갖는다.

첫째로, 빔의 개수가 제한된다. 왜냐하면, 빔의 개수는 빔 각도와 폭의 해상도에 의존적으로 증가한다. 즉, 빔의 개수가 많아지면 보다 정확한 빔을 사용할 수 있지만, 이 빔을 선택하기 위한 알고리듬상의 복잡도에 의해서 빔의 개수가 제한될 수밖에 없다. 따라서 무한개의 빔을 사용할 수 있는 시스템에 비해서 성능의 저하가 발생한다.

둘째로, 빔 생성 시 빔의 입사각에 대한 분포의 가정에 의존적인 성능을 갖는다. 즉, 빔을 저장하기 위해서는 특정 기준에 의해서 빔을 미리 만들어야 한다. 이와 같이 빔을 생성할 때에 들어오는 신호의 공간상에서의 분포를 미리 가정을 하고 만들게 된다. 따라서 실제 무선 통신 환경에서 들어오는 신호의 방향을 제대로 추정한다 하더라도 실제 들어오는 신호의 공간적 분포가 가정된 분포와 상이할 때 에는 성능의 저하가 발생한다. 이런 현상은 동일 시간에 다중 경로를 통해서 들어오는 신호가 발생하는 경우에 많이 발생할 수 있다. 즉, 다중 경로를 통해 수신되는 신호에 대하여는 정확한 송신 빔을 형성하기 어렵다는 문제를 가진다.

셋째로, 빔 폭 조절 시에 지연이 발생하므로 빠르게 변하는 환경에서 성능 저하를 갖는다. 왜냐하면, 기존의 테이블을 이용한 순방향 빔 형성 방법에서는 순방향 송신 파워나 역방향 채널을 통해서 전송된 에러 정보에 의존하여 빔 폭을 조절한다. 따라서 이 방법이 의미 있는 통계를 얻기 위해서 관찰해야 되는 구간이 길어져야 하기 때문이다. 이와 같이 통계 기간이 길어지는 경우 빠른 속도로 이동하는 사용자에 대해서 적절한 빔 폭을 생성하지 못하게 되는 경우가 많이 발생할 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 실시간으로 보다 정확한 순방향 송신 빔을 형성할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 미리 저장된 테이블을 사용하지 않고 정확한 순방향 송신 빔을 형성할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 이동 단말의 이동 속도에 의한 오류를 줄일 수 있는 순방향 송신 빔 형성 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 다중 안테나를 이용하여 각 사용자 별로 운송빔을 형성하는 기지국에서 순방향 운송 빔을 형성하는 장치에 있어서, 역방향으로 수신된 신호의 최대 에너지를 가지는 신호와 에너지 값을 검출하는 순간 방향 추정부와, 상기 순간 방향 추정부의 출력 값과 순방향 안테나 방향 응답 특성을 이용하여 순방향 공간 상관관계 행렬을 계산하는 순방향 공간 상관관계 행렬 계산부와, 상기 순방향 행렬 계산부의 출력으로부터 공통 빔과 운송 빔 사이의 위상차를 반영하여 순방향 빔 형성 벡터를 출력하는 빔 벡터 적응부를 포함한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 다중 안테나를 이용하여 각 사용자 별로 운송빔을 형성하는 기지국에서 순방향 운송 빔을 형성하는 방법에 있어서, 역방향으로 수신된 신호의 최대 에너지를 가지는 신호와 에너지 값을 검출하는 순간 방향 추정 과정과, 상기 순간 방향 추정 과정에서 검출된 값들과 순방향 안테나 방향 응답 특성을 이용하여 순방향 공간 상관관계 행렬을 계산하는 순방향 공간 상관관계 행렬 계산 과정과, 상기 순방향 공간 상관관계 행렬 계산 과정의 출력으로부터 공통 빔과 운송 빔 사이의 위상차를 반영하여 순방향 빔 형성 벡터를 출력하는 빔 벡터 계산 과정을 포함한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있 다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하에서 설명되는 본 발명은 다중 안테나(스마트 안테나)를 사용하는 통신 시스템에서 무선 신호의 전송에 관하여 설명할 것이다. 이하의 본 발명에서 설명되는 다중 안테나는 빔을 형성하는 기지국 송수신 장치에 모두 적용될 수 있다. 또한 본 발명은 송수신 주파수가 다른 주파수 분할 송수신 방법에 초점을 맞추어 설명할 것이나, 시분할 송수신 방법을 사용하는 이동 통신 시스템에서도 적용이 가능하다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스마트 안테나 시스템의 블록 구성도이다. 이하 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스마트 안테나 시스템의 구성 및 그 동작에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

상기 도 2의 구성을 살펴보면, 순간 방향 추정부(110)와 순방향 공간 상관관계 행렬 갱신부(Down-Link Spatial Correlation Matrix Update Unit)(210)와, 빔 벡터 적응부(Beam Vector Adaptation Unit)(220) 및 송신 처리부(140)로 구성된다. 그러면 상기 도 2의 구성에 따른 개괄적인 동작을 먼저 살펴보기로 한다.

순간 방향 추정부(110)는 전술한 도 1의 구성과 동일한 구성을 가지며, 그 동작도 같다. 따라서 순간 방향 추정부(110)는 다수의 안테나들(ANTs)들로부터 수신된 신호를 선처리 하고, 테이블에 미리 저장된 안테나 방향 벡터와 함께 상관관계를 취하여 수신되는 신호의 최대 에너지 및 방향을 계산하여 출력한다. 그러면 순방향 공간 상관관계 행렬 갱신부(210)는 입력된 신호를 이용하여 순방향 공간 상관관계를 갱신한다. 상기 순방향 상관관계의 갱신은 이하에서 수학식으로서 풀이하도록 한다. 상기 순방향 상관관계가 갱신되면, 갱신된 값을 빔 벡터 적응부(220)로 출력한다. 상기 빔 벡터 적응부(220)는 상기 순방향 상관관계 행렬로부터 순방향 빔 형성에 맞도록 순방향 빔 벡터를 적응적으로 생성하여 출력한다.

그러면 상기 도 2에서 본 발명에 따른 구성인 순방향 공간 상관관계 행렬 갱신부(210)와 빔 벡터 적응부의 동작에 대하여 수학식을 참조하여 좀 더 상세히 살펴보기로 한다. 다수 개의 배열 안테나들(ANTs)로부터 수신된 신호를 x라 할 때, 공간 중에 산란된 신호는 하기 <수학식 1>과 같이 도시할 수 있다.

상기 <수학식 1>에서

은

방향으로의 크기와 위상을 나타내는 복소 확률 변수이고,

은

방향에서의 안테나 특성을 나타내는 안테나 방향 벡터(AMV)이다. 상기 안테나 방향 벡터(AMV)는 안테나의 모양과 재질에 따라 다른 값을 가지는 값이다. 상기 <수학식 1>과 같이 산란 공간에서 운송 빔(Traffic Beam)으로 형성된 신호와 공통 빔(Common Beam or Pilot Beam)으로 형성된 신호의 평균적인 차이를 구하면 하기 <수학식 2>와 같이 구할 수 있다.

상기 <수학식 2>에서

는 다수의 배열 안테나들의 빔 형성 수신 벡터로, 운송 빔을 의미하고,

는 다수의 배열 안테나들의 빔 형성 수신 벡터로, 공통 빔을 의미하며, R은 산란된 신호의 계수이다. 따라서 상기 <수학식 2>는 상기 각 빔들의 상호관계를 나타낸 것이다. 즉, 상기 <수학식 2>의 값은 운송 빔을 공통 빔과 같이 ERP(Effective Radiated Power)를 맞추면서 위상을 동일하게 맞추도록 빔을 형성하는 경우에 그 차이의 정도를 나타내는 것이다. 따라서 상기 <수학식 2>의 관계를 이용하여 목표 함수(C)를 수학식으로 표현하면 하기 <수학식 3>과 같이 도시할 수 있다.

상기 <수학식 3>에서

의 값은 빔의 이득(Gain)을 의미한다. 상기 <수학식 3>의 목표함수의 변화도를 취하면 최적 해를 구할 수 있으며, 이는 상기 <수학식 3>을 미분하여 계산할 수 있다. 이와 같이 상기 <수학식 3>을 운송 빔에 대하여 미분하면, 하기 <수학식 4>과 같이 도시할 수 있으며, 하기 <수학식 4>의 조건을 만족해야만 한다.

상기 <수학식 4>는 해가 수학식으로 표현되지 않는다. 따라서 상기 도 2의 장치에서 위상차를 매 적응 과정에서 측정하여 적용함으로써 적응적으로 순방향 빔을 형성한다. 여기서 위상차 정도는 정규화된 위상차 정도로서 하기 <수학식 5>와 같이 정리할 수 있다.

상기 <수학식 5>에서 μ는 정규화된 위상 정도차이다. 즉, 상기 <수학식 5>의 값은 공통 빔과 운송 빔의 신호가 존재하는 공간적인 영역에 대해서 얼마나 서로 일치하는가를 판단하는 기준이 된다. 실시간으로 순방향 빔을 형성하기 위해서 미분을 이용한 실시간 적용 규칙은 하기 <수학식 6>과 같이 정의할 수 있다.

상기 <수학식 6>에서 β는 적응 알고리듬의 수렴 속도를 조절하는 파라미터이고, λ는 위상차 정도에 대한 조건의 가중치를 나타낸다. 본 발명에서는 상기 <수학식 6>을 적응적으로 사용할 구체적인 방법을 제시하며, 이하에서는 그 방법을 설명하기로 한다.

상기 <수학식 6>은 본 발명에 따른 빔 벡터 적응부(220)에서 수행되는 동작이다. 상기 빔 벡터 적응부(220)에서 상기 <수학식 6>의 동작을 수행하기 위해서는 다음 두 가지 값을 필요로 한다. 하나는 공간 상관관계이고, 다른 하나는 위상차 정도에 대한 가중치이다.

그러면 먼저 공간 상관관계를 구하는 방법에 대하여 살펴보기로 한다. 일반적으로 CDMA 이동통신 시스템은 송신 주파수와 수신 주파수가 서로 연관성을 가지 지 않는 대역으로 구성되어 있다. 이러한 이동통신 시스템의 경우에 각 안테나를 통해 역방향으로 수신된 신호의 출력을 이용하여 공간 상관관계를 구하면 수신방향의 안테나 방향 응답 특성과 송신방향의 안테나 방향 응답 특성이 다르게 된다. 따라서 역방향으로 수신된 신호에 발생한 왜곡과 역방향으로 수신된 신호에 포함된 노이즈의 상관관계가 순방향에 적용되면, 순방향과 역방향의 송신 경로 등의 차이가 발생하므로 운송 빔의 왜곡이 발생한다. 따라서 이를 효과적으로 제거하여야만 한다.

역방향으로 수신된 신호로부터 순방향 신호에 맞는 빔 형성 벡터를 생성하기 위해서 본 발명에서는 새로운 방식으로 공간 상관 행렬을 정의하도록 한다. 이 방법에 사용된 기본 아이디어는 공간 상관관계 행렬을 각 방향별 평균 에너지의 크기와 순방향 안테나 방향 응답 특성으로 나타낼 수 있다는 것이다. 그러면 이를 수학식으로 다시 풀어 설명하도록 한다. 다중 안테나들로부터 수신된 신호들이 L개의 다른 도래 시각(TOA : Time of Arrival)을 가지는 경우 매 순간 공간 상관관계 행렬은 하기 <수학식 7>과 같이 갱신되어야 한다.

상기 <수학식 7>에서 t_c는 평균을 취하는 구간의 시상수를 나타내며, v(m)은 m번째 방향에서의 순방향 안테나 방향 응답 특성을 나타내고, α(m)은 해당 방향에서의 에너지의 크기 즉, 순간적인 역방향의 에너지 값을 나타낸다. 따라서 위와 같 은 방식으로 갱신되는 행렬은 결국 순방향 공간 상관관계 행렬을 나타내게 된다. 정규화된 위상차와 조건 가중치 사이에서는 일대일 관계가 성립되지 않는다. 이 관계는 공간 채널 특성에 의존적이 된다. 따라서 적절한 위상차 레벨을 맞추기 위해 하기 본 발명에서는 하기 <수학식 8>과 같은 적응 규칙을 창안하였다.

상기 <수학식 8>에서 적응 규칙의 기본 아이디어는 매번 정규화된 위상차 정도를 측정하여 위상차 정도가 목표 위상차 보다 큰 경우에는 조건에 더 많은 가중치를 부여하고, 위상차 정도가 목표 위상차 보다 작은 경우에는 가중치를 줄이는 것이다.

그러면 도 3을 참조하여 이상에서 전술한 본 발명에 따른 순방향 빔 형성 장치에서 수행되는 빔 형성 벡터 계산 과정을 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명에 따른 스마트 안테나 시스템에서 수행되는 순방향 빔 형성을 위한 빔 벡터 계산 및 갱신 시의 흐름도이다.

본 발명에 따른 순방향 빔 형성 장치인 스마트 안테나 시스템은 300단계에서 초기화 과정을 수행한다. 상기 초기화 과정은 상관관계 행렬 R을 0으로 리셋하고, 배열 안테나들로부터 수신되는 운송 빔이 벡터 값을 리셋하며, 위상차 정도에 대한 조건의 가중치 값을 1로 설정하며, 적응 알고리듬의 수렴 속도를 조절하는 파라미 터 값을 초기 값으로 설정한다. 상기 적응 알고리듬 수렴 속도를 조절하는 파라미터 값의 초기 값을 예로서 기재하면, 0.001과 같은 값이 될 수 있다. 그리고 가중치 갱신을 위한 카운터 값 등을 리셋함으로써 초기화 과정을 수행한다.

300단계에서 초기화 과정을 완료한 이후 302단계로 진행하면 본 발명에 따른 스마트 안테나 시스템의 순간 방향 추정부(110)는 순간 최대 에너지 방향 및 상기 방향에서의 최대 에너지 값을 획득한다. 상기 최대 에너지 방향 및 최대 에너지 값을 획득하는 과정은 종래 기술 및 본 발명의 도 2에서 설명한 바와 같은 동작으로 이루어진다. 그런 후 304단계에서는 순방향 공간 상관관계 행렬 갱신부(210)에서 전술한 <수학식 7>과 같은 방법으로 순방향 공간 상관관계 행렬을 갱신한다. 상기 갱신된 순방향 공간 상관관계 행렬 값은 빔 벡터 적응부(220)로 입력된다. 따라서 306단계에서 빔 벡터 적응부(220)는 상기 <수학식 6>과 같은 방법으로 순방향 빔 벡터를 갱신한다. 이때 갱신되는 순방향 빔 벡터는 운송 빔의 벡터 값을 의미하며, 현재 갱신된 순방향 공간 상관관계 행렬과 이전 운송 빔 벡터를 이용하여 갱신을 수행한다. 상기 순방향 빔 벡터 적응부(220)에서 갱신된 운송 빔 벡터는 송신 처리부(140)로 입력되며, 상기 송신 처리부(140)에서 송신 신호에 곱해져 각 해당하는 안테나를 통해 순방향 빔 형성이 이루어진다.

한편, 306단계를 수행한 이후에 상기 스마트 안테나 시스템은 308단계로 진행하여 가중치 계산 주기 값을 갱신한다. 이러한 가중치 주기 값 갱신은 미리 설정된 횟수 제한 값으로 모듈러 연산을 수행한다. 상기 횟수 제한 값 모듈러 연산을 수행하기에 앞서 300단계의 초기화 과정에서 초기화 된 가중치 갱신을 위한 카운터 값을 1 증가시킨다. 그리고 상기 카운터 값을 미리 설정된 횟수 제한 값으로 모듈러 연산을 수행함으로써 가중치 계산 주기 갱신이 이루어진다. 상기 스마트 안테나 시스템은 310단계에서 가중치 계산 주기 갱신된 카운터 값이 가중치 갱신 주기를 지시하는가를 검사한다. 이러한 검사 방법으로는 카운터 값이 모듈러 연산에 의해 "0"으로 리셋될 때마다 가중치 갱신 주기가 될 수 있다.

308단계 및 310단계와 같이 가중치 갱신 주기를 계산하는 이유는 알고리듬 복잡도를 줄이기 위해서 조건 가중치를 미리 설정하고, 이 주기가 도래하였는가를 검사하는 것이다. 상기 310단계의 검사결과 미리 결정된 가중치 갱신 주기가 도래한 경우 312단계로 진행하여 현재 정규화된 위상차 에러와 목표 위상차 에러의 비를 이용하여 조건 가중치를 갱신한다. 그러나 가중치 갱신 주기가 도래하지 않은 경우에는 302단계로 진행하여 그 이하 과정을 반복 수행하게 된다. 또한 가중치 갱신이 이루어진 이후에도 302단계 이하의 과정을 반복 수행한다. 이와 같이 302단계 내지 312단계를 통해 시스템에서 설정된 주기마다 빔 벡터 값을 갱신하여 현재 주어진 순방향 채널 통계에 가장 적합한 빔을 형성하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 스마트 안테나 시스템을 적용한 경우의 운송 빔 벡터와 패턴을 공통 빔 패턴과 비교한 시뮬레이션 그래프이다. 상기 도 4에서 사용된 채널은 다중경로가 2개 존재하고, 각각 30도 차이를 가지면서 각 경로에서의 신호 확산도가 10도인 경우였다. 상기 도 4의 (a) 내지 (d)의 시뮬레이션 결과 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 다중 경로들이 어느 곳에 위치하든 유도된 운송 빔 벡터의 신호가 존재하는 영역에서 공통 빔과 동일한 모양을 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 적응적이고 효율적인 순방향 빔 형성이 이루어진다는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 살핀 바와 같이 본 발명에 따른 스마트 안테나 시스템은 역방향 채널 정보를 이용하여 순방향 공간 상관관계 행렬을 유도함으로써 현재 통계에 가장 적합한 순방향 빔을 실시간으로 구할 수 있다. 따라서 송/수신 시에 다중 경로가 존재하거나 이동 단말이 빠른 속도로 이동중인 경우 적절한 빔을 사용함으로써 스마트 안테나의 순방향 이득을 증대 시킬 수 있다. 이를 통해 다른 단말과의 간섭을 효율적으로 제한할 수 있다. 또한, 시스템의 메모리 자원이 부족한 경우에 미리 저장된 빔 벡터를 사용하지 않음으로써 저장 공간을 절약하는 효과를 갖는다.

Claims

다중 안테나를 이용하여 각 사용자 별로 운송빔을 형성하는 기지국에서 순방향 운송 빔을 형성하는 장치에 있어서,

역방향으로 수신된 신호의 최대 에너지를 가지는 신호와 에너지 값을 검출하는 순간 방향 추정부와,

상기 순간 방향 추정부의 출력 값과 순방향 안테나 방향 응답 특성을 이용하여 순방향 공간 상관관계 행렬을 계산하는 순방향 공간 상관관계 행렬 계산부와,

상기 순방향 행렬 계산부의 출력으로부터 공통 빔과 운송 빔 사이의 위상차를 반영하여 순방향 빔 형성 벡터를 출력하는 빔 벡터 적응부를 포함함을 특징으로 하는 순방향 운송 빔 형성 장치.
제1항에 있어서, 상기 순방향 공간 상관관계 행렬 계산부는,

상기 순방향 공간 상관관계 행렬을 하기 <수학식 9>와 같이 계산함을 특징으로 하는 순방향 운송 빔 형성 장치.

상기 <수학식 9>에서 R은 공간 상관 관계 행렬이며, l 은 산란된 신호의 계수이며, t_c는 평균을 취하는 구간의 시상수를 나타내고, v(m)은 m번째 방향에서의 순방향 안테나 방향 응답 특성을 나타내며, α(m)은 해당 방향에서의 에너지의 크기 값을 나타낸다.
제1항에 있어서, 상기 공통 빔과 운송 빔 사이의 위상차는,

시스템에서 정해 놓은 목표 위상차에 적응적으로 만족하도록 하기 <수학식 10>을 통해 갱신됨을 특징으로 하는 순방향 운송 빔 형성 장치.

상기 <수학식 10>에서 R은 공간 상관관계 행렬이며, w_t는 운송 빔에 대한 빔 형성 수신 벡터이고, w_p는 공통 빔에 대한 빔 형성 수신 벡터이고, λ는 위상차 정도에 대한 조건의 가중치이며, β는 적응 알고리듬의 수렴 속도를 조절하는 파라미터이고, μ는 정규화된 위상 정도 차이다.
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다중 안테나를 이용하여 각 사용자 별로 운송빔을 형성하는 기지국에서 순방향 운송 빔을 형성하는 방법에 있어서,

역방향으로 수신된 신호의 최대 에너지를 가지는 신호와 에너지 값을 검출하는 순간 방향 추정 과정과,

상기 순간 방향 추정 과정에서 검출된 값들과 순방향 안테나 방향 응답 특성을 이용하여 순방향 공간 상관관계 행렬을 계산하는 순방향 공간 상관관계 행렬 계산 과정과,

상기 순방향 공간 상관관계 행렬 계산 과정의 출력으로부터 공통 빔과 운송 빔 사이의 위상차를 반영하여 순방향 빔 형성 벡터를 출력하는 빔 벡터 계산 과정을 포함함을 특징으로 하는 순방향 운송 빔 형성 방법.
제5항에 있어서, 상기 순방향 공간 상관관계 행렬은,

하기 <수학식 11>과 같이 계산됨을 특징으로 하는 순방향 운송 빔 형성 방법.

상기 <수학식 11>에서 R은 공간 상관관계 행렬이며, ll 은 산란된 신호의 계수이며, t_c는 평균을 취하는 구간의 시상수를 나타내고, v(m)은 m번째 방향에서의 순방향 안테나 방향 응답 특성을 나타내며, α(m)은 해당 방향에서의 에너지의 크기 값을 나타낸다.
제5항에 있어서, 상기 공통 빔과 운송 빔 사이의 위상차는,

시스템에서 정해 놓은 목표 위상차에 적응적으로 만족하도록 하기 <수학식 12>을 통해 갱신됨을 특징으로 하는 순방향 운송 빔 형성 방법.

상기 <수학식 12>에서 R은 공간 상관관계 행렬이며, w_t는 운송 빔에 대한 빔 형성 수신 벡터이고, w_p는 공통 빔에 대한 빔 형성 수신 벡터이고, λ는 위상차 정도에 대한 조건의 가중치이며, β는 적응 알고리듬의 수렴 속도를 조절하는 파라미터이고, μ는 정규화된 위상 정도 차이다.
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