KR20020014741A

KR20020014741A - 이동통신 시스템에서 쥐피에스 신호를 이용한 기지국안테나 어레이장치 및 송수신 빔 형성 방법

Info

Publication number: KR20020014741A
Application number: KR1020010049368A
Authority: KR
Inventors: 윤재승; 천경준; 천병진
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 2000-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2002-02-25
Also published as: US20020147032A1; US7013165B2; KR100617749B1

Abstract

본 발명은 이동통신 시스템에서, 단말국이 GPS 신호를 이용하여 계산하고 기지국으로 송신한 GPS 위성으로부터의 위치정보와 적어도 2개 이상의 안테나 소자와 그 가중치 벡터를 이용한 기지국의 송수신 빔 형성을 위한 안테나 어레이 시스템의 장치 및 빔 형성 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 기지국의 안테나 어레이 시스템은 단말국에서 GPS 신호를 받아 위치 정보를 계산하는 단말국 GPS 신호 처리기와, 단말국으로부터 수신한 그 GPS 위치 정보를 처리하여 송수신 빔 형성에 필요한 가중치 벡터를 계산 또는 출력하는 기지국 신호 처리기와 송수신 빔 형성을 수행하는 송수신 빔 형성기 등으로 구성되며, 기지국이 단말국의 GPS 위치정보를 이용하여, 기존의 방법보다 간단한 방법으로 빔 형성 과정 수행할 수 있다.

Description

이동통신 시스템에서 쥐피에스 신호를 이용한 기지국 안테나 어레이장치 및 송수신 빔 형성 방법 {Antenna Array Apparatus and Beamforming Method of Base Station using GPS Signal in Mobile Communication Systems}

본 발명은 이동통신 시스템의 안테나 어레이 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 GPS(Global Positioning system)를 이용하여 송수신빔을 형성할 수 있는 기지국의 안테나 어레이장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 이동통신 기술의 보편화로 인한 그 사용자 수의 급격한 증가는 이동통신 시스템의 용량 문제를 초래하게 되었다. 이와 같은 문제의 해소를 위해 이동통신 기술은 협대역의 2세대 기술에서 광대역의 3세대 기술로의 전이가 이루어지고 있고, 이와 더불어 시공간적(time-spatial) 신호처리를 통해 더 큰 용량의 증가를 이룰 수 있는 안테나 어레이 신호처리 기법이 큰 주목을 받고 있다.

종래의 전방향 안테나를 사용하는 경우에는 어느 한 단말국의 신호가 다른 모든 단말국의 신호에 간섭신호로 작용한다. 그러나 안테나 어레이장치를 사용하는 경우에는 특정한 단말국이 위치한 방향으로 선택적인 신호의 송수신이 가능하다. 따라서 상기 안테나 어레이장치를 사용하면 다른 단말국에 대한 간섭신호의 양이 줄고 더 많은 사용자를 수용할 수 있게 된다.

단말국과 기지국으로 구성된 이동통신 시스템에서 상기 안테나 어레이장치의 신호처리는 그 물리적 크기와 요구되어지는 계산량 등의 요인에 의해 주로 기지국에서 고려되고 있으며, 기지국의 역방향과 순방향 모두에 적용될 수 있다. 기지국의 역방향(수신) 및 순방향(송신)의 빔 형성기의 기본적인 구조는 도 2a 및 도 2b에 각각 도시되어 있다. 상기 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 송신빔 형성기 및 수신빔 형성기의 안테나 소자들은 각각 대응하는 가중치 값들을 가지고 있으며, 이 가중치 값들을 조절함으로써 송수신 어레이의 빔 패턴을 조절할 수 있다. 여기서 수학적 편이를 위해 각각의 가중치 값들을 모아 만든 벡터를 가중치 벡터라 한다.

상기 수신 안테나 어레이 시스템에서 원하는 방향으로의 수신 빔의 형성을위한 최적의 가중치 벡터를 구하기 위한 많은 방법들이 제안되어져 왔다.

먼저 DOA(direction of arrival)에 기초한 방법은 최적의 가중치 벡터를 구하기 위한 비용함수에 따라 최대 SINR 빔 형성, ML 빔 형성, MMSE 빔 형성 등이 있다. 이들 방법은 이론적으로 해석하기는 용이하지만, 구현에 있어 필요한 입력 상관 행렬의 eigen-decomposition과 다차원, 비선형 최적화 문제로 많은 계산량이 요구되는 단점이 있다.

상기 DOA에 기초한 방법의 대안으로 트레이닝(training) 신호를 이용하는 방법이 있다. 트레이닝 신호를 이용하는 방법의 예로 LMS 알고리즘, DMI(Direct Matrix Inversion) 등이 있다. 이 방법에서는 상기 DOA 방법이나 어레이 구조를 몰라도 되지만, 트레이닝 신호의 사용은 부가적인 트레이닝 신호의 사용으로 인해 채널 효율을 저하시킨다.

그 외에 신호가 가지는 특징이나 구조를 이용하여 가중치 벡터를 구하는 방법으로 CMA(Constant Modulus Algorithm)이나 FA(Finite Alphabet) 등의 방법이 있다. 이들은 다양한 전파(propagation) 상황에 대해 크게 영향을 받지 않고, 상기 DOA 방법이나 어레이 구조에 대한 지식이 불필요한 반면, 수렴속도와 성능의 문제가 있어 실제로 구현하는데 문제가 있다.

한편, 송신 안테나 어레이 시스템에서는 원하는 방향으로 신호를 전송하기 위해 최적의 가중치 벡터를 구하는 것이 핵심적인 문제이며, 이를 구하는데 있어 역방향과 달리 기지국에서 순방향 채널추정이 쉽지 않다는데 그 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 많은 방법이 제안되어져 왔다.

개념상 가장 간단한 방법으로는, 단말국에서 순방향 채널추정을 하여 그 정보를 역방향 채널로 송신하고, 기지국은 이에 의거해 송신 어레이 가중치 벡터를 구하는 방법이다. 그러나 현재 소형화 경량화 되어지는 단말국을 고려할 때, 상기와 같이 단말국이 순방향 채널을 추정하는 방법은 단말국에 요구되어지는 계산량이 지나치게 많다는 단점이 있다.

위의 방법의 대안으로 단말국으로부터의 귀환정보를 이용하지 않는 블라인드(blind) 채널 추정 방법을 이용하는 가중치 벡터 계산 방법들이 제안되었다. 그러나 상기 블라인드 채널 추정 방법은 로컬 미니멈(local minimum), 수렴속도, 초기 포착(acquisition) 등의 문제로 상용화하는데 문제가 있다. 그리고 상기한 바와 같은 두 가지 방법의 절충을 모색한 세미 블라인드(semi-blind) 방식이 있는데, 이는 단말국의 계산량을 최소화하여 귀환시킨 일부 정보를 이용해 기지국의 순방향 채널 추정 능력과 시스템 용량을 최대화하는데 그 목표가 있다.

그 외의 간단한 방법으로는 역방향에 대해 구해진 가중치 벡터를 그대로 사용하는 방법이 있다. 그러나 순방향과 역방향에서 다른 주파수를 사용하는 FDD(frequency division duplex) 구조에서는 송수신 대역차가 상관대역보다 클 경우, 상기와 같이 역방향에서 구해진 벡터를 그대로 사용하는 방법은 그 용량 증대의 효과가 크지 않다. 이를 개선하기 위해 송수신 대역 차를 보정해 줄 수 있는 수신 안테나 어레이의 가중치 벡터와 송신 안테나 어레이의 가중치 벡터 사이의 함수관계를 정의하고 이를 통해 송신 안테나 어레이의 가중치 벡터를 구하는 방법들이 있다. 그러나 시간에 따라 변하는 시공간적 채널 특성을 고려할 때 수신 안테나 어레이의 가중치 벡터와 송신 안테나 어레이의 가중치 벡터 사이에 적합한 함수관계를 정의하는 것은 어려운 문제이다.

따라서 본 발명의 목적은 안테나 어레이를 사용하는 이동통신 시스템에서 GPS 수신기를 장착한 단말국이 GPS 위치정보를 기지국에 전송하고, 기지국이 GPS 위치정보를 이용하여 송수신 빔을 형성할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 안테나 어레이를 사용하는 이동통신 시스템에서 기지국은 단말국이 송신한 GPS 위치정보로부터 단말국의 좌표를 구한 후, 이 좌표를 이용하여 단말국의 위치 및 각도를 구하고 이를 이용하여 가중치 벡터를 계산하여 단말국 방향으로의 송수신빔을 형성할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 안테나 어레이를 사용하는 이동통신 시스템에서 기지국이 단말국이 송신한 GPS 위치정보로부터 단말국의 좌표를 구한 후, 이 좌표를 이용하여 단말국의 위치각도와 거리를 구하고 이를 이용하여 가중치 벡터를 계산하여 단말국 방향으로의 송수신빔을 형성할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 안테나 어레이를 사용하는 이동통신 시스템에서 기지국이 단말국이 송신한 GPS 위치정보로부터 단말국의 절대좌표를 구하고, 이 좌표를 이용하여 가중치벡터 데이터 베이스에 저장된 가장 근접된 위치좌표에 해당하는 송수신 가중치벡터를 선택한 후, 이를 이용하여 송수신 빔을 형성할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 인공위성으로부터 GPS 위치정보를 수신하여 단말국의 절대위치를 나타내는 GPS 위치정보를 출력하는 상기 단말국을 구비하는 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이 장치로서, 상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치정보를 생성하는 위치정보 생성기와, 상기 단말국의 위치정보를 이용하여 송신빔을 형성하기 위한 순방향 및 역방향의 가중치 벡터들을 계산하는 어레이 신호처리기와, 송신 및 수신 빔형성기를 구비하고 상기 송신 및 수신 빔형성기들이 각각 대응되는 상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 송신빔을 형성하며, 메시지를 상기 형성된 빔에 의해 처리하는 순방향 및 역방향 처리기로 구성된다.

또한 제1실시 예에 따른 본 발명은 인공위성으로부터 GPS 위치정보를 수신하여 단말국의 절대위치를 나타내는 GPS 위치정보를 출력하는 상기 단말국을 구비하는 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이 장치로서, 상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치정보를 생성하는 위치정보 생성기와, 상기 단말국의 위치정보로부터 상기 단말국의 상대좌표를 계산하는 상대좌표 계산기와, 상기 단말국의 상대좌표로부터 기지국에 대한 단말국의 위치각도를 계산하는 위치각도 계산기와, 상기 단말국의 위치각도를 이용하여 빔을 형성하기 위한 가중치 벡터를 계산하는 가중치 벡터 계산기와, 상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 빔을 형성하는 빔형성기로 구성된다.

또한 제2실시 예에 따른 본 발명은 인공위성으로부터 GPS 위치정보를 수신하여 단말국의 절대위치를 나타내는 GPS 위치정보를 출력하는 상기 단말국을 구비하는 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이 장치로서, 상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치정보를 생성하는 위치정보 생성기와, 상기 단말국의 위치정보로부터 상기 단말국의 상대좌표를 계산하는 상대좌표 계산기와, 상기 단말국의 상대좌표로부터 기지국에 대한 단말국의 위치각도를 계산하는 위치각도 계산기와, 상기 단말국의 상대좌표로부터 단말국과 기지국간의 거리를 계산하는 거리 계산기와, 상기 단말국과 기지국간의 거리에 따라 송수신 빔 폭의 증감을 결정하는 빔폭 조절기와, 상기 단말국의 위치각도 및 빔폭 조절신호를 이용하여 빔을 형성하기 위한 가중치 벡터를 계산하는 가중치 벡터 계산기와, 상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 빔을 형성하는 빔형성기로 구성된다.

그리고 제3실시 예에 따른 본 발명은 인공위성으로부터 GPS 위치정보를 수신하여 단말국의 절대위치를 나타내는 GPS 위치정보를 출력하는 상기 단말국을 구비하는 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이 장치로서, 상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치좌표를 나타내는 위치 정보를 생성하는 위치정보 생성기와, 미리 정해진 기지국 영역 내의 위치좌표들에 대해 각각 계산된 최적의 가중치 벡터들을 테이블로 저장하는 가중치 벡터 저장기와, 상기 단말국의 상기 위치정보 입력시 상기 테이블로부터 상기 위치정보에 대응하는 가중치 벡터 또는 상기 위치 정보에 대응하는 가중치 벡터에 가장 가까운 가중치 벡터를 선택하는 처리기와, 상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 빔을 형성하는 빔형성기로 구성된다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 이동통신 시스템에서 GPS신호를 이용하여 송수신빔을 형성하는 기지국의 안테나 어레이장치의 구성을 도시한 도면,

도 1b는 이동통신 시스템에서 GPS 수신기를 구비하는 단말국의 구성을 도시하는 도면

도 2a 및 도 2b는 안테나 어레이장치에서 송신빔 형성기 및 수신빔 형성기의 특성을 도시하는 도면,

도 3은 이동통신 시스템에서 GPS신호를 이용하여 송수신빔을 형성하는 본 발명의 제1실시 예(기본형)에 따른 기지국 안테나 어레이 장치의 구성을 도시하는 도면,

도 4는 이동통신 시스템에서 GPS신호를 이용하여 송수신빔을 형성하는 본 발명의 제2실시 예(확장형)에 따른 기지국 안테나 어레이 장치의 구성을 도시하는 도면,

도 5는 이동통신 시스템에서 GPS신호를 이용하여 송수신빔을 형성하는 본 발명의 제3실시 예(DB형)에 따른 기지국 안테나 어레이 장치의 구성을 도시하는 도면,

도 6은 이동통신 시스템에서 GPS신호를 이용한 송수신빔을 형성하는 본 발명의 실시 예들에 따른 기지국 안테나 어레이 장치의 구성을 도시하는 도면,

도 7은 이동통신 시스템에서 GPS신호를 이용하여 송수신빔을 형성하는 본 발명의 제1실시 예(기본형)에 따른 기지국 안테나 어레이 장치에서 송수신빔을 형성하는 과정을 도시하는 흐름도,

도 8은 이동통신 시스템에서 GPS신호를 이용하여 송수신빔을 형성하는 본 발명의 제2실시 예(확장형)에 따른 기지국 안테나 어레이 장치에서 송수신빔을 형성하는 과정을 도시하는 흐름도,

도 9는 이동통신 시스템에서 GPS신호를 이용하여 송수신빔을 형성하는 본 발명의 제3실시 예(DB형)에 따른 기지국 안테나 어레이 장치에서 송수신빔을 형성하는 과정을 도시하는 흐름도.

이하 본 발명을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

여기서 이하 본 발명의 바람직한 실시 예 들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 부품들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다.

GPS 수신기는 복수(본 발명의 실시 예에서는 4개 이상으로 가정함)의 GPS(NavStar GPS) 항법 위성을 이용하며, 상기 위성들로부터 GPS 수신기에 수신되는 신호들의 전파도달 시간으로부터 각 위성들로부터의 PR(pseudo-range)을 각각 측정하여 기지국으로 송신하면, 기지국은 이 정보와 GPS 이페머리스(Ephemeris)를 이용해 각 위성으로부터 GPS 수신기가 존재할 수 있는 4개의 구(sphere)를 형성하고, 이 4개 구들의 교점을 계산하는 것으로 GPS 수신기의 위치를 결정한다.

이전의 GPS 신호는 보안상의 이유로 미 국방성이 고의로 부가한 위치정보 오차로 인해 그 정확도가 보통 100m 내외이고, 도심에서는 수백 미터에 이르는 경우도 있었다. 이의 해결을 위한 수단으로 DGPS(Differential GPS)와 같은 방법이 제안되었고, 이는 기존에 그 위치를 정확하게 알고 있는 마스터 스테이션(Master Station)이 고의로 부가된 오차 정보를 추정하여 다른 GPS 수신기들로 이를 전파하면, 상기 GPS 수신기는 이를 이용하여 오차를 보정하고 정확도를 향상시키는 방법이다.

그러나 2000년 5월 1일 자정(미국 동부 시간)을 기준으로 미 국방부에서 상기 GPS 신호의 S/A(Selective Availability)를 해제하여, DGPS 등의 방법을 사용하지 않고도 위치오차 20m 내의 높은 해상도를 가지는 위치정보를 제공할 수 있게 되었다. 이러한 GPS 신호의 해상도 향상과 더불어 미국 FCC(Federal Communications Commission)의 결정에 의하여 2001년 10월을 기점으로 이동통신 단말국에서의 비상시 위치확인을 위한 E911 서비스가 시작되게 되어, GPS 수신기가 장착된 단말국의 개발이 활기를 띄고 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 단말국은 GPS 수신기를 구비하고 있어야 한다. 상기 GPS 수신기를 구비하는 상기 단말국은 상기 GPS 신호를 받아 각 GPS 위성들과 해당 단말기간의 PR을 알고 있으며, 또한 기지국은 이를 단말국으로부터 수신하여 자신의 직교 위치좌표(x_B,y_B,z_B)를 원점으로 하는 단말국의 직교 상대좌표 (x_M,y_M,z_M)=(x'_M-x_B,y'_M-y_B,z'_M-z_B)를 알고 있다고 가정한다. 단, (x'_M,y'_M,z'_M)은 GPS 위성과 단말기간의 절대좌표 값이다. PR의 계산과 PR로부터 위치좌표를 구하는 방법은 아래의 참고문헌에 개시되어 있다.

(참고문헌 1: B. W. Parkinson, and J. J. Spilker, Jr. "Global Positioning System: Theory and Applications," AIAA, Washington, DC, 1996)

상기 기지국의 위치를 기준으로 하는 단말국의 애지머스 각도(azimuth angle) Φ와 z축에 대한 앨리베이션 각도(elevation angle) θ는 다음과 같은 <수학식 1>에 의해 구해진다.

상기 기지국이 M 개의 안테나 소자들을 가지고 있고, m번째 안테나 소자의 기지국에 대한 상대 위치좌표를 (x_m,y_m, z_m)라 하고, 첫 번째 안테나 소자를 기준 안테나로 가정한다. 기지국으로부터 (θ, Φ)방향에 위치한 단말국으로부터 기지국 m번째 안테나 소자에 수신된 평면파는 상기 기준 안테나에서 수신된 평면파에 대해 다음의 <수학식 2>와 같은 위상차를 갖는다.

상기 <수학식 2>에서 는 수신신호의 파장이다. λ_R값은 기지국과 단말기간의 주파수값에 의해 정해지는 λ_R값이다. (참고문헌 1: J. C. Liberti, Jr. and T. S. Rappaport, "Smart Antenna for Wireless Communications: IS-95 and Third Generation CDMA Applications", Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 1999)

따라서 상기 단말국이 송신하는 저대역 복소 신호를 s_R(t)라 할 때, 페이딩이 없는 이상적인 가산성 백색잡음(AGWN) 채널 가정 하에서 기지국 수신 어레이 안테나의 저대역 복소 출력 신호 r_R(t)는 다음의 <수학식 3>과 같이 표시된다.

상기 <수학식 3>에서 n(t)는 가산성 백색잡음, w_Ri는 i 번째 안테나에 대한 수신용 가중치, 윗 첨자 *는 복소 공액(complex conjugate), 윗 첨자 H는 매트릭스 허미션 연산기(matrix Hermitian operator),수신용 가중치 벡터,스티어링 벡터(steering vector)로 정의된다.

상기 <수학식 3>에서 신호에 대한 어레이 신호처리 이득은 상기 가중치 벡터와 스티어링 벡터의 내적이 최대일 때 가장 크다. 최적 가중치 벡터의 자명해(trivial solution)를 피하기 위해 가중치 벡터가 단위 norm을 가진다고 가정하면, (θ, φ)방향에 위치한 단말국에 대한 최적의 기지국 수신 어레이의 가중치 벡터는 다음의 <수학식 4>와 같이 구해진다.

위에서 k_R은 임의의 양의 실수이다. k_R을 결정하는 한 방법으로 가중치 벡터가 단위 norm을 가진다고 가정하면, 상기 <수학식 4>의 최적의 기지국 수신 어레이의 가중치 벡터는 다음의 <수학식 5>와 같이 구해진다.

한편, 기지국이 송신하는 저대역 복소 신호를 s_T(t)라 할 때, 패이딩이 없는 이상적인 가산성 백색잡음 채널 가정 하에서 단말국 수신 안테나의 저대역 복소 출력 신호 r_T(t)는 (식 3)과 유사한 형태로 다음의 <수학식 6> 같이 표시된다.

위에서 n_T(t)는 가산성 백색잡음, w_Ti는 i 번째 안테나에 대한 송신용 가중치,송신용 가중치 벡터,송신 스티어링 벡터(steering vector), λ_T는 송신 신호의 파장으로 정의된다. 따라서 기지국 송신 어레이의 가중치 벡터는 어레이 신호처리 이득을 최대화하는 같은 원리에 의해 다음의 <수학식 7>과 같이 구해진다.

위에서 k_T은 임의의 양의 실수이다. k_T을 결정하는 한 방법으로 가중치 벡터가 단위 norm을 가진다고 가정하면, 상기 <수학식 7>의 최적의 기지국 수신 어레이의 가중치 벡터는 다음의 <수학식 8>과 같이 구해진다.

상기 <수학식 8>에서 λ_T는 송신 신호의 파장이다.

도 1a는 본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 GPS신호를 이용하여 송신빔을 형성하는 기지국의 안테나 어레이장치의 구성을 도시하는 도면이고, 도 1b는 이동통신 시스템에서 GPS 수신기를 구비하는 단말국의 구성을 도시하는 도면이다. 그리고 도 6은 상기 도 1a와 같은 구조를 갖는 기지국장치 및 도 1b와 같은 구조를 갖는 단말기에서 송수신빔을 형성하는 과정을 도시하는 흐름도이다.

먼저 도 1b를 참조하면, 듀플렉서(duplexer)(141)는 송수신되는 신호를 분리하여 송신신호를 안테나(140)에 출력하고 상기 안테나(140)로부터 수신되는 신호를 RF수신부(171)에 인가한다. GPS 안테나(180)는 GPS 위성에서 송신되는 GPS신호를 수신한다. RF수신부(171)는 상기 듀플렉서(141)에서 수신되는 신호 및 상기 GPS신호를 수신하며, 상기 수신 신호들을 주파수 하강 변환(frequency down conversion)한다. 레이크 수신기(rake receiver)(172)는 상기 RF수신부(171)에서 출력되는 다중경로 신호를 합성 및 복조한다. 복호기(173)는 상기 복조된 신호를 복호한다. 상기와 같은 구성들은 단말국의 순방향 처리기(170)에 대응된다.

또한 GPS신호 분리기(161)는 상기 RF수신부(171)의 출력으로부터 GPS 신호를분리하여 획득하고 추적한다. GPS 위치정보 생성기(162)는 상기 GPS신호 분리기(161)에서 분리된 GPS신호를 수신하며, 상기 GPS신호를 이용하여 각 GPS 위성들로부터의 상기 PR을 계산하여 GPS 위치정보로 출력한다. 상기와 같은 구성들은 단말국의 신호처리기(160)에 대응된다.

다중기(151)는 상기 GPS 위치정보 생성기(162)에서 출력되는 GPS 위치정보와 송신 메시지들을 입력하며, 상기 두 입력신호들을 다중화하여 출력한다. 부호기(152)는 상기 다중기(151)에서 출력되는 송신신호들을 채널 부호화하여 출력한다. 변조기(153)는 상기 부호기152에서 출력되는 부호화된 신호들을 변조하여 출력한다. RF송신부(154)는 상기 변조된 송신신호들을 송신 대역의 주파수로 상승변환(frequency up conversion)하여 상기 듀플렉서(141)에 출력한다. 상기와 같은 구성은 단말국의 역방향 처리기(150)에 대응된다.

상기 도 1b와 같은 단말국의 구성에서 상기 안테나(140)과 GPS신호를 수신하기 위한 안테나(180)은 일체형으로 구현할 수도 있다. 또한 상기 구성에서 순방향 처리기(170)는 단말국의 수신기 구성이 되며, 상기 역방향 처리기(150)는 단말국의 송신기 구성이 된다.

상기 도 1b에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 단말국은 GPS 수신기를 구비하며, 상기 GPS 위성들로부터 송신되는 GPS신호들을 추적 및 획득한 후, 상기 획득된 각 GPS신호들로부터 대응되는 PR들을 계산하고 이 계산 결과에 따른 GPS 위치정보로 생성하며, 상기 역방향 처리기(150)에서 송신되는 메시지에 상기 GPS 위치정보를 다중화시켜 기지국에 보고한다.

또한 상기 도 1a를 참조하면, 기지국의 안테나 어레이(100)는 M개의 안테나 소자들로 이루어진다. 듀플렉서(101)는 송수신되는 신호를 분리하여 송신신호를 안테나 어레이(100)에 출력하고 상기 안테나어레이(100)로부터 수신되는 신호를 RF수신부(131)에 인가한다. RF수신부(131)는 상기 듀플렉서(101)에서 수신되는 신호를 주파수 하강 변환한다. 수신빔 형성기(132)는 어레이 신호처리기(122)에서 출력되는 가중치 벡터에 의해 수신빔을 형성하여 상기 RF수신부(131)에서 출력되는 신호를 수신한다. 상기 기지국의 수신빔 형성기(132)는 수신 신호를 M개의 안테나 소자를 통해 받고, 각각의 안테나 소자 출력신호에 상기의 기지국 신호처리기(120)에서 생성된 대응하는 역방향 가중치를 곱한 후, 그 곱해진 출력신호를 모두 더해 최종 어레이 출력 신호를 얻는다. 레이크 수신기(133)는 상기 수신빔 형성기(132)에서 출력되는 신호를 합성 및 복조한다. 복호기(134)는 상기 복조된 신호를 복호한다. 상기와 같은 구성들은 기지국의 역방향 처리기(130)에 대응된다.

단말국 위치정보 생성기(121)는 상기 복호기(134)에서 출력되는 수신 메시지를 입력한다. 상기 위치정보 생성기(121)는 상기 수신 메시지에서 상기 단말국이 송신한 PR정보를 분리하며, 상기 분리된 단말국의 PR 정보들로부터 상기 단말국의 위치정보(GPS 위치정보)를 계산한다. 어레이 신호처리기(122)는 상기 단말국 위치정보 생성기(121)에서 출력되는 GPS 위치정보로부터 송수신 빔을 형성하기 위한 송수신 어레이의 가중치 벡터를 계산하며, 상기 계산된 가중치 벡터를 송신빔 형성기(122) 및 상기 수신빔 형성기(132)에 출력한다. 상기와 같은 구성들은 기지국의 신호처리기(120)에 대응된다.

부호기(111)는 상기 송신 메시지를 채널 부호화하여 출력한다. 변조기(112)는 상기 부호기(111)에서 출력되는 부호화된 신호들을 변조하여 출력한다. 송신빔 형성기(113)는 상기 어레이 신호처리기(112)에서 출력되는 가중치벡터에 의해 송신빔을 형성하며, 상기 형성된 송신빔의 방향으로 상기 변조기(112)에서 출력되는 송신신호를 출력한다. 상기 기지국의 송신빔 형성기(113)는 송신 신호를 M개의 안테나 소자 수만큼 복사한 후, 각각의 복사된 신호에 상기의 기지국 신호처리기에서 생성된 대응하는 순방향 가중치를 곱해 안테나 어레이를 통해 출력한다. RF송신부(114)는 상기 변조된 송신신호들을 송신 대역의 주파수로 상승변환하여 상기 듀플렉서(101)에 출력한다. 상기와 같은 구성은 기지국의 순방향 처리기(110)에 대응된다.

상기 도 1a와 같은 기지국의 구성에서 상기 기지국 신호처리기(120) 내의 어레이 신호처리기(122)는 가중치 벡터의 데이터 베이스로도 구현이 가능하다. 이런 경우 상기 가중치 벡터 데이터 베이스는 상기 GPS 위치정보에 대응되는 가중치 벡터들을 구비하고 있어야 한다. 또한 상기 구성에서 순방향 처리기(110)는 기지국의 송신기 구성이 되며, 상기 역방향 처리기(130)는 기지국의 수신기 구성이 된다.

상기 도 1a에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 에 따른 기지국은 송수신 안테나 어레이를 구비하며, 상기 단말국으로부터 송신되는 단말국의 GPS 위치정보로부터 상기 안테나 어레이의 가중치 벡터를 계산하고, 상기 계산된 가중치 벡터에 의해 상기 기지국의 송수신 빔을 형성한다. 따라서 상기 기지국은 단말국의 GPS 위치정보에 따라 해당 단말국 방향으로의 송수신 빔을 형성할 수 있다. 또한 상기 도1a의 구성에서 상기 기지국은 상기 가중치 벡터에 의해 송신 및 수신 빔을 형성하는 경우를 가정하여 설명하고 있으나, 송신빔 형성기 또는 수신빔 형성기만 구비하여 안테나 어레이 시스템을 구성할 수도 있다.

상기 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템의 동작을 도 6을 참조하여 살펴보면, 초기 기동시 기지국은 200단계에서 송수신 가중치 벡터를 초기화하며, 단말도 초기 기동시 250단계에서 초기화 동작을 수행한다. 상기 초기화 수행 종료 후, 271단계에서 단말의 순방향 처리기(170)는 GPS안테나(180)로부터 수신되는 GPS신호를 신호처리기(160)에 전달한다. 그런 후 273단계로 진행하여 신호처리기(160)는 상기 수신된 GPS신호로부터 PR을 계산하여 역방향 처리기(150)에 전달한다. 그러면 상기 역방향 처리기(150)는 275단계에서 상기 PR 정보를 송신 메시지에 다중화시킨 후 부호화 및 변조한 후, 277단계에서 역방향 링크를 통해 기지국 측에 전송한다.

그러면 상기 기지국의 역방향 처리기(130)는 221단계에서 역방향 링크의 신호를 수신하며, 223단계에서 기지국의 신호처리기(120)는 수신 빔 형성기(132)를 제어하여 수신빔을 형성시킨다. 그러면 상기 역방향 처리기(130)는 225단계에서 수신되는 각 경로들의 신호들을 복조한 후 경로 결합하여 처리한다. 그리고 기지국의 신호처리기(120)는 227단계에서 상기 복조된 신호에서 단말이 전송한 GPS신호를 분리한 후 229단계에서 송수신빔을 형성하기 위한 가중치 벡터를 계산하기 위한 방법을 선택한다. 여기서 상기 송수신신 빔을 형성하기 위한 방법은 여러 가지 가 있을 수 있으며, 본 발명의 실시 예에서는 기본형, 확장형 및 DB형을 예로 들어 설명하기로 한다. 상기 도 6의 300단계의 기본형 동작은 후술하는 도 3 및 도 7을 참조하여 상세하게 설명할 것이다. 도 6의 400단계의 확장형 동작은 후술하는 도 4 및 도 8을 참조하여 상세히 설명할 것이며, 도 6의 500단계의 DB형 동작은 후술하는 도5 및 도 9를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

상기와 같이 방법으로 가중치 벡터가 계산되면, 상기 기지국의 신호처리기 (120)는 223단계에서 상기 수신빔 형성기(132)를 제어하여 수신빔의 형성을 제어하고, 213단계에서 송신빔 형성기(113)를 제어하여 송신빔의 형성을 제어한다. 상기와 같은 동작은 반복적으로 수행된다.

이때 기지국의 순방향 처리기(110)는 211 내지 215단계에서 송신 메시지를 부호화 및 변조하고 기지국 신호처리기120에 의해 결정된 송신빔을 형성하여 상기 메시지를 전송한다. 그러면 상기 단말의 순방향 처리기(170)는 261단계 내지 267단계를 수행하면서 상기 순방향 링크로 수신되는 메시지를 각 경로별로 복조한 후 결합하여 복호한다.

상기한 바와 같이 우선 단말국이 GPS 신호를 수신하여 PR정보를 생성하고, 이를 송신 메시지와 다중화하여 기지국으로 전송하는 작업을 반복한다. 그러면 상기 기지국은 다중경로를 통해 들어온 역방향 신호를 수신하여 경로별 신호를 합성하고, 이로부터 단말국이 주기적으로 송신한 GPS신호를 분리한 후, 상기 GPS 위치정보를 이용해 송수신 가중치 벡터의 계산과 송수신 빔 형성 작업을 반복한다.

본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이시스템은 여러 가지 방법으로 구현이 가능하다. 본 발명의 실시 예에서는 기본형(제1실시예), 확장형(제2실시 예) 및 DB형(제3실시 예) 등의 3가지 실시 예들을 살펴보기로 한다. 단, 아래의 실시 예들의 모두에 있어, 엘리베이션 각도(elevation angle) θ를 π/2에 근사하다고(즉 기지국과 단말국의 높이 좌표가 거의 같다고) 가정하고, 2차원 위치좌표만을 이용해 빔 형성을 하는 단순화된 방법을 포함하는 것으로 가정한다.

먼저 제1실시 예(기본형)의 동작을 살펴본다.

상기 제1실시 예의 기지국 구조는 상기 도 3에 도시되어 있으며, 상기 제1실시 예의 동작 과정은 도 7에 도시되어 있다. 상기 제1실시 예의 동작을 살펴보면, 기지국은 상기 단말국이 송신한 GPS 정보로부터 단말국의 절대좌표를 구하고, 상기 절대좌표를 기지국을 기준으로 하는 상대좌표로 변환한다. 이후 상기 기지국은 단말국의 상대좌표를 이용하여 단말국 위치각도를 구하고, 이를 이용해 송수신 가중치 벡터를 계산한 후 단말국 방향으로 송수신 빔을 형성한다.

기지국의 송신 메시지는 부호기(111), 변조기(112), 송신 빔 형성기(113), RF부(114), Duplexer(101), 어레이 안테나(100) 등을 거쳐 단말국으로 송신되고, 단말국으로부터 수신된 메시지는 어레이 안테나(100), Duplexer(101), RF부(131), 수신 빔 형성기(132), 레이크 수신기(133), 복호기(134) 등을 통해 복원된다. 즉, 상기 제1실시 예에서 상기 순방향 처리기(110) 및 역방향 처리기(130)의 구성 및 동작은 상기 도 1과 동일하다.

상기 제1실시 예의 기지국 신호처리기(120)의 구성을 살펴보면, 단말국 위치정보 생성기(121)는 상기 복호기(134)에서 출력되는 수신 메시지를 입력으로 받는다. 상기 위치정보 생성기(121)는 상기 수신 메시지에서 상기 단말국이 송신한 PR정보를 분리하며, 상기 분리된 단말국의 PR 정보들로부터 상기 단말국의 위치정보(GPS 위치정보)를 계산하여 단말국의 위치좌표를 생성한다. 어레이 신호처리기(122)는 단말국 상대좌표 계산기(300), 단말국 위치각도 계산기(301) 및 가중치 벡터 계산기(302)로 구성된다. 상기 단말국 위치정보 생성기(121)에서 출력되는 GPS 위치정보로부터 송수신 빔을 형성하기 위한 송수신 어레이의 가중치 벡터를 계산하며, 상기 계산된 가중치 벡터를 송신빔 형성기(113) 및 상기 수신빔 형성기(132)에 출력한다. 상기 단말국 상대좌표 계산기(300)는 상기 위치정보 생성기(121)에서 출력되는 상기 단말국의 위치좌표로부터 상기 기지국을 중심으로 하는 단말국의 상대좌표를 계산한다. 상기 단말국의 상대좌표 계산기(300)는 상기 단말국의 GPS 위치정보와 기지국의 GPS 위치정보를 이용해 기지국에 대한 단말국의 2차원 또는 3차원 상대좌표를 구한다. 단말국 위치각도 계산기(301)는 상기 단말국의 상대좌표를 입력하며, 이로부터 기지국에 대한 상기 단말국의 위치각도를 계산한다. 그리고 상기 가중치벡터 계산기(302)는 상기 단말국의 위치각도를 이용하여 가중치 벡터를 구한 후, 상기 구해진 가중치 벡터를 상기 송신빔 형성기(113) 및 수신빔 형성기(132)에 각각 인가한다.

상기 기지국의 송수신 빔 형성을 위한 제1실시 예의 기지국 신호처리기(120)의 동작을 살펴보면, 먼저 상기 단말국 위치정보 생성기(121)는 상기 역방향 처리기(130)의 복호기(134)로부터 출력되는 수신메시지를 입력으로 하며, 상기 수신 메시지에서 상기 단말국이 송신한 PR정보를 분리하며, 상기 기지국이 알고 있는 GPSEphemeris를 이용하여 상기 분리된 PR 정보로부터 상기 단말국의 직교 위치좌표 (x'_M, y'_M, z'_M)를 구한 후, 이를 상기 어레이 신호처리기(122)로 넘겨준다.

상기 제1실시 예의 어레이 신호처리기(122)는 단말국 상대좌표 계산기(300), 단말국 위치각도 계산기(301) 및 가중치벡터 계산기(302)로 구성된다. 먼저 상기 단말국 상대좌표 계산기(300)는 상기 위치정보 생성기(121)에서 출력되는 상기 단말국의 직교 위치좌표 (x'_M, y'_M, z'_M)를 입력하며, 이를 이용하여 기지국이 알고 있는 자신의 위치좌표를 기준으로 하는 단말국의 상대 위치좌표 (x_M, y_M, z_M)를 계산한다. 그리고 상기 단말국 위치각도 계산기(301)는 상기 상대좌표 계산기(300)에서 출력되는 단말국의 상대 위치좌표 (x_M, y_M, z_M) 로부터 상기 <수학식 1>을 이용하여 기지국에 대한 단말국의 위치각도 (θ, Φ)를 계산한다. 이후 가중치벡터 계산기(302)는 상기 위치각도 계산기(301)에서 계산된 상기 (θ, Φ)로부터 상기 <수학식 2>, <수학식 4> 및 <수학식 7>를 이용하여 상기 가중치 벡터를 각각 계산하며, 상기 순방향 처리기(110)의 송신빔 형성기(113)와 역방향 처리기(130)의 수신빔 형성기(132)는 상기 가중치 벡터에 의해 해당하는 단말국의 방향으로 각각 송신빔 및 수신빔을 형성한다.

상기 도 7을 참조하면, 기지국의 역방향처리기(130)의 복호기(134)는 단말국으로부터 수신되는 신호를 복호한 수신 메시지를 발생한다. 그러면 기지국의 신호처리기(120)는 353단계에서 상기 수신 메시지에서 상기 단말국의 송신한 PR을 분리하고, 355단계에서 기지국이 알고있는 GPS 이패머리스(ephemeris)를 이용하여 상기분리된 PR로부터 상기 단말국의 직교 위치좌표(x'_M, y'_M, z'_M)를 생성한다. 이후 상기 기지국 신호처리기(120)는 357단계에서 기지국이 미리 알고 있는 자신의 위치좌표를 기준으로 상기 단말국의 직교 위치좌표(x'_M, y'_M, z'_M)를 이용하여 상기 단말국의 단말국의 상대 위치좌표(x_M, y_M, z_M) 를 계산한다. 그런 후, 359단계에서 상기 단말국의 상대 위치좌표(x_M, y_M, z_M)로부터 상기 <수학식 1>을 이용하여 기지국에 대한 단말국의 위치각도 (θ, Φ)를 계산한다. 이후 상기 기지국 신호처리기(120)는 상기 단말국의 위치각도 (θ, Φ)로부터 상기 <수학식 2>, <수학식 4> 및 <수학식 5>를 이용하여 상기 가중치 벡터를 계산하여 출력한다. 그러면 상기 순방향 처리기(110)의 송신빔 형성기(113)와 역방향 처리기(130)의 수신빔 형성기(132)는 상기 계산된 가중치 벡터에 의해 해당하는 단말국의 방향으로 각각 송신빔 및 수신빔을 형성한다.

두 번째로 제2실시 예(확장형)의 동작을 살펴본다.

상기 제2실시 예의 기지국 구조는 상기 도 4에 도시되어 있으며, 도 8은 상기 제2실시 예의 동작 과정을 도시하고 있다. 상기 제2실시 예의 기본적인 동작을 살펴보면, 기지국은 단말국이 송신한 GPS 정보로부터 단말국의 절대좌표를 구한 후, 이를 이용하여 기지국을 기준으로 하는 상대좌표로 변환한다. 이후 상기 기지국은 상기 단말국의 상대좌표를 이용하여 단말국의 위치각도와 거리를 구하고, 이를 이용하여 송수신 가중치 벡터를 계산하며, 상기 계산된 가중치 벡터를 이용하여 단말국 방향으로 송수신 빔을 형성한다.

기지국의 송신 메시지는 부호기(111), 변조기(112), 송신 빔 형성기(113), RF부(114), Duplexer(101), 어레이 안테나(100) 등을 거쳐 단말국으로 송신되고, 단말국으로부터 수신된 메시지는 어레이 안테나(100), Duplexer(101), RF부(131), 수신 빔 형성기(132), 레이크 수신기(133), 복호기(134) 등을 통해 복원된다. 즉, 상기 제2실시 예에서 상기 순방향 처리기(110) 및 역방향 처리기(130)의 구성 및 동작은 상기 도 1과 동일하다.

상기 제2실시 예의 기지국 신호처리기(120)의 구성을 살펴보면, 단말국 위치정보 생성기(121)는 상기 복호기(134)에서 출력되는 수신 메시지를 입력한다. 상기 위치정보 생성기(121)는 상기 수신 메시지에서 상기 단말국이 송신한 PR정보를 분리하며, 상기 분리된 단말국의 PR 정보들로부터 상기 단말국의 위치정보(GPS 위치정보)를 계산하여 단말국의 위치좌표를 생성한다. 어레이 신호처리기(122)는 단말국 상대좌표 계산기(300), 단말국 위치각도 계산기(301), 단말국 거리계산기(400), 빔폭 조절기(401) 및 가중치 벡터 계산기(402)로 구성된다. 어레이 신호 처리기(122)는 상기 단말국 위치정보 생성기(121)로부터 출력되는 GPS 위치정보로부터 송수신 빔을 형성하기 위한 송수신 어레이의 가중치 벡터를 계산하며, 상기 계산된 가중치 벡터를 송신빔 형성기(113) 및 상기 수신빔 형성기(132)로 출력한다.

상기 단말국 상대좌표 계산기(300)는 상기 위치정보 생성기(121)에서 출력되는 상기 단말국의 위치좌표로부터 상기 기지국을 중심으로하는 단말국의 상대좌표를 계산한다. 단말국 위치각도 계산기(301)는 상기 단말국의 상대좌표를 입력받아,이로부터 기지국에 대한 상기 단말국의 위치각도를 계산한다. 상기 단말국 거리계산기(400)는 상기 단말국의 상대좌표를 이용하여 상기 단말국과 기지국간의 거리를 계산한다. 이때 상기 단말국 거리 계산기(400)는 상기 기지국과 단말국간의 2차원 또는 3차원 거리를 계산한다. 빔폭 조절기(401)는 상기 거리계산기(400)에서 출력되는 거리 값에 따라 빔폭의 넓이를 조절한다. 그리고 상기 가중치벡터 계산기(302)는 상기 위치각도 계산기(301)에서 출력되는 단말국의 위치각도와 상기 빔폭 조절기(401)에서 출력되는 빔폭의 증감 정보를 이용하여 최적의 가중치 벡터를 구한 후, 상기 구해진 가중치 벡터를 상기 송신빔 형성기(113) 및 수신빔 형성기(132)에 각각 인가한다.

상기 기지국의 송수신 빔 형성을 위한 제2실시 예의 기지국 신호처리기(120)의 동작을 살펴본다. 상기 제1실시 예와 제2실시 예의 구조적 차이점은 상기 제2실시 예(확장형)가 구비하고 있는 단말국 거리 계산기(400)와 빔 폭 조절기(401)로 대표된다. 또한 가중치 벡터 계산기(402)의 기능도 빔 폭 조절기(401)로부터의 입력을 처리한다. 상기 제2실시 예에 따른 기지국 신호처리기(120)에서 단말국의 위치각도를 구하는 동작은 상기 제1실시 예에서와 동일하다. 그러나 상기 제2실시 예에서는 상기 단말국의 위치각도 값 이외에 기지국과 단말국 간의 거리를 구하고, 이를 이용하여 가중치 벡터를 계산한다. 따라서 상기 제2실시 예의 기본적인 동작 과정은 상기 제1실시 예와 유사하고, 상기 제2실시 예에 추가된 단말국 거리 계산기(400)와 빔폭 조절기(401)의 동작은 다음과 같다.

상기 기지국 신호처리기(120)의 단말국 거리 계산기(400)가 단말국의 상대위치좌표(x_M, y_M, z_M)를 이용해 단말국과 기지국간의 거리계산하고, 빔 폭 조절기(401)가 상기 단말국과 기지국간의 거리를 이용해 빔의 폭을 어느 정도로 형성할지 결정한다. 이때 상기 빔폭 조절 방법은 기본적으로 기지국과 거리가 가까운 단말국들에 대해서는 빔의 폭을 넓게 조절하고, 기지국과 거리가 먼 단말국들에 대해서는 빔의 폭이 상대적으로 좁게 조절해준다. 상기와 같이 빔의 폭을 조절하는 이유는 상기 단말국이 기지국 가까이 있을 때는 국부 산란(local scattering)의 효과가 도래각(angle of arrival)의 큰 분산을 초래하고, 반대로 멀리 있는 단말국에 있어서는 국부 산란에 의해 나타나는 도래각의 분산이 상대적으로 작다는 사실에 근거한다. 그러면 상기 가중치 벡터 계산기(402)는 단말국의 위치각도와 거리를 이용해 최적의 송수신 가중치 벡터를 계산한다.

상기 빔 폭을 조절하는 한 예로 다음과 같은 방법을 생각할 수 있다. 이때 상기 주어진 안테나 소자의 개수와 배치에 따라 결정되는 최소의 빔 폭 B_min은 정해져 있으므로, 빔 폭을 증가하는 방법에 대해서만 설명한다. 빔 폭의 증가 단위를 ΔB이라 하고, Φ 방향으로 단위 가중치 벡터 w를 이용하여 빔이 형성되어 있다고 가정한다. 이때 단말국의 거리가 가까워짐에 따라 빔의 폭을 ΔB의 정수배 x만큼 증가시키려면,방향의 빔을 형성하는 단위 가중치 벡터를 구한 후, 증가된 빔 폭을 가지는 새로운 단위 가중치 벡터 ω_inc는 위에서 얻어진 가지 빔 패턴의 선형결합 즉, 하기 <수학식 9>에 의해 구할 수 있다.

상기와 같은 빔 폭 조절의 예에서 상기 빔폭 조절기(401)는 단말국과의 거리에 따라 계산이나 실험적으로 미리 정해 놓은 빔 폭의 증가정도를 결정하고, 상기 가중치벡터 계산기(402)는 상기 <수학식 9>을 이용하여 송수신 가중치 벡터를 계산한다.

상기 도 8을 참조하면, 기지국 역방향처리기(130)의 복호기(134)는 단말국으로부터 수신되는 신호를 복호한 수신 메시지를 발생한다. 그러면 기지국의 신호처리기(120)는 453단계에서 상기 수신 메시지에서 상기 단말국의 송신한 PR을 분리하고, 455단계에서 기지국이 알고있는 GPS 이패머리스(ephemeris)를 이용하여 상기 분리된 PR로부터 상기 단말국의 직교 위치좌표(x'_M, y'_M, z'_M)를 생성한다. 그리고 상기 기지국 신호처리기(120)는 457단계에서 기지국이 미리 알고 있는 자신의 위치좌표를 기준으로 상기 단말국의 직교 위치좌표(x'_M, y'_M, z'_M)를 이용하여 상기 단말국의 단말국의 상대 위치좌표(x_M, y_M, z_M)를 계산한다.

이후 상기 기지국 신호처리기(120)는 상기 단말국의 상대좌표를 이용하여 상기 단말국의 위치각도 및 단말국 간의 거리를 계산하는 과정들을 수행한다. 먼저 상기 기지국 신호처리기(120)는 459단계에서 상기 단말국의 상대 위치좌표(x_M, y_M,z_M)로부터 상기 <수학식 1>을 이용하여 기지국에 대한 단말국의 위치각도 (θ, Φ)를 계산한다. 두 번째로 상기 기지국 신호처리기(120)는 461단계에서 상기 단말국의 상대 위치좌표(x_M, y_M, z_M)를 이용하여 상기 단말국과 기지국간의 거리계산하고, 463단계에서 상기 단말국과 기지국간의 거리를 이용해 빔의 폭을 어느 정도로 형성할지 결정한다.

상기와 같이 단말국의 위치각도 및 거리를 계산한 후, 상기 기지국 신호처리기(120)는 465단계에서 상기 단말국의 위치각도 (θ, Φ) 및 빔폭 조절정보를 입력하여 상기 가중치 벡터를 계산한 후 출력한다. 그러면 상기 순방향 처리기(110)의 송신빔 형성기(113)과 역방향 처리기(130)의 수신빔 형성기(132)는 상기 계산된 가중치 벡터에 의해 해당하는 단말국의 방향으로 각각 송신빔 및 수신빔을 형성한다.

세 번째로 제3실시 예(DB형)의 동작을 살펴본다.

상기 제3실시 예의 기지국 구조는 도 5에 도시되어 있으며, 상기 제3실시 예의 동작 과정은 도 9에 도시되어 있다. 상기 제3실시예의 기본적인 동작 과정을 살펴보면, 기지국은 가중치벡터 데이터 베이스를 구비하며, 상기 단말국이 송신한 GPS 정보로부터 단말국의 절대 위치좌표를 구하고, 상기 절대 위치좌표를 이용하여 상기 가중치 벡터 DB(data base)에 저장된 송수신 가중치 벡터들 중 상기 절대 위치좌표에 가장 근접하는 가중치 벡터를 찾아 송수신 빔을 형성한다.

상기 기지국의 송신 메시지는 부호기(111), 변조기(112), 송신 빔 형성기(113), RF부(114), Duplexer(101), 어레이 안테나(100) 등을 거쳐 단말국으로 송신되고, 단말국으로부터 수신된 메시지는 어레이 안테나(100), Duplexer(101), RF부(131), 수신 빔 형성기(132), 레이크 수신기(133), 복호기(134) 등을 통해 복원된다. 즉, 상기 제1실시 예에서 상기 순방향 처리기(110) 및 역방향 처리기(130)의 구성 및 동작은 상기 도 1과 동일하다.

상기 제1실시 예의 기지국 신호처리기(120)의 구성을 살펴보면, 단말국 위치정보 생성기(121)는 상기 복호기134에서 출력되는 수신 메시지를 입력한다. 상기 위치정보 생성기(121)는 상기 수신 메시지에서 상기 단말국이 송신한 PR정보를 분리하며, 상기 분리된 단말국의 PR 정보들로부터 상기 단말국의 GPS 위치정보를 이용하여 상기 단말국의 절대 위치좌표를 생성한다. 이와 같이 절대 위치좌표가 생성되면, 처리기(501)로 전달한다. 상기 처리기(501)는 가중치벡터 데이터베이스(500)에 저장된 상기 위치좌표 값에 따라 저장하고 있는 송수신 가중치 벡터들 중 상기 위치좌표 값에 가장 근접한 가중치 벡터를 찾아 상기 송신빔 형성기(113) 및 수신빔 형성기(132)에 인가한다. 그러면 상기 송신빔 형성기(113) 및 수신빔 형성기(132)는 상기 가중치 벡터에 의해 상기 단말기 방향으로의 송신 및 수신빔을 형성한다.

상기 제3실시 예의 전체적인 동작 과정은 상기 제1실시 예(기본형)와 유사하며, 상기 제3실시 예는 상기 제1실시 예(기본형)의 어레이 신호처리기(122)를 처리기와 가중치벡터 데이터베이스(500)로 대체한 것을 특징으로 한다. 상기 가중치벡터 데이터베이스(500)는 기지국이 담당하고 있는 셀(cell) 내의 미리 정해진 지점들에 대한 최적의 송수신 가중치 벡터들을 미리 계산 또는 실험적으로 구해서 상기가중치벡터 데이터베이스(500)에 저장하고 있다. 그리고 처리기(501)는 실제 단말국의 위치좌표를 단말국 위치정보 생성기(121)로부터 입력받았을 때, 저장되어 있는 가장 근접한 위치좌표에 해당하는 송수신 가중치 벡터를 가중치벡터 데이터베이스(500)에서 계산 없이 바로 출력한다. 일 예로 가중치벡터 데이터베이스(500)는 다음과 같은 형태로 정보를 저장하고 있다.

위치좌표1	가중치벡터1
위치좌표2	가중치벡터2
위치좌표3	가중치벡터3
…	…

처리기는 입력된 위치좌표와 가중치벡터 데이터베이스(500)가 저장하고 있는 각각의 위치좌표들간의 유클리디안 거리(Euclidian distance)를 계산해서 최소값을 가지는 위치좌표에 해당하는 가중치벡터를 가중치벡터 데이터베이스에서 선택하여 출력한다. 한편 가중치벡터 데이터베이스는 상기된 방식 외에 다음과 같은 ??터 정보를 저장할 수 있다.

섹터1의 각도1	섹터1의 각도2	섹터1의 거리1	섹터1의 거리2	가중치벡터1
섹터2의 각도1	섹터2의 각도2	섹터2의 거리1	섹터2의 거리2	가중치벡터2
섹터3의 각도1	섹터3의 각도2	섹터3의 거리1	섹터3의 거리2	가중치벡터3
…	…	…	…	…

위에서 ??터i의 각도1은 i번째 ??터가 시작되는 애지무스 각도이고, ??터i의 각도2는 i번째 ??터가 끝나는 애지무스 각도이고, ??터i의 거리1은 i번째 ??터가 시작되는 기지국으로부터의 거리이고, ??터i의 거리2는 i번째 ??터가 끝나는 기지국으로부터의 거리이다. 가중치벡터 데이터베이스가 상기와 같이 ??터정보를 저장하고 있을 경우 처리기(501)는 입력받은 위치좌표를 이용해 단말국의 애지무스 각도 Φ와 거리 R을 계산하고, 하기 <수학식 10>과 같은 조건을 만족하는 ??터 i를 가중치벡터 데이터베이스에서 찾는다.

섹터i의 각도1 < θ< 섹터i의 각도2

섹터i의 거리 1 < R < 섹터i의 거리2

처리기는 찾아낸 i번째 섹터에 대응하는 가중치벡터를 가중치벡터 데이터베이스에서 찾아 출력한다.

상기 도 8을 참조하면, 복호기(134)는 551단계에서 단말국으로부터 수신되는 신호를 복호한 수신 메시지를 발생한다. 그러면 기지국의 신호처리기(120)는 553단계에서 상기 수신 메시지에서 상기 단말국의 송신한 PR을 분리하고, 555단계에서 기지국이 알고있는 GPS 이패머리스(ephemeris)를 이용하여 상기 분리된 PR로부터 상기 단말국의 직교 위치좌표(x'_M, y'_M, z'_M)를 생성한다. 이후 상기 기지국 신호처기120은 557단계에서 상기 가중치벡터 데이터베이스에서 상기 위치좌표에 해당하는 가장 근접한 가중치벡터를 찾아 출력하며, 559단계에서 상기 순방향 처리기(110)의 송신빔 형성기(113)와 역방향 처리기(130)의 수신빔 형성기(132)를 제어하여 상기 계산된 가중치 벡터에 의해 해당하는 단말국의 방향으로 각각 송신빔 및 수신빔을 형성한다.

상술한 바와 같이 안테나 어레이를 이용하는 이동통신 시스템의 기지국 장치가 단말국으로부터 해당 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 기지국의 송수신 빔 형성을 위한 가중치 벡터를 쉽게 계산 할 수 있으며, 이로 인해 단말국과 기지국 모두 계산량의 큰 증가 없이 송수신 빔을 최적으로 형성할 수 있어 송수신 전력의 최소화 및 통화 품질의 향상 등을 통한 이동통신 시스템의 용량을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims

인공위성으로부터 GPS 위치정보를 수신하여 단말국의 절대위치를 나타내는 GPS 위치정보를 출력하는 상기 단말국을 구비하는 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이 장치에 있어서,

상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치정보를 생성하는 위치정보 생성기와,

상기 단말국의 위치정보를 이용하여 송신빔을 형성하기 위한 가중치 벡터를 계산하는 어레이 신호처리기와,

송신빔 형성기를 구비하고 상기 송신빔 형성기가 상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 송신빔을 형성하며, 송신 메시지를 상기 형성된 빔에 의해 상기 안테나 어레이로 출력하는 순방향 처리기로 구성된 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 안테나 어레이 장치.
제1항에 있어서,

상기 송신 빔 형성기는 송신 신호를 M 개의 안테나 소자 수만큼 복사한 후, 각각의 복사된 신호에 상기 어레이 신호처리기에서 생성된 대응하는 순방향 가중치를 곱하여 송신빔들을 형성함을 특징으로 하는 기지국의 송신 안테나 어레이장치.
제1항에 있어서,

상기 가중치 벡터는 하기 <수학식 11>에 의해 최적의 기지국 송신 어레이 가중치 벡터를 구함을 특징으로 하는 기지국의 송신 안테나 어레이 장치.

θ는 단말국이 인공위성으로부터 수신한 위치 데이터에 의한 z축의 앨리베이션 각도(elevation angle), Φ는 단말국이 인공위성으로부터 수신한 위치 데이터에 의한 애지머스 각도(azimuth angle)
인공위성으로부터 GPS 위치정보를 수신하여 단말국의 절대위치를 나타내는 GPS 위치정보를 출력하는 상기 단말국을 구비하는 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이 장치에 있어서,

상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치정보를 생성하는 위치정보 생성기와,

상기 단말국의 위치정보를 이용하여 수신빔을 형성하기 위한 가중치 벡터를 계산하는 어레이 신호처리기와,

수신빔 형성기를 구비하고 상기 수신빔 형성기가 상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 수신빔을 형성하며, 상기 형성된 수신 빔에 의해 상기 안테나 어레이로부터 수신되는 메시지를 처리하는 역방향 처리기로 구성된 것을 특징으로 하는 기지국의 수신 안테나 어레이 장치.
제4항에 있어서,

상기 수신빔 형성기는 수신 신호를 M 개의 안테나 소자를 통해 받고, 각각의 안테나 소자 출력신호에 상기 어레이 신호처리기에서 생성된 대응하는 역방향 가중치를 곱한 후, 그 곱해진 출력신호를 모두 더해 최종 어레이 출력 신호를 얻는 것을 특징으로 하는 기지국의 수신 안테나 어레이장치.
제4항에 있어서,

상기 가중치 벡터는 하기 <수학식 12>에 의해 최적의 기지국 수신 어레이 가중치 벡터를 구함을 특징으로 하는 기지국의 수신 안테나 어레이장치.

θ는 단말국이 인공위성으로부터 수신한 위치 데이터에 의한 z축의 앨리베이션 각도(elevation angle), Φ는 단말국이 인공위성으로부터 수신한 위치 데이터에의한 애지머스 각도(azimuth angle)
인공위성으로부터 GPS 위치정보를 수신하여 단말국의 절대위치를 나타내는 GPS 위치정보를 출력하는 상기 단말국을 구비하는 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이 장치에 있어서,

상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치정보를 생성하는 위치정보 생성기와,

상기 단말국의 위치정보로부터 상기 기지국의 절대좌표를 기준으로 하는 상기 단말국의 상대좌표를 계산하는 상대좌표 계산기와,

상기 단말국의 상대좌표로부터 기지국에 대한 단말국의 위치각도를 계산하는 위치각도 계산기와,

상기 단말국의 위치각도를 이용하여 빔을 형성하기 위한 가중치 벡터를 계산하는 가중치 벡터 계산기와,

상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 빔을 형성하는 빔형성기로 구성된 것을 특징으로 하는 기지국의 안테나 어레이 장치.
인공위성으로부터 GPS 위치정보를 수신하여 단말국의 절대위치를 나타내는 GPS 위치정보를 출력하는 상기 단말국을 구비하는 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이 장치에 있어서,

상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치정보를 생성하는 위치정보 생성기와,

상기 단말국의 위치정보로부터 상기 단말국의 상대좌표를 계산하는 상대좌표 계산기와,

상기 단말국의 상대좌표로부터 기지국에 대한 단말국의 위치각도를 계산하는 위치각도 계산기와,

상기 단말국의 상대좌표로부터 단말국과 기지국 간의 거리를 계산하는 거리 계산기와,

상기 단말국과 기지국 간의 거리에 따라 송수신 빔 폭의 증감을 결정하는 빔폭 조절기와,

상기 단말국의 위치각도 및 빔폭 조절신호를 이용하여 빔을 형성하기 위한 가중치 벡터를 계산하는 가중치 벡터 계산기와,

상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 빔을 형성하는 빔형성기로 구성된 것을 특징으로 하는 기지국의 안테나 어레이 장치.
제8항에 있어서,

상기 단말국과 기지국간의 거리에 따라 송수신 빔의 폭의 증감을 조절하기위해서 하기 <수학식 13>에 의해 새로운 가중치 벡터w_inc를 구함을 특징으로 하는 기지국의 안테나 어레이장치.

w는 Φ방향으로 단위 가중치 벡터, ω_±i는방향의 빔을 형성하는 단위 가중치 벡터, x는 단말국과의 거리에 따라 계산이나 실험적으로 미리 정해 놓은 빔 폭의 증가정도
인공위성으로부터 GPS 위치정보를 수신하여 단말국의 절대위치를 나타내는 GPS 위치정보를 출력하는 상기 단말국을 구비하는 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이 장치에 있어서,

상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치좌표를 나타내는 위치 정보를 생성하는 위치정보 생성기와,

미리 정해진 기지국 영역 내의 위치좌표들에 대해 각각 계산된 최적의 가중치 벡터들을 테이블로 저장하는 가중치 벡터 저장기와,

상기 단말국의 상기 위치정보 입력시 상기 테이블로부터 상기 위치정보에 대응하는 가중치 벡터 또는 상기 위치 정보에 대응하는 가중치 벡터에 가장 가까운 가중치 벡터를 선택하는 처리기와,

상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 빔을 형성하는 빔형성기로 구성된 것을 특징으로 하는 기지국의 안테나 어레이 장치.
인공위성으로부터 GPS 위치정보를 수신하여 단말국의 절대위치를 나타내는 GPS 위치정보를 출력하는 상기 단말국을 구비하는 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이 장치의 빔형성 방법에 있어서,

상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치정보를 생성하는 과정과,

상기 단말국의 위치정보로부터 상기 단말국의 상대좌표를 계산하는 과정과,

상기 단말국의 상대좌표로부터 기지국에 대한 단말국의 위치각도를 계산하는 과정과,

상기 단말국의 위치각도를 이용하여 빔을 형성하기 위한 가중치 벡터를 계산하는 과정과,

상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 빔을 형성하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 기지국의 안테나 어레이 장치의 빔 형성 방법.
인공위성으로부터 GPS 위치정보를 수신하여 단말국의 절대위치를 나타내는 GPS 위치정보를 출력하는 상기 단말국을 구비하는 이동통신 시스템의 기지국 안테나 어레이 장치의 빔형성 방법에 있어서,

상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치정보를 생성하는 과정과,

상기 단말국의 위치정보로부터 상기 단말국의 상대좌표를 계산하는 과정과,

상기 단말국의 상대좌표로부터 기지국에 대한 단말국의 위치각도를 계산하며, 상기 단말국의 상대좌표로부터 단말국과 기지국 간의 거리를 계산한 후 상기 계산된 거리에 따라 송수신 빔 폭의 증감을 결정하는 과정과,

상기 단말국의 위치각도 및 빔폭 조절신호를 이용하여 빔을 형성하기 위한 가중치 벡터를 계산하는 과정과,

상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 빔을 형성하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 기지국의 안테나 어레이 장치의 빔 형성방법.
GPS 위치정보를 출력하는 단말국들과, 미리 정해진 기지국 주위의 위치좌표들에 대해 계산된 최적의 가중치 벡터들을 저장하고 있는 가중치벡터 저장기를 구비하는 기지국들로 구성되는 이동통신 시스템의 상기 기지국의 안테나 어레이장치의 빔형성 방법에 있어서,

상기 단말국의 GPS 위치정보를 수신하여 해당하는 단말국의 위치좌표를 생성하는 과정과,

상기 단말국의 위치좌표가 생성될 때 상기 가중치벡터 저장기에서 상기 생성된 위치좌표에 가장 근접한 가중치 벡터를 찾아 출력하는 과정과,

상기 가중치벡터에 의해 해당하는 방향으로 빔을 형성하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 기지국의 안테나 어레이 장치의 빔 형성방법.