KR20050087177A - 스마트 안테나 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기지국의 용량 증대를 위해 사용하는 스마트 안테나를 효율적으로 사용하기 위한 스마트 안테나 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 단말에 대한 위치 추적이 정확하게 이루어지지 않는 경우, 넓은 널(null)을 가지는 빔을 형성하도록 스마트 안테나를 제어하여 간섭으로 인한 영향을 감소시키고, 단말에 대한 위치 추적이 정확하게 이루어지는 경우에는 좁은 널을 가지는 빔을 형성하도록 스마트 안테나를 제어하여 신호 대 간섭비(Signal to Interfere Ratio, SIR)를 증가시킴으로써 AOA(Angle of Arrival) 추정 오차가 시스템에 미치는 영향을 최소화시키는 한편, 시스템을 통신 환경에 최적화시킬 수 있게 된다.

Description

스마트 안테나 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROL OF SMART ANTENNA}

본 발명은 이동통신 시스템에서 사용되는 스마트 안테나에 관한 것으로, 특히 스마트 안테나가 AOA(Angle Of Arrival) 추정 오차의 영향을 덜 받도록 하는 스마트 안테나 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

현재의 이동통신 시스템에서는 가입자의 증가 및 음성(Voice) 서비스 외에 추가적인 데이터(Data) 서비스의 실시 등의 요인에 의해 기지국의 용량 증대가 요구되고 있다. 이러한 요구를 만족하기 위한 기지국 용량 증대의 한 가지 방법으로 사용되고 있는 것이 스마트 안테나(Smart Antenna)를 이용한 시스템이다.

CDMA(Code Division Multiple Access, 코드 분할 다중 접속) 이동통신 환경에서 가입자 용량을 제한하는 가장 근본적인 원인은 다른 가입자들의 신호로 인해 발생하는 간섭(interfere)이다. 동일 셀 내에서 발생되는 모든 신호가 통화중인 가입자의 통신을 방해하는 간섭파가 되며, 이는 CDMA가 갖고 있는 구조적인 신호 환경이다. 스마트 안테나는 이러한 다른 가입자의 통화를 위해 발생하는 신호로 인한 간섭을 감소시킴으로써 용량 증대를 실현한다. 기지국은 스마트 안테나를 사용하여 통화 중인 임의의 가입자에게는 강한 전력을 보내고 다른 가입자에게는 약한 전력을 보내 신호 대 간섭비(Signal to Interferer Ratio, SIR)를 향상시킴으로써 용량을 증대시킨다.

기지국은 방향 추적 알고리즘을 사용하여 원하는 가입자의 방향과 원하지 않는 가입자의 방향을 추정하고, 이 추정 값을 바탕으로 하여 통화를 제공할 임의의 가입자의 방향으로는 높은 이득의 빔(Beam)을 형성하고, 그 외의 가입자 방향으로는 낮은 이득의 빔(Beam)을 형성하도록 스마트 안테나를 제어한다. 이때 사용될 수 있는 방향 추적 알고리즘으로는 ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques, 회전 불변 기법들을 통한 신호 매개변수들의 추정), MUSIC(MUltiple Signal Identification and Classification, 다중신호 식별 및 분류), CAPON 등이 있다.

기지국은 스마트 안테나의 소자(element)마다 적절한 가중치(Weighting)를 적용하여 원하는 형태의 빔을 형성 할 수 있다. 또, 추가적으로 원하지 않은 방향에 공간 필터(spatial filter)를 사용하여 빔 패턴(beam pattern)의 특정 각도에 널(null, 주위 값보다 20~40dB이상 작은 값으로 만듦)을 만들어 신호 대 간섭비를 크게 증가시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 스마트 안테나의 원리는 어레이 안테나(Array Antenna)를 사용하여 수신 신호로부터 가입자들의 위치를 파악하고 안테나 소자(element)마다 적절한 가중치(Weighting)를 주어 지향성을 가지는 빔을 형성하는 것이다. 따라서, 스마트 안테나 알고리즘에서는 가입자의 방향을 파악하는 것이 매우 중요하다. 그런데, 현실적으로는 가입자가 고속으로 움직이거나 주위의 산란체(Scatterer)로 인한 각퍼짐(Angular Spread)이 발생하는 등의 통신 환경 상의 이유로 인해 기지국이 가입자의 위치를 정확히 파악하지 못하는 경우가 자주 발생한다. 가입자의 위치 추정 시에 발생하는 오차를 AOA(Angle Of Arrival) 추정 오차라고 한다. 일반적으로, 간섭을 줄이기 위해 형성된 스마트 안테나 패턴은 간섭 방향에 대해 날카로운 특성을 가지기 때문에 AOA 추정 오차에 민감하게 된다. 이로 인한 문제점을 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1은 이동통신 환경을 도시하는 도면이다.

도 1에 도시된 단말 1(100-1) 및 단말 2(100-2)는 가입자가 통신 서비스를 제공하기 위해 사용하는 기기이다. BTS(Base Transceiver System, 기지국)(120)는 단말(100)에 통신 서비스를 제공하기 위하여 단말(100)과의 신호 송수신을 수행한다. BTS(120)의 안테나는 통신의 대상이 되는 단말(예를 들어 단말 1)(100-1)이 위치하는 방향으로 높은 이득의 빔을 형성하고, 그 외의 단말(예를 들어 단말 2)(100-2)이 위치하는 방향으로 낮은 이득의 빔을 형성함으로써, 단말 1(100-1)의 통신으로 인해 단말 2(100-2)에 발생하는 간섭을 감소시키는 스마트 안테나이다. 그런데, 앞서 언급한 AOA 추정 오차는, 도 1에 도시된 바와 같이 주위에 산란체가 될 수 있는 건물들이 많은 도심 지역에서 특히 심하게 발생한다. 이로 인해 현재의 스마트 안테나는 넓은 평야 지대에서 좋은 성능을 가지나 용량 증대가 더욱 절실히 요구되는 도심 지역에서는 오히려 효과를 나타내지 못하고 있다.

따라서, 이와 같은 문제점을 극복하고 좋지 않은 통신 환경 하에서도 스마트 안테나를 효율적으로 사용하기 위하여 스마트 안테나가 AOA 추정 오차로 인한 영향을 적게 받도록 제어할 수 있는 스마트 안테나 제어 장치 및 방법이 요구된다.

본 발명의 목적은 AOA(Angle Of Arrival) 추정 오차로 인한 영향을 적게 받도록 하는 스마트 안테나 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 스마트 안테나가 통신 환경에 적응적으로 동작할 수 있도록 하는 스마트 안테나 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명은 스마트 안테나가 AOA 추정 오차(AOA estimation error)로 인한 영향을 적게 받도록 하기 위하여 스마트 안테나가 넓은 널(null)을 가지는 패턴의 빔을 형성하도록 한다.

또, 본 발명은 스마트 안테나가 통신 환경에 적응적으로 동작할 수 있도록 하기 위해 통신 환경 등의 조건에 따라 좁은 널을 가지는 패턴의 빔 또는 넓은 널을 가지는 패턴의 빔을 선택적으로 형성할 수 있도록 한다.

이와 같은 본 발명의 장치는, 스마트 안테나를 사용하여 적어도 하나의 단말에 통신 서비스를 제공하는 이동통신 시스템의 기지국에서 상기 스마트 안테나를 제어하는 장치에 있어서, 상기 단말로부터 수신되는 신호를 입력받아 AOA(Angle Of Arrival)를 추정하는 AOA 추정부와, 상기 AOA 추정부로부터 AOA 추정 값을 입력받아 상기 단말의 통신 환경에 따른 빔 패턴 형성 조건을 판단하여 상기 스마트 안테나가 생성할 빔 패턴을 결정하는 통신 환경 판단부와, 상기 스마트 안테나가 상기 결정된 패턴의 빔을 생성할 수 있도록 하는 가중치 벡터를 계산하는 가중치 벡터 계산부와, 상기 계산된 가중치 벡터 값에 따른 패턴의 빔을 생성하도록 하는 제어신호를 생성하여 상기 스마트 안테나에 출력하는 빔 형성부를 포함하는 스마트 안테나 제어 장치이다.

또, 본 발명의 방법은, 스마트 안테나를 사용하여 적어도 하나의 단말에 통신 서비스를 제공하는 이동통신 시스템의 기지국에서 상기 스마트 안테나를 제어하는 방법에 있어서, 상기 단말로부터 수신되는 업링크 신호를 입력받아 AOA(Angle Of Arrival)를 추정하는 제 1단계와, 상기 AOA 추정 값을 입력받아 상기 단말의 통신 환경에 따른 빔 패턴 형성 조건을 판단하여 상기 스마트 안테나가 생성할 빔 패턴을 결정하는 제 2과정과, 상기 스마트 안테나가 상기 결정된 패턴의 빔을 생성할 수 있도록 하는 가중치 벡터를 계산하는 제 3과정과, 상기 스마트 안테나를 통해 상기 가중치 벡터를 만족하는 패턴의 빔을 생성하는 제 4과정을 포함하는 스마트 안테나 제어 방법이다.

이와 같은 본 발명은 BTS(120)와 단말(100)간의 호 설정 과정의 초기 과정 중 하나로써, 호 설정이 완료되어 통화가 시작되기 전에 이루어짐이 일반적이다. 또, 본 발명을 수행하기 위한 신호의 전송은 일반적으로 파일럿 채널을 통해 이루어진다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 스마트 안테나를 사용하여 단말에 통신 서비스를 제공하는 BTS를 도시하는 도면이다.

단말(100)은 어레이 안테나의 일종인 스마트 안테나(110)와 통신을 위한 신호 송수신을 수행한다. BTS(120)는 RF(Radio Frequency)부(200), IF(Intermediate Frequency)부(210), 채널 카드(220)를 포함한다. RF부(200) 및 IF부(210)는 채널 카드(220)로부터 입력받은 신호를 스마트 안테나(110)를 통해 단말(100)에 송신할 수 있는 신호로 변환하거나, 스마트 안테나(110)를 통해 단말(100)로부터 수신한 신호를 채널 카드(220)가 처리할 수 있는 신호로 변환한다. 채널 카드(220)는 모뎀, DSP(Digital Signalling Processor) 등을 포함하고, 단말(100)에 통신 서비스를 제공하기 위한 신호처리를 수행한다.

도 3은 본 발명에 따른 도면으로, 스마트 안테나를 제어하기 위한 BTS의 채널 카드의 구성을 도시하는 블록구성도이다.

도 3은 본 발명을 수행하기 위해 필요한 구성 요소만을 도시하고 있다. 도 3의 AOA 추정부(300)는 단말(100)로부터 수신되는 신호를 입력받아 AOA 추정 및 AOA 선택 과정을 수행한다. 여기서 AOA 선택 과정은 추정된 AOA가 통신을 제공할 대상이 되는 단말(예를 들어 단말 1)(100-1)의 AOA인지, 간섭이 되는 단말(예를 들어 단말 2)(100-2)의 AOA인지를 판단하는 과정이다.

통신 환경 판단부(310)는 현재 BTS(120)가 위치하는 지역의 통신 환경에 따라 스마트 안테나(110)를 통해 형성할 빔 패턴을 결정한다. 즉, 통신 환경 판단부(310)는 현재의 통신 환경이 정확도가 높은 AOA를 추정할 수 있는 통신 환경인지 아닌지를 판단하고, 정확도가 높은 AOA를 추정할 수 있다면 좁은 널(null)을 가지는 빔 패턴을 형성하고, 정확도가 높은 AOA를 추정할 수 없다면 넓은 널을 가지는 빔 패턴을 형성하도록 한다. 빔 패턴에서 널이 넓어지면 간섭을 감소시키는 효과가 발생하므로, 정확한 AOA를 추정할 수 없는 경우에 AOA 추정 오차로 인한 영향을 감소시킬 수 있다.

여기서 정확도가 높은 AOA를 추정할 수 있는 조건으로는 간섭이 되는 단말(100-2)에 대한 AOA의 AS(Angular Spread) 및 속도를 들 수 있다. 간섭 방향의 신호, 즉 간섭이 되는 단말(100-2)로 인한 신호의 AS가 크거나 속도가 빠르면, AOA 추정의 정확도가 저하되어 AOA 추정 오차가 커지게 된다. 그러므로, 통신 환경 판단부(310)는 간섭 방향 신호의 AS 및 속도를 감지하고, 그 신호가 AS가 크거나 속도가 빠른 특성을 가지면 해당 방향으로 넓은 널을 갖는 빔을 형성하도록 한다.

가중치 벡터 계산부(320)는 스마트 안테나(110)를 통해 원하는 형태의 빔을 형성하기 위한 가중치 벡터(weight vector)를 계산한다. 빔 형성부(330)는 스마트 안테나(110)가 가중치 벡터 계산부(330)가 계산한 가중치 벡터에 따른 빔을 형성할 수 있도록 하는 제어 신호를 생성하여 스마트 안테나(110)에 출력한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 하기에서는 본 발명을 TDD(Time Division Duplex) 시스템에 적용하는 경우와, FDD(Frequency Division Duplex) 시스템에 적용하는 경우의 두 가지 실시예에 대해 기술한다. FDD 시스템은 업링크 및 다운링크의 반송파 주파수(Carrier Frequency)가 동일한 TDD 시스템과는 달리 업링크의 반송파 주파수와 다운링크의 반송파 주파수가 다르므로, 업링크 신호로부터 계산한 빔 패턴을 다운링크에 대해 적용하기 위해서 주파수 변화에 따른 보정이 필요하게 된다.

먼저 TDD 시스템에 본 발명을 적용하는 실시예에 대해 기술한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도면으로, TDD(Time Division Duplex) 통신 시스템에 본 발명을 적용하는 경우의 동작을 도시하는 순서흐름도이다.

도 4의 순서흐름도에서 제 400단계 내지 제 404단계는 업링크에서 수신한 어레이 신호를 분석하여 널링(nulling)을 하기 위해 필요한 정보를 획득하는 과정이다.

제 400단계에서 업링크에서 수신된 어레이 신호를 입력받은 AOA 추정부(300)는 제 402단계에서 상기 입력받은 신호를 이용하여 단말(100)에 대한 AOA을 추정한다. AOA 추정은 신호처리 분야에서 널리 알려진 문제이다. 흔히 사용되는 방식으로 부분 공간 접근방식인 ESPRIT과 Unitary ESPRIT이 있고, 빔 형성(beamforming) 기술을 이용한 방법의 한 예로 Capon's 알고리즘을 들 수 있다. Capon's 알고리즘에 관한 내용은 하기에서 수학식을 참조하여 설명하도록 한다.

AOA 추정부(300)는 제 402단계의 AOA 추정을 수행한 후 제 404단계에서 AOA를 선택한다. AOA 선택 과정은 제 402단계에서 추정된 AOA들이 원하는 단말(100-1)의 AOA인지 간섭이 되는 단말(100-2)의 AOA인지를 구별하는 과정이다. 이때 원하는 단말(100-1)의 모든 AOA 정보는 최종 빔 형성에 이용되는 것이 바람직하다. 실제 구현 시에는 원하는 단말(100-1)의 여러 방향 중 가장 강한 하나만 사용하는 것이 일반적이지만 앞서 언급한 하나 이상의 방향정보(AOA)를 가지면 시간에 따라 변하는 신호 중 가장 큰 신호로의 빠르게 전환되는 이점이 있다. 안테나 어레이의 수 보다 많은 간섭들이 존재하는 경우에는 영향이 큰 것만 고려하는 것이 바람직하다.

제 406단계 내지 제 412단계에서 통신 환경 판단부(310)는 제 400단계 내지 제 404단계에서 획득한 정보를 이용하여 간섭 방향으로 좁은 널을 가지는 패턴의 빔을 형성할 것인지, 넓은 널을 가지는 빔 패턴을 형성할 것인지를 판단한다. 이 때의 고려 기준의 예로는 간섭이 되는 단말(100-2)의 AS와 속도를 들 수 있는데, 단말(100-2)의 AS가 크거나 속도가 빠르면 넓은 널을 형성한다. 제 406단계에서 통신 환경 판단부(310)는 단말(100-2)의 AS가 큰지 판단하고, AS가 크다면 제 412단계에서 넓은 널을 선택한다. 제 406단계에서 단말(100-2)의 AS가 크지 않다고 판단되면, 통신 환경 판단부(310)는 제 408단계에서 단말(100-2)의 속도가 빠른지 판단하고, 단말(100-2)의 속도가 빠르면 제 412단계에서 넓은 널을 선택한다. 통신 환경 판단부(310)는 단말(100-2)의 AS가 크지 않고, 속도가 빠르지 않다면 제 410단계에서 좁은 널을 선택한다. 이때의 판단은 소정의 기준 값을 미리 결정하고 그 값과 측정된 값을 비교함으로써 이루어질 수 있을 것이다. 한편, 본 실시예에서는 단말(100-2)의 AS 및 속도의 두 가지 조건을 모두 고려 기준으로 삼고, 그 중 한가지 조건만을 만족해도 넓은 널을 선택하고 있으나, 통신 환경 및 시스템에 따라 어느 한 가지만을 고려 기준으로 삼거나, 두 가지 조건을 모두 만족하는 경우에만 넓은 널을 선택할 수도 있을 것이다.

제 414단계는 선택된 널의 형태에 따른 빔 형성 과정인데, 이 과정은 도 3의 가중치 벡터 계산부(320) 및 빔 형성부(330)에 의해 수행될 수 있다. 가중치 벡터 계산부(320)는 선택된 널을 가지는 빔 패턴을 형성하기 위한 가중치 벡터를 계산한다. 빔 형성부(330)는 계산된 가중치 벡터에 따른 제어신호를 생성하고 스마트 안테나(110)에 출력함으로써 스마트 안테나(110)가 요구되는 형태의 빔을 형성할 수 있도록 한다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 AOA 추정, 빔 형성 등의 과정을 수행하기 위해 사용되는 수학식들을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 AOA 추정부(300)(예를 들면, 어레이 프로세서로 구현될 수 있음)는 M개의 어레이 안테나 출력 표본 X(M×1 vector)로부터 AOA들을 추정한다. 일반적으로 M개의 어레이의 구성은 임의의 어떤 것으로도 가능하나 본 발명의 설명을 용이하게 하기 위해서 ULA(Uniform Linear Array)를 사용한 예를 들어 기술한다. AOA들을 원하는 단말(100-1) 방향()과 간섭이 되는 단말(100-2) 방향()으로 분류한 후 SNIR(Signal to Noise and Interference Ratio)을 최적화하는 빔 형성 알고리즘을 사용하여 빔 형성 가중치 벡터 w(M×1)를 구한다. 이때 여러 간섭 방향으로부터 수신되는 신호를 분석하여 AS가 크거나 이동 속도가 빠른 방향으로는 본 발명에서 제안된 넓은 널을 가지고, 그 이외의 방향으로는 기존의 좁고 깊은 널을 가지는 빔 패턴을 형성한다. 계산된 가중치 벡터 w값으로 가입자 신호 s는 로 추정된다.

복합 안테나 가중치(Complex antenna weights)를 계산하는 알고리즘으로는 MVB(Minimum Variance beamformer), GOB(General Optimum beamformer) 등 여러 가지가 있지만 본 실시예에서는 Capon's beamformer를 변형한 modified Capon's beamformer를 사용하도록 한다. 기본적인 Capon's beamformer에서 가중치 벡터는 하기의 수학식 1에서와 같이 계산된다.

수학식 1에서 a는 ULA로서 가입자 AOA을 조정하는 벡터로써, 하기의 수학식 2와 같이 결정된다.

수학식 2에서 d는 안테나 소자간의 거리이고, 은 업링크(역방향) 파장 길이이다. 기본적인 Capon's beamformer로 만들어진 가중치 벡터를 사용하면 빔의 모양이 간섭 방향으로 날카로운 널을 형성하게 된다. 따라서 수학식 1 및 수학식 2는 AS가 작고 속도가 느린 간섭 방향의 널을 생성하기 위해 사용된다.

다음으로, 특정 방향에 대해서는 날카롭지 않고 플랫(flat)한 널을 만드는 빔 패턴 합성에 관하여 기술하도록 한다. 설명을 위해, 하기의 수학식 3으로 표기되는, 잘 알려진 입력신호의 코배리언스 매트릭스(M×M matrix), 대신에 AOA 추정에 기반을 둔 값으로 하기의 수학식 4와 같이 표기할 수 있다.

여기서 A는 단말(100-1)에 대한 간섭 AOA의 추정 값들을 조정하는 행렬이고,은 노이즈 파워, I는 단위 행렬(Identity matrix)이다. 행렬 A는 하기의 수학식 5와 같이 표기될 수 있다.

한편, 간섭의 특정 AOA들을 널로 만들기 위해서 기존의 가중치 벡터 w는 하기의 수학식 6을 만족해야 한다.

본 발명에서 제안하는 방법은 수학식 6을 만족하는 조건에 의해 생성되는 널의 넓이를 넓히기 위해서 하기의 수학식 7과 같이 도함수의 차수를 제한한다.

여기서 N은 널의 차수이고 이다. 다시 어레이 조정 벡터(array steering vector)를 고려하여 나타내면, 수학식 6은 하기의 수학식 8과 같이 표기될 수 있다.

수학식 9를 수학식 8에 적용하면, 본 발명에서 제안한 변경된 코배리언스 매트릭스(modified covariance matrix)는 하기의 수학식 10과 같이 표기된다.

즉, 본 발명에서 제안한 좀 더 넓은 널을 가지는 가중치 벡터, 는 수학식 1에 대하여 수학식 2 대신 수학식 10을 사용하여 하기의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 11을 이용하면 간섭 방향으로 넓은 널을 가지는 빔 패턴을 형성할 수 있게 된다. 즉, 최종적으로 구해진 수학식 11의 가중치 벡터, 가 업링크 빔형성기(beamformer)에 적용되어 업링크 빔 패턴을 생성하게 된다. TDD 시스템에서는 업링크의 반송파 주파수와 다운링크의 반송파 주파수가 동일하므로, 수학식 11을 다운링크에 적용하여 원하는 형태의 빔을 형성할 수 있게 된다.

다음으로, 업링크의 반송파 주파수와 다운링크의 반송파 주파수가 서로 다른 FDD 시스템에 본 발명을 적용하는 실시예에 대해 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도면으로, FDD(Frequency Division Duplex) 통신 시스템에 본 발명을 적용하는 경우의 동작을 도시하는 순서흐름도이다.

FDD 시스템인 경우 업링크의 반송파 주파수와 다운링크의 반송파 주파수의 차이로 인해 업링크에서 획득한 가중치 벡터를 다운링크에 그대로 적용하면 스마트 안테나(110)는 요구되는 빔 패턴과 차이가 있는 형태의 빔을 생성하게 된다. 이러한 차이를 보완하기 위해서 FDD 시스템의 BTS(120)에서는 다운링크의 빔 패턴을 형성하기 위한 가중치 벡터에 대한 반송파 주파수 교정(carrier frequency calibration) 과정이 필요하게 된다. 이를 고려하여 도 5에 도시된 실시예를 설명한다.

도 5의 제 500단계 내지 제 504단계는 도 4의 제 400단계 내지 제 404단계와 동일하므로, 그에 대한 별도의 기술은 생략하도록 한다. 또, 도 5의 제 508단계 내지 제 516단계는 도 4의 제 406단계 내지 제 414단계와 동일하므로, 이에 대한 기술도 생략한다.

FDD 시스템에서는 업링크 반송파 주파수와 다운링크 반송파 주파수의 차이로 인하여 업링크에서 획득한 정보를 이용하여 형성한 빔 패턴을 다운링크에 적용하기 위해서는 업링크 반송파 주파수와 다운링크 반송파 주파수의 차이를 고려하여 교정된 빔 패턴을 형성하여야 한다. 도 5에 도시된 제 506단계의 반송파 주파수 계산이 FDD 시스템에서의 반송파 주파수의 차이를 고려하여 빔 패턴을 교정하는 과정이다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.

앞서 언급한 반송파 주파수 차이(carrier frequency difference) 는 하기의 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.

여기서 은 각각 다운링크 반송파 주파수, 업링크 반송파 주파수이다.

를 이용하여 가능한 여러 가지의 반송파 주파수 교정 방법이 있는데, 본 발명에서는 업링크에서 생성된, 수신 안테나 가중치를 만큼 로테이트(rotate)한 값을 사용하여 송신 안테나 가중치를 계산하는 방법을 예로 들어 설명한다. 이때, 로테이트 값은 하기의 수학식 13과 같이 표시된다.

이 값을 이용하여 반송파 주파수를 교정한 후의 송신 안테나 가중치는 하기의 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.

수학식 14에서 는 의 j 번째 항이다. FDD 시스템에서는 수학식 14를 사용하여 반송파 주파수 차이를 고려하여 교정된 가중치 벡터를 계산함으로써 다운링크에 대하여 원하는 널을 가지는 빔 패턴을 형성할 수 있다.

다음으로, 상술한 바와 같은 본 발명을 실시한 결과를 도면을 참조하여 살펴본다.

도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 적용 결과를 보여주는 도면들로, 좁은 널을 생성하는 빔 패턴과, 넓은 널을 생성하는 빔 패턴을 비교하여 도시하고 있다.

도 6은 업링크에서 8개의 소자를 갖는 ULA에 대한 전력 빔 패턴(power beam pattern)이다.

단말(100)의 AOA는 0도이고 간섭의 AOA는 60도와 -40도 두 방향에 존재한다. 도 6에서 실선은 수학식 1을 사용하는 좁은 널을 선택하는 경우에 생성되는 빔 패턴이고, 점선 1(---)과 점선 2(-·-·-)는 수학식 11을 사용하는 넓은 널은 선택하는 경우에 생성되는 빔 패턴들이다. 특히 점선 1은 수학식 11에서 널의 차수를 1(N=1)로 하여 측정한 빔 패턴이고, 점선 2(-·-·-)는 수학식 11에서 널의 차수를 2(N=2)로 하여 측정한 빔 패턴이다.

도 7은 FDD 시스템에서 반송파 주파수 교정을 수행한 후의 다운링크 전력 패턴을 나타낸 것이다.

이때 실선의 가중치 벡터는 수학식 1을 사용하여 계산한 업링크 결과에 수학식 12에 의한 각 보정(angular correction)을 적용한 결과이고, 점선 1과 점선 2는 수학식 11을 이용하여 계산된 업링크 결과에 수학식 12에 의한 각 보정을 적용한 결과이다.

도 8 및 도 9는 업링크에서 노이즈 전력 이 전력 빔 패턴에 미치는 영향을 실험한 것이다. 도 8 및 도 9의 모든 환경은 도 6과 동일하다. 도 8은 신호 전력이 1이라고 했을 때 노이즈 전력을 0.5로 설정하여 시뮬레이션(simulation)한 결과이고, 도 9는 신호 전력을 1이라고 했을 때 노이즈 전력을 0.00001로 하여 시뮬레이션(simulation)한 결과이다.

도 6 내지 도 9에 도시된 측정 결과에서 볼 수 있듯이, 본 발명을 적용하면, 원하는 위치에 넓은 널을 생성할 수 있게 된다. 이를 통하여 스마트 안테나를 사용하는 시스템은 AOA 추정 오차가 큰 통신 환경에서 간섭의 영향을 덜 받게 된다.

또, 본 발명은 스마트 안테나 기술에서 사용되는 AOA 추정에서 흔히 발생하는 AOA 추정 오차가 클 때에는 간섭 방향의 널 형성을 추가적으로 넓게 하여 시스템이 AOA 추정 오차로 인한 영향을 덜 받게 하고, AOA 추정 오차가 작을 때는 좁은 널을 사용함으로써 가입자가 처한 환경에 최적화 된 신호 대 잡음비를 얻을 수 있는 시스템 구현이 가능하게 한다.

본 발명을 사용함으로써, 스마트 안테나가 통신 환경에 따라 발생하는 AOA 추정 오차로 인해 발생하는 영향을 적게 받도록 제어할 수 있게 된다. 또, AOA 추정 오차가 크게 발생하는 경우와 적게 발생하는 경우에 서로 다른 널을 선택하여 생성할 수 있도록 함으로써 가입자가 처한 환경에 최적화 된 신호 대 잡음비를 얻을 수 있도록 스마트 안테나를 구현할 수 있게 된다. 이를 통해 외곽 지역은 물론, AOA 추정 오차가 크게 발생하는 도심 지역에서도 스마트 안테나를 효과적으로 사용할 수 있게 된다.

도 1은 이동통신 환경을 도시하는 도면.

도 2는 스마트 안테나를 사용하여 단말에 통신 서비스를 제공하는 기지국을 도시하는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 도면으로, 스마트 안테나를 제어하기 위한 기지국의 채널 카드의 구성을 도시하는 블록구성도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도면으로, TDD(Time Division Duplex) 통신 시스템에 본 발명을 적용하는 경우의 동작을 도시하는 순서흐름도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도면으로, FDD(Frequency Division Duplex) 통신 시스템에 본 발명을 적용하는 경우의 동작을 도시하는 순서흐름도.

도 6 내지 도 9는 종래기술에 따른 빔 패턴과 본 발명에 따른 빔 패턴을 나타내는 도면.

Claims (10)

1. 스마트 안테나를 사용하여 적어도 하나의 단말에 통신 서비스를 제공하는 이동통신 시스템의 기지국에서 상기 스마트 안테나를 제어하는 장치에 있어서,

   상기 단말로부터 수신되는 업링크 신호를 입력받아 AOA(Angle Of Arrival)를 추정하는 AOA 추정부와,

   상기 AOA 추정부로부터 AOA 추정 값을 입력받아 상기 단말의 통신 환경에 따른 빔 패턴 형성 조건을 판단하여 상기 스마트 안테나가 생성할 빔 패턴을 결정하는 통신 환경 판단부와,

   상기 스마트 안테나가 상기 결정된 패턴의 빔을 생성할 수 있도록 하는 가중치 벡터를 계산하는 가중치 벡터 계산부와,

   상기 계산된 가중치 벡터 값에 따른 패턴의 빔을 생성하도록 하는 제어신호를 생성하여 상기 스마트 안테나에 출력하는 빔 형성부를 포함하는 스마트 안테나 제어 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 빔 패턴 형성 조건은 AOA의 AS(Angular Spread) 및 속도인 스마트 안테나 제어 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 통신 환경 판단부는, AOA의 AS가 크면 상기 스마트 안테나가 제 1 빔 패턴에 따른 빔을 생성하도록 결정하고, AOA의 AS가 작으면 상기 스마트 안테나가 제 2빔 패턴에 따른 빔을 생성하도록 결정하는 스마트 안테나 제어 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 통신 환경 판단부는, AOA의 속도가 빠르면 상기 스마트 안테나가 제 1 빔 패턴에 따른 빔을 생성하도록 결정하고, AOA의 AS가 작으면 상기 스마트 안테나가 제 2 빔 패턴에 따른 빔을 생성하도록 결정하는 스마트 안테나 제어 장치.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 가중치 벡터 계산부는 하기의 수학식을 사용하여 제 1 빔 패턴을 형성하고,

   단,

   ,d는 스마트 안테나 소자간의 거리, lambda_UP은 업링크 파장 길이이다.

   하기의 수학식을 사용하여 제 2 빔 패턴을 형성하는 스마트 안테나 제어 장치.

   단,

   ,d는 스마트 안테나 소자간의 거리, lambda_UP은 업링크 파장 길이이다.
6. 제 1항에 있어서, 상기 이동통신 기지국이 TDD(Time Division Duplex) 방식의 기지국이면, 상기 가중치 벡터 계산부는 업링크 및 다운링크의 빔 패턴 생성을 위해 동일한 가중치 벡터를 계산하는 스마트 안테나 제어 장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 기지국이 FDD(Frequency Division Duplex) 방식의 기지국이면, 상기 가중치 벡터 계산부는 업링크 빔 패턴 생성을 위한 가중치 벡터를 계산하기 위해서는 하기의 수학식을 사용하고,

   단,

   ,d는 스마트 안테나 소자간의 거리, lambda_UP은 업링크 파장 길이이다.

   다운링크 빔 패턴 생성을 위한 가중치 벡터를 계산하기 위해서는 업링크 반송파 주파수와 다운링크 반송파 주파수의 차이를 교정한 하기의 수학식을 사용하는 스마트 안테나 제어 장치.

   단,
8. 스마트 안테나를 사용하여 적어도 하나의 단말에 통신 서비스를 제공하는 이동통신 시스템의 기지국에서 상기 스마트 안테나를 제어하는 방법에 있어서,

   상기 단말로부터 수신되는 업링크 신호를 입력받아 AOA(Angle Of Arrival)를 추정하는 제 1단계와,

   상기 AOA 추정 값을 입력받아 상기 단말의 통신 환경에 따른 빔 패턴 형성 조건을 판단하여 상기 스마트 안테나가 생성할 빔 패턴을 결정하는 제 2과정과,

   상기 스마트 안테나가 상기 결정된 패턴의 빔을 생성할 수 있도록 하는 가중치 벡터를 계산하는 제 3과정과,

   상기 스마트 안테나를 통해 상기 가중치 벡터를 만족하는 패턴의 빔을 생성하는 제 4과정을 포함하는 스마트 안테나 제어 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 제 2과정은,

   상기 AOA의 AS를 소정의 기준 값과 비교하고, 상기 AOA의 AS가 소정의 기준 값보다 크면 제 1 빔 패턴을 형성하도록 결정하는 과정과,

   상기 AOA의 속도를 소정의 기준 값과 비교하여, 상기 AOA의 속도가 소정의 기준 값보다 빠르면 제 1 빔 패턴을 형성하도록 결정하는 과정을 포함하는 스마트 안테나 제어 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 기지국이 FDD 방식의 기지국이면, 상기 제 3과정은,

    하기의 수학식을 사용하여 업링크의 빔 패턴 형성을 위한 가중치 벡터를 계산하는 과정과,

    단,

    ,d는 스마트 안테나 소자간의 거리, 은 업링크 파장 길이이다.

    하기의 수학식을 사용하여 업립크의 반송파 주파수와 다운링크의 반송파 주파수의 차이가 교정된, 다운링크의 빔 패턴 형성을 위한 가중치 벡터를 계산하는 과정을 포함하는 스마트 안테나 제어 방법.

    단,