KR20010105470A - method for measuring launch angle of signal in adaptive array antenna - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이동통신에 있어서, 특히 적응 배열 안테나(adaptive array antenna)를 통해 입사되는 신호의 방향을 추정하기 위한 적응 배열 안테나의 신호 입사각 측정 방법에 관한 것으로, 안테나로 입사되는 신호의 방향벡터를 추정하는 단계와, 상기 추정된 방향벡터의 다수 벡터성분들 중에서 인접한 상기 안테나의 배열 소자들간 벡터성분의 비율연산을 통해 상기 안테나의 각 배열 소자들간의 위상차들을 구하는 단계와, 상기 구해진 위상차들에 대해 평균을 취하여 상기 안테나로 입사되는 신호의 방향각을 추정하는 단계로 이루어지는 적응 배열 안테나의 신호 입사각 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a signal incident angle measuring method of an adaptive array antenna for estimating a direction of a signal incident through an adaptive array antenna in mobile communication. Obtaining phase differences between the array elements of the antenna through a ratio operation of vector components between adjacent array elements of the antenna among the plurality of vector components of the estimated direction vector, and averaging the obtained phase differences And estimating a direction angle of a signal incident to the antenna by using a method.
Description
본 발명은 이동통신에 관한 것으로, 특히 적응 배열 안테나(adaptive array antenna)를 통해 입사되는 신호의 방향을 추정하기 위한 적응 배열 안테나의 신호 입사각 측정 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to mobile communications, and more particularly, to a method of measuring an incident angle of a signal of an adaptive array antenna for estimating a direction of a signal incident through an adaptive array antenna.
안테나는 마르코니에 의해 무선통신시대가 열리면서 수많은 형태로 개발되어 왔으며, 사용목적과 주파수 대역에 따라 안테나의 크기와 형태가 달리 사용된다.The antenna has been developed in numerous forms by the wireless communication era by Marconi, and the size and shape of the antenna are different depending on the purpose of use and the frequency band.
안테나에 대한 연구 개발은 오늘날에도 계속되고 있으며, 최근에는 세계적으로 적응 배열 안테나 기술을 근간으로 한 마이크로스트립 안테나, 스마트 안테나,위성통신용 위상 배열 안테나 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Research and development of antennas continues today, and recently, researches on microstrip antennas, smart antennas, and phased array antennas for satellite communication based on adaptive array antenna technology have been actively conducted worldwide.
일반적으로 적응 배열 안테나 기술은 통신 성능 저하의 원인이 되는 무선상의 페이딩(fading)이나 음영현상(shadowing) 등을 효과적으로 제거하기 위한 하나의 기법이다.In general, the adaptive array antenna technology is a technique for effectively eliminating fading or shadowing on the radio, which causes communication performance degradation.
적응 배열 안테나는 복소 가중치 함수의 조합으로 입사신호의 진폭과 위상을 제어한다. 즉 적응 배열 안테나 기법은 그의 복소 가중치를 적응적으로 제어하여 안테나의 방향성을 결정한다.Adaptive array antennas control the amplitude and phase of the incident signal by a combination of complex weighting functions. That is, the adaptive array antenna technique adaptively controls its complex weight to determine the antenna's directionality.
이러한 적응 배열 안테나는 안테나 배열의 개수와 빔 폭(beam width)에 따라 시스템 성능에 영향을 준다. 더욱 상세하게 안테나 배열의 개수가 많을수록 시스템이 좋은 성능을 나타내며, 빔 폭이 좁을수록 좋은 성능을 나타낸다.Such an adaptive array antenna affects system performance depending on the number of antenna arrays and the beam width. More specifically, the larger the number of antenna arrays, the better the system performance. The narrower the beam width, the better the performance.
지금까지 설명된 적응 배열 안테나에서는 그로 입사되는 신호의 방향을 추정하는 것이 중요하다.In the adaptive array antenna described so far, it is important to estimate the direction of the signal incident thereon.
종래에는 적응 배열 안테나에서 입사신호의 방향각을 추정하는 기법 중 하나로, 입사신호의 자기상관행렬(auto correlation matrix)을 고유치 분해하여 신호공간과 잡음공간으로 구분하고 각각의 신호공간과 잡음공간의 성질을 이용하여 배열 안테나의 방향각을 구하는 기법이 있다.Conventionally, one of the techniques for estimating the direction angle of an incident signal in an adaptive array antenna. The autocorrelation matrix of an incident signal is separated into eigenvalue decomposition and divided into a signal space and a noise space. There is a technique to find the direction angle of the array antenna using.
또한 상기 기법이외에도 종래에는 다음의 또다른 방향각 추정 기법이 있었다.In addition to the above technique, the following another direction angle estimation technique has conventionally existed.
그에 대해 설명하면, 일단 입사신호의 방향벡터를 추정한 후 그 추정된 방향벡터가 배열 안테나의 가중치 벡터라고 가정하여 배열 안테나의 출력전력함수를 구한다. 이 때 배열 안테나의 출력전력은 θ함수로 나타내진다.In this regard, once the direction vector of the incident signal is estimated, the output power function of the array antenna is obtained by assuming that the estimated direction vector is a weight vector of the array antenna. At this time, the output power of the array antenna is represented by θ function.
이후 그 구해진 함수에서 출력전력이 최대가 되는 θ값을 그 배열 안테나의 방향각으로 추정한다.Then, the value of θ that maximizes the output power in the obtained function is estimated as the direction angle of the array antenna.
그러나, 종래의 방향각 추정 기법에서는, 일단 방향벡터()를 추정한 후 다시 가정된 출력전력함수(P(θ))를 구한다. 또한 이후 출력전력함수(P(θ))에서 출력전력을 최대로 하는 θ값을 알아내야 한다.However, in the conventional direction angle estimation technique, one direction vector ( After estimating), the hypothesized output power function P (θ) is again obtained. In addition, it is necessary to find the value of θ that maximizes the output power in the output power function P (θ).
따라서 이러한 종래의 방향각 추정 과정에서는 출력전력의 최대값을 알아내기 위해 θ값을 일정 간격으로 변화시키면서 그 간격마다의 출력전력을 구해야 하기 때문에 너무 많은 계산이 필요하다는 단점이 있다. 물론 계산이 복잡함에 따른 결과의 명확성이 떨어진다.Therefore, this conventional direction angle estimation process has a disadvantage in that too many calculations are required because the output power for each interval must be obtained while changing the θ value at regular intervals to find the maximum value of the output power. Of course, the complexity of the calculations makes the results less clear.
결국 최종적으로 구해지는 입사신호 방향각()의 정확도가 저하되는 문제로 인해 전체 시스템 성능의 향상을 기대하기가 어렵다.Finally, the incident signal direction angle (finally obtained) ), It is difficult to expect an improvement in overall system performance due to the problem of deterioration of the accuracy.
본 발명의 목적은 상기한 점들을 감안하여 안출한 것으로, 특히 이동통신 시스템의 보다 나은 성능 향상을 위해 사용되는 적응 배열 안테나의 입사신호 방향각을 보다 간단한 연산을 통해 추정할 수 있도록 한 적응 배열 안테나의 신호 입사각 측정 방법을 제공한다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention has been made in view of the above-mentioned points, and in particular, an adaptive array antenna capable of estimating an incident signal direction angle of an adaptive array antenna used for better performance of a mobile communication system through a simple calculation. It provides a signal incident angle measurement method of.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적응 배열 안테나의 신호 입사각 측정 방법의 특징은, 안테나로 입사되는 신호의 방향벡터를 추정하는 단계와,상기 추정된 방향벡터의 다수 벡터성분들 중에서 인접한 상기 안테나의 배열 소자들간 벡터성분의 비율연산을 통해 상기 안테나의 각 배열 소자들간의 위상차들을 구하는 단계와, 상기 구해진 각 위상차들에 의해 계산되는 방향각들()에 대해 평균을 취하여 상기 안테나로 입사되는 신호의 방향각()을 추정하는 단계로 이루어진다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of measuring a signal incidence angle of an adaptive array antenna according to the present invention. Obtaining phase differences between respective array elements of the antenna through ratio calculation of vector components between array elements of the antenna, and direction angles calculated by the obtained phase differences ( Is averaged to the direction angle of the signal incident on the antenna ( ) Is estimated.
바람직하게는, 상기 추정되는 입사신호 방향각()이 상기 안테나 입사신호의 방향벡터가 N개의 벡터성분로 이루어질 경우에인 각 안테나 배열 소자들간의 위상차를 구하고, 구해진 각 위상차에 의해 계산되는 방향각들()에 대한 평균을 취함으로써 추정된다.Preferably, the estimated incident signal direction angle ( ) N vector components of the direction vector of the antenna incident signal If done with Obtain the phase difference between each antenna array element, and calculate the direction angles Is estimated by taking the average for.
여기서, 상기 추정된 방향벡터의 오차가 정해진 기준에 만족될 경우, 상기 방향각()은 상기 구해진 위상차들의 합을 (N-1)π로 나눈 값에 대한 역정현각으로써 추정된다.Here, when the error of the estimated direction vector satisfies a predetermined criterion, the direction angle ( ) Is estimated as the inverse sinusoidal angle with respect to the sum of the obtained phase differences divided by (N-1) π.
도 1은 본 발명의 적응 배열 안테나의 신호 입사각 측정을 위한 블록구성도.1 is a block diagram for measuring the signal incident angle of the adaptive array antenna of the present invention.
도 2는 본 발명의 N개의 소자로 구성된 적응 배열 안테나를 나타낸 도면.2 shows an adaptive array antenna composed of N elements of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10 : 배열 안테나 20 : 방향벡터 추정부10: array antenna 20: direction vector estimator
30 : 방향각 추정부30: direction angle estimation unit
이하 본 발명에 따른 적응 배열 안테나의 신호 입사각 측정 방법에 대한 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a signal incident angle measuring method of an adaptive array antenna according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명에서는 일단 입사신호의 방향벡터()를 추정하고, 그 추정된 방향벡터의 N개의 벡터성분들에 대한 비율을 계산하여 각 인접한 안테나 배열 소자들간의 위상차()를 구한다. 그후 다음 식 1에 보인 바와 같이각 위상차들에서 (N-1)개의 각 방향각()을 구하고 또한 평균을 취하여 배열 안테나의 최종 방향각()을 추정한다.In the present invention, the direction vector of the incident signal ( ) And calculate the ratio of the N vector components of the estimated direction vector to calculate the phase difference between the adjacent antenna array elements ( ) Then, as shown in Equation 1, at each phase difference, (N-1) angular directions ( ) And also averaged to determine the final direction angle of the array antenna ( Estimate).
그러나, 본 발명에서는 추정된 방향벡터의 오차가 충분히 작아 정해진 기준에 만족될 경우라면, 입사신호의 방향각()은 구해진 위상차들의 합을 (N-1)π로 나눈 값에 대한 역정현각으로써 추정된다. 즉 다음 식 2와 같은 근사식에 의해 입사신호의 최종 방향각()이 추정된다.However, in the present invention, if the error of the estimated direction vector is sufficiently small to satisfy the predetermined criterion, the direction angle of the incident signal ( ) Is estimated as the inverse sinusoidal angle with respect to the sum of the obtained phase differences divided by (N-1) π. That is, the final direction angle of the incident signal ) Is estimated.
다음은 본 발명에 대해 보다 상세히 설명한다.The following describes the present invention in more detail.
도 1은 본 발명의 적응 배열 안테나의 신호 입사각 측정을 위한 블록구성도로써, 본 발명의 신호 입사각 측정을 위한 장치는 크게 배열 안테나(10)와, 방향벡터 추정부(20)와 방향각 추정부(30)로 구성된다.1 is a block diagram for measuring the signal incident angle of the adaptive array antenna of the present invention, the apparatus for measuring the signal incident angle of the present invention is largely an array antenna 10, a direction vector estimator 20 and a direction angle estimator It consists of 30.
또한 도 2에는 배열 안테나(10)의 각 소자들간의 파장과 입사신호 형태를 나타내었다.In addition, FIG. 2 shows wavelengths and incident signals between elements of the array antenna 10.
본 발명에서는 배열 안테나(10)가 N개의 안테나 소자로 구성되며, 인접한 두 안테나 소자들간의 파장이 "λ/2"인 선형 배열 안테나일 때를 중심으로 설명한다.따라서 도 1의 배열 안테나(10)는 N개의 안테나 소자들이 입사신호 파장의 1/2 간격으로 떨어진 선형 배열 안테나이다.In the present invention, the array antenna 10 is composed of N antenna elements, and a description will be given focusing on a case where the array antenna 10 is a linear array antenna whose wavelength between two adjacent antenna elements is " λ / 2. " ) Is a linear array antenna in which N antenna elements are spaced at half the interval of the incident signal wavelength.
일단은 배열 안테나(10)로의 신호가 θ의 각으로 입사된다고 가정하면, 각 안테나 소자로 수신된 입사신호간에는 시간지연이 생긴다.Once assuming that the signal to the array antenna 10 is incident at an angle of θ, a time delay occurs between the incident signals received at each antenna element.
이러한 입사신호간 시간지연으로 인하여 인접된 두 안테나 소자들간에는(여기서 d는 인접되는 각 안테나 소자들간에 생기는 시간지연)의 위상차가 생긴다. 본 발명에서는 이러한 인접 안테나 소자들간의 위상차를 사용한다.Due to the time delay between the incident signals, the two adjacent antenna elements (Where d is a time delay between adjacent antenna elements). The present invention uses the phase difference between these adjacent antenna elements.
N개의 안테나 소자들로 이루어진 배열 안테나(10)에서 θ방향으로 입사되는 신호의 방향벡터는 다음 식 3과 같다.The direction vector of the signal incident in the θ direction from the array antenna 10 including N antenna elements is shown in Equation 3 below.
본 발명에서는 상기 식 3의 방향벡터를 이용하여 배열 안테나(10)의 출력전력함수를 구한 후 그 함수에서 출력전력이 최대가 되는 θ값을 그 배열 안테나(10)의 방향각으로 추정하는 기법을 사용하지 않는다. 본 발명에서는 상기 식 3의 방향벡터로부터 직접 입사신호의 방향각()을 추정한다.In the present invention, a method of estimating the output power function of the array antenna 10 using the direction vector of Equation 3 and then estimating the θ value at which the output power is the maximum in the function as the direction angle of the array antenna 10 is described. Do not use. In the present invention, the direction angle of the direct incident signal ( Estimate).
이를 위해 방향벡터 추정부(20)는 일단 배열 안테나(10)로 입사되는 신호의 방향벡터()를 추정한다. 이 때 방향벡터는 안테나 소자 개수와 동일한 개수의 벡터성분을 갖는다. 따라서 안테나 소자 개수가 N개이므로 N개의 방향벡터성분을 추정할 수 있으며, 각 방향벡터성분은 각 안테나 소자와 대응관계에 있다.To this end, the direction vector estimator 20 is a direction vector of a signal incident to the array antenna 10 once. Estimate). At this time, the direction vector has the same number of vector components as the number of antenna elements. Therefore, since the number of antenna elements is N, N direction vector components can be estimated, and each direction vector component corresponds to each antenna element.
그 후 방향각 추정부(30)는 방향벡터 추정부(20)에서 추정된 방향벡터의 N개의 벡터성분들에 대한 비율을 계산하여 각 인접한 안테나 배열 소자들간의 위상차()를 구하는데, 그 백터성분들을 다음 식 4와 같이 나타낼 때 각 배열 소자들간의 위상차는 다음 식 5가된다.After that, the direction angle estimator 30 calculates a ratio of the N vector components of the direction vector estimated by the direction vector estimator 20 to obtain a phase difference between adjacent antenna array elements. ), And when the vector components are expressed as in Equation 4, the phase difference between the array elements becomes Equation 5.
그리고 상기 식 1과 같이 구해진 위상차들로부터 (N-1)개의 방향각들()이 구해지며, 이렇게 구해진 (N-1)개의 방향각들()에 대한 평균을 취하여 입사신호의 최종 방향각()을 추정한다.And (N-1) direction angles (from the phase differences obtained as in Equation 1) ) Is obtained and the (N-1) direction angles ( Is averaged over) and the final direction angle ( Estimate).
그런데 본 발명의 방향벡터 추정부(20)에서 추정된 방향벡터의 오차가 충분히 작아 정해진 기준에 만족될 경우라면, 방향각 추정부(30)에서 구해지는 배열 안테나(10)의 입사신호 방향각()은 구해진 위상차들의 합을 (N-1)π로 나눈 값에 대한 역정현각으로써 추정되는데, 더욱 상세하게 방향각 추정부(30)는 상기한 식 2와 같은 근사식에 의해 입사신호의 방향각을 추정한다.However, when the error of the direction vector estimated by the direction vector estimator 20 of the present invention is sufficiently small to satisfy the predetermined criterion, the incident signal direction angle of the array antenna 10 obtained by the direction angle estimator 30 ( ) Is estimated as an inverse sinusoidal angle with respect to a value obtained by dividing the sum of phase differences obtained by (N-1) π. More specifically, the direction angle estimator 30 uses the approximation equation as in Equation 2 to describe the direction angle of the incident signal. Estimate
지금까지의 설명은 선형 배열 안테나의 경우를 예로든 것이므로, 인접 배열안테나간의 위상차를로 하여 설명하였다.The description so far has taken the case of a linear array antenna, so the phase difference between adjacent antennas It demonstrated as.
그러나 본 발명의 신호 입사각 측정 방법은 원형의 적응 배열 안테나에도 적용할 수 있다.However, the signal incident angle measuring method of the present invention can be applied to a circular adaptive array antenna.
특히 본 발명을 통해 구해진 배열 안테나의 입사신호 방향각()은 가입자 단말의 위치를 추정하기 위한 위치 추정 서비스에 응용될 수 있다. 다시 말해서 신호의 도착시간(time of arrival)이나 신호의 도착시간차(time difference of arrival) 등의 시간측정에 의해 가입자 단말의 위치를 추정하는 서비스나, 신호의 도착각(angle of arrival)으로 가입자 단말의 방향을 탐지하는 위치 추정 서비스에 적용된다.In particular, the incident signal direction angle of the array antenna obtained through the present invention ( ) May be applied to a location estimation service for estimating the location of the subscriber station. In other words, the subscriber station is a service for estimating the location of the subscriber station by time measurement such as a time of arrival of a signal or a time difference of arrival of a signal, or an angle of arrival of a signal. Applies to location estimation services to detect the direction of.
또한 본 발명을 통해 추정된 배열 안테나의 입사신호 방향각()은 순방향 빔 형성을 통해 안테나의 방향성을 결정하는데 있어서 가중치 벡터를 생성하는데 적용되며, 또한 순방향 빔 패턴을 발생시키는 데 적용된다.In addition, the incident signal direction angle of the array antenna estimated through the present invention ( ) Is applied to generate the weight vector in determining the directionality of the antenna through forward beamforming, and also to generate the forward beam pattern.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 적응 배열 안테나의 신호 입사각 측정 방법을 사용할 경우에는, 방향벡터를 이용하여 배열 안테나의 출력전력함수를 구한 후 그 함수에서 출력전력이 최대가 되는 θ값을 그 배열 안테나의 방향각으로 추정하는 기법에 비해 방향각 추정을 위한 연산이 훨씬 간단해지며, 또한 추정되는 방향각의 정확도가 더욱 보장된다.As described above, in the case of using the method of measuring the signal incidence angle of the adaptive array antenna according to the present invention, the output power function of the array antenna is obtained by using a direction vector, and then the? Compared to the method of estimating the direction angle of the antenna, the calculation for the direction angle estimation is much simpler, and the accuracy of the estimated direction angle is more guaranteed.
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