KR20020037965A - System and method for downlink beamforming using uplink array response vector - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 역방향 배열 응답 벡터를 이용한 순방향 빔 형성 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 원하는 사용자가 위치한 방향에서 최대 이득을 가지고, 다른 사용자에 대한 간섭 신호를 줄이기 위하여 부엽 레벨이 낮은 송신 안테나 빔을 형성하는 순방향 빔 형성 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a forward beamforming system and a method using a reverse array response vector, and more specifically, to a transmission having a maximum gain in a direction in which a desired user is located and a low side lobe level in order to reduce interference signals to other users. A forward beamforming system and method thereof for forming an antenna beam.
적응 배열 안테나 기지국 시스템에서 순방향 빔형성기법으로 다른 사용자가 위치한 방향으로 송신하는 신호 전력을 최소로 하면서 원하는 사용자에게 신호를 송신하는 '최대 신호대 간섭비' 방법이 있다. 이 방법은 모든 사용자에 대한 공간 상관 행렬을 필요로 하므로 사용자의 수가 증가하는 경우, 계산량이 급격히 증가한다. 또한, 사용자 수가 배열 안테나 방사 소자 개수보다 월등히 많아지면 송신 안테나 빔에서 널(null)을 형성하여 간섭 신호를 충분히 제거해 줄 수 있다는 잇점이 줄어든다.In the adaptive array antenna base station system, there is a 'maximum signal-to-interference ratio' method in which a signal is transmitted to a desired user while minimizing signal power transmitted in a direction in which another user is located using a forward beamforming technique. This method requires a spatial correlation matrix for all users, so when the number of users increases, the amount of calculation increases rapidly. In addition, if the number of users is much larger than the number of array antenna radiating elements, the advantage of reducing the interference signal by forming a null in the transmitting antenna beam is sufficiently reduced.
따라서, 다른 사용자의 방향을 전혀 고려하지 않고, 원하는 사용자가 위치한 방향으로 송신 안테나의 이득을 최대로 하여 단말기에서 신호 대 잡음비를 최대로 하는 '최대 신호대 잡음비' 방법이 다소 저하된 성능을 보임에도 불구하고, 구현이 간단하므로, 적응 배열 안테나 기지국 시스템에 적합하다. 이 '최대 신호대 잡음비' 방식은 송신 안테나 응답 벡터를 순방향 빔 형성 가중치 벡터로 활용하는 것으로서, 그로 인하여 형성된 안테나 패턴에서 부엽 레벨을 감소시키기 위하여 빔 형성 가중치에 윈도우나 부엽 레벨 조정 계수를 곱하는 방식이 배열 안테나를 이용하는 다른 응용 분야에서 많이 활용되어 왔다.Therefore, the maximum signal-to-noise ratio method, which maximizes the signal-to-noise ratio in the terminal by maximizing the gain of the transmitting antenna in the direction in which the desired user is located, does not consider the direction of other users at all, even though the performance is somewhat degraded. In addition, since the implementation is simple, it is suitable for an adaptive array antenna base station system. This 'maximum signal-to-noise ratio' method utilizes the transmit antenna response vector as the forward beamforming weight vector, and the beamforming weight is multiplied by the window or sidelobe level adjustment coefficient to reduce the sidelobe level in the formed antenna pattern. It has been widely used in other applications using antennas.
한편 종래의 '최대 신호대 잡음비' 방식에도 여러 가지 문제점이 있는 바,이를 살펴보면 다음과 같다.Meanwhile, there are various problems in the conventional 'maximum signal-to-noise ratio' method.
첫째, FDD 방식에서는 송수신 주파수가 서로 다르므로, 이에 따라 안테나 응답 벡터도 상이하다. 일반적으로 순방향 빔 형성 알고리즘은 역방향에서 구한 안테나 응답 벡터를 활용하는 경우가 많은데, 이때 주파수에 따른 안테나 응답 벡터의 변화를 고려하여야 한다는 문제점이 있다.First, in the FDD scheme, since the transmit and receive frequencies are different, the antenna response vectors are different accordingly. In general, the forward beamforming algorithm often uses the antenna response vector obtained in the reverse direction, but there is a problem in that the change of the antenna response vector according to the frequency is considered.
둘째, 다른 사용자에게 보내는 신호를 줄이기 위해서는 윈도우를 이용하여 송신 빔의 부엽 레벨을 낮추어야 한다. 윈도우를 곱한 빔 형성 가중치 벡터는 송신 빔의 부엽 레벨을 낮추게 하므로, 다른 배열 안테나 응용 분야에서 널리 이용되어 왔다. 그러나, 기존의 윈도우를 그대로 이용하면, 형성된 빔의 부엽 레벨이 현격히 낮아지는 장점은 있으나, 주엽 폭도 크게 증가하여, 배열 안테나의 방사 소자 개수가 제한되어 있는 이동 통신 기지국 시스템의 경우, 각도 분해능이 떨어지므로, 원하는 성능 향상을 얻기가 힘들다는 문제점이 있다.Second, in order to reduce the signal to other users, the side beam level of the transmission beam should be lowered using the window. Since the beamforming weight vector multiplied by the window lowers the side lobe level of the transmit beam, it has been widely used in other array antenna applications. However, if the existing window is used as it is, the side lobe level of the formed beam is significantly lowered. However, in the case of the mobile communication base station system in which the main leaf width is greatly increased and the number of radiating elements of the array antenna is limited, the angle resolution is low. As a result, it is difficult to obtain a desired performance improvement.
셋째, 단일 안테나의 이득으로 인하여 섹터 내에서 배열 안테나 이득이 지향 각도에 따라 가변적이다. 고정된 빔 안테나를 사용하는 기존의 기지국 시스템은 섹터 별로 안테나가 할당되어 있다. 이때, 특정 섹터를 지향하는 안테나는 다른 섹터들에 대한 간섭을 최소화하도록 설계되어야 하므로, 지향하는 섹터 내에서도 각도에 따라 안테나 이득이 변하는 특성을 지닌다는 문제점이 있다.Third, due to the gain of a single antenna, the array antenna gain in the sector is variable depending on the orientation angle. In a conventional base station system using a fixed beam antenna, an antenna is allocated for each sector. In this case, since the antenna directed to a specific sector should be designed to minimize interference with other sectors, there is a problem in that the antenna gain varies depending on an angle even within the directed sector.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 배열 안테나를 이용하는 대역 확산 CDMA(Code Division Multiple Access) 기지국에서, 역방향에서 구한 수신 배열 응답 벡터를 이용하여 원하는 단말기가 위치한 방향으로 최대 전력을 송신하는 순방향 빔 형성 시스템 및 그 방법을 제시하기 위한 것이다.Accordingly, the present invention is to solve the above problems of the prior art, an object of the present invention is to use a spread spectrum code division multiple access (CDMA) base station using an array antenna, the desired reception using the received response response vector obtained in the reverse direction It is an object of the present invention to provide a forward beamforming system and method for transmitting maximum power in a direction in which a terminal is located.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 시스템에서 순방향 빔 형성 시스템과 이를 구현하는데 필요한 주변 장치의 구성도이고,1 is a configuration diagram of a forward beamforming system and a peripheral device required to implement the same in a base station system according to an embodiment of the present invention;
도 2는 도 1에 도시된 빔 형성 가중치 연산기의 구성을 나타낸 구성도이고,FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the beamforming weight calculator shown in FIG. 1;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 역방향 배열 응답 벡터를 이용한 순방향 빔 형성 시스템에서 안테나 지향 각도를 0도로 설정하였을 때, 윈도우에 따른 빔 폭과 부엽 레벨의 관계를 보여주는 도면이고,3 is a diagram illustrating a relationship between beam width and sidelobe level according to a window when the antenna directivity angle is set to 0 degrees in a forward beamforming system using a reverse array response vector according to an embodiment of the present invention;
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 역방향 배열 응답 벡터를 이용한 순방향 빔 형성 시스템에서 배열 안테나 방사 소자의 이득 특성으로 인하여 배열 안테나 이득이 지향 각도에 따라 변하는 것을 보여주는 도면으로서,4 and 5 are diagrams showing that the array antenna gain is changed according to the direction angle due to the gain characteristics of the array antenna radiating element in the forward beamforming system using the reverse array response vector according to an embodiment of the present invention.
도 4는 이득 손실 보상이 없는 안테나 패턴을 나타낸 도면이고,4 is a view showing an antenna pattern without gain loss compensation;
도 5는 이득 손실 보상이 된 안테나 패턴을 나타내는 도면이다.5 is a diagram illustrating an antenna pattern with gain loss compensation.
도 6은 수신 배열 응답 벡터를 이용하여 각 사용자의 도래각을 예측함으로써 순방향 빔 형성 가중치를 구하는 순방향 빔 형성 가중치 연산기의 구성도이고,FIG. 6 is a configuration diagram of a forward beamforming weight calculator that calculates a forward beamforming weight by predicting an angle of arrival of each user using a reception array response vector.
도 7은 안테나 빔의 주엽(Mainlobe)를 제어하기 위한 윈도우를 나타낸 도면이고,7 is a view showing a window for controlling the mainlobe of the antenna beam,
도 8은 도 7에서 나타낸 윈도우에 따른 각도별 수신 신호의 세기를 나타낸 도면이고,8 is a view showing the strength of the received signal for each angle according to the window shown in FIG.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 도래각 추정 속도를 향상시킨 개념을 나타내는 도면이다.9 is a diagram illustrating a concept of improving an angle of arrival estimation according to an embodiment of the present invention.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※※ Explanation of code about main part of drawing ※
101 : 배열 안테나 102 : 듀플렉서101: array antenna 102: duplexer
103 : 다중 채널 RF 하향 변환기 104 : 다중 채널 RF 상향 변환기103: multi-channel RF down converter 104: multi-channel RF down converter
105 : 적응 배열 복조기 106 : 상호 상관기105: adaptive array demodulator 106: cross correlator
107 : 순방향 빔 형성기 110 : 빔 형성 가중치 연산기107: forward beamformer 110: beamforming weight calculator
201 : 정규화기 202 : 안테나 응답 변환기201: normalizer 202: antenna response converter
203 : 안테나 응답 변환 행렬 기억 장치203: antenna response conversion matrix storage
601 : 수신 안테나 응답 행렬 기억 장치601: receive antenna response matrix storage
602 : 도래각 추정기602: angle of arrival estimator
603 : 빔형성 가중치 룩업 테이블603: Beamforming Weight Lookup Table
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 수신 배열 응답 벡터 추정을 위하여 필요한 기준 신호를 생성하는 적응 배열 복조 수단; 상기 적응 배열 복조 수단에서 생성된 기준 신호 및 상기 디지털 수신 데이터를 곱하여 시간에 대하여 평균값을 구함으로써 수신 배열 응답 벡터를 추정하는 상호 상관 수단; 상기 수신 배열 응답 벡터를 입력받아 역방향 채널 성분을 제거하여 수신 안테나 응답 벡터를 구한 후, 이를 이용하여 송신 빔형성 가중치를 연산하는 송신 빔 형성 가중치 연산 수단; 및 상기 빔 형성 가중치 와 사용자 신호를 곱하여 순방향 빔 형성 기능을 수행하는 순방향 빔 형성 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 역방향 배열 응답 벡터를 이용한 순방향 빔 형성 시스템이 제공된다.According to the present invention for achieving the above object, adaptive array demodulation means for generating a reference signal required for the reception array response vector estimation; Cross-correlation means for estimating a received array response vector by multiplying the reference signal generated by the adaptive array demodulation unit and the digital received data to obtain an average value over time; Transmission beamforming weight calculation means for receiving a reception array response vector, removing a reverse channel component to obtain a reception antenna response vector, and calculating transmission beamforming weights using the reception antenna response vector; And a forward beamforming means for performing a forward beamforming function by multiplying the beamforming weights with a user signal. The forward beamforming system using the reverse array response vector is provided.
또한, 수신 배열 응답 벡터 추정을 위하여 필요한 기준 신호를 생성하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 생성된 기준 신호 와 상기 디지털 수신 데이터를 곱하여 만든 신호의 시간에 대하여 평균값을 구함으로써 수신 배열 응답 벡터를 추정하는 제 2 단계; 상기 수신 배열 응답 벡터에서 역방향 채널 성분을 제거하여 수신 안테나 응답 벡터를 구한 후, 이를 이용하여 송신 빔형성 가중치를 연산하는 제 3단계; 및 상기 제 3 단계에서 변환된 상기 송신 빔 형성 가중치와 사용자 신호를 곱하여 송신 안테나 빔을 형성하는 제 4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 역방향 배열 응답 벡터를 이용한 순방향 빔 형성 방법이 제공된다.In addition, a first step of generating a reference signal required for the reception array response vector estimation; A second step of estimating a reception arrangement response vector by obtaining an average value with respect to time of a signal generated by multiplying the reference signal generated in the first step by the digital reception data; A third step of obtaining a reception antenna response vector by removing a reverse channel component from the reception array response vector and calculating a transmission beamforming weight using the reception antenna response vector; And a fourth step of forming a transmission antenna beam by multiplying the transmission beamforming weights converted in the third step by a user signal, thereby providing a forward beamforming method using a reverse array response vector.
또한, 컴퓨터에, 수신 배열 응답 벡터 추정을 위하여 필요한 기준 신호를 생성하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 생성된 기준 신호 와 상기 RF 데이터를 곱하여 만든 신호의 시간에 대하여 평균값을 구함으로써 수신 배열 응답 벡터를 추정하는 제 2 단계; 상기 수신 배열 응답 벡터에서 역방향 채널 성분을 제거하여 수신 안테나 응답 벡터를 구한 후, 이를 이용하여 송신 빔형성 가중치를 연산하는 제 3 단계; 및 상기 제 3 단계에서 변환된 상기 송신 빔 형성 가중치와 사용자 신호를 곱하여 송신 안테나 빔을 형성하는 제 4 단계를 포함하여 이루어진 것을 실행시킬 수 있는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체가 제공된다.In addition, a first step of generating, in a computer, a reference signal necessary for estimating a reception array response vector; A second step of estimating a reception arrangement response vector by obtaining an average value with respect to time of a signal multiplied by the reference signal generated in the first step and the RF data; A third step of obtaining a reception antenna response vector by removing a reverse channel component from the reception array response vector and calculating a transmission beamforming weight using the reception antenna response vector; And a fourth step of multiplying the transmission beamforming weights converted in the third step by a user signal to form a transmission antenna beam, and providing a computer-readable recording medium having recorded thereon a program capable of being executed.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 역방향 배열 응답 벡터를 이용한 순방향 빔 형성 시스템 및 그 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a forward beamforming system and a method using a reverse array response vector according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대역 확산 CDMA 기지국 시스템에서의 순방향 빔 형성 시스템 및 이를 구현하는데 필요한 주변 장치를 나타낸 구성도로서, 이는 배열 안테나(101), 듀플렉서(102), 다중 채널 RF 하향 변환기(103), 다중 채널 RF 상향 변환기(104), 적응 배열 복조기(105), 상호 상관기(106), 빔 형성 가중치 연산기(110) 및 순방향 빔 형성기(107)로 구성된다.1 is a block diagram illustrating a forward beamforming system and a peripheral device for implementing the same in a spread spectrum CDMA base station system according to an embodiment of the present invention, which is an array antenna 101, a duplexer 102, and a multi-channel RF. It consists of a down converter 103, a multi-channel RF up converter 104, an adaptive array demodulator 105, a cross correlator 106, a beamforming weights operator 110, and a forward beamformer 107.
본 실시예에서는 상기 배열 안테나(101)는 신호의 송신과 수신을 동시에 담당하고 있으나, 송신과 수신을 담당하는 배열 안테나를 따로 설계하는 것도 본 발명의 범주 이내이다. 또한 다중 채널 RF 하향 변환기(103)와 다중 채널 RF 상향 변환기(104)의 전달함수 특성이 모두 동일한 것으로 가정하였으나, 본 발명은 전달함수 특성이 다른 경우에도 적절한 변형을 거치면 적용 가능하다.In the present embodiment, the array antenna 101 is responsible for transmitting and receiving signals at the same time, but it is also within the scope of the present invention to design an array antenna for transmitting and receiving separately. In addition, although it is assumed that the transfer function characteristics of the multi-channel RF down converter 103 and the multi-channel RF up-converter 104 are the same, the present invention may be applied even if the transfer function characteristics are different.
상기 배열 안테나(101)를 통하여 수신된 데이터는 상기 듀플렉서(102) 및 상기 다중 채널 RF 하향 변환기(103)를 거친 후, 상기 적응 배열 복조기(105)로 입력된다. 상기 적응 배열 복조기(105)는 수신 배열 응답 벡터 추정을 위하여 필요한 상호 상관기(106)의 기준 신호를 제공한다. 이때 기준 신호는 의사잡음 코드나 모뎀으로부터 피드백된 심벌을 이용하여 만든다.The data received through the array antenna 101 is input to the adaptive array demodulator 105 after passing through the duplexer 102 and the multi-channel RF down converter 103. The adaptive array demodulator 105 provides the reference signal of the cross correlator 106 required for the received array response vector estimation. In this case, the reference signal is generated by using a pseudo noise code or a symbol fed back from the modem.
상기 상호 상관기(106)는 아래의 [수학식 1]에 따라, 상기 적응 배열 복조기(105)로부터 얻은 기준 신호 및 측정 데이터를 곱한 값의 시간에 대한 평균값을 구한다.The cross correlator 106 obtains an average value of time multiplied by the reference signal and the measurement data obtained from the adaptive array demodulator 105 according to Equation 1 below.
여기서, x(n)은 n 번째 시간에 수신된 열벡터이고, di는 i 번째 단말기에 대한 기준 신호이다.Here, x (n) is a column vector received at the n th time, and d i is a reference signal for the i th terminal.
상기 빔 형성 가중치 연산기(110)는 상기 상호 상관기(106)의 결과값을 입력받아 순방향 빔 형성 가중치를 구하고, 상기 순방향 빔 형성기(107)는 상기 빔 형성 가중치와 사용자 신호를 곱하여 순방향 빔 형성을 수행한다.The beamforming weight calculator 110 receives a result value of the cross correlator 106 to obtain a forward beamforming weight, and the forward beamformer 107 multiplies the beamforming weight by a user signal to perform forward beamforming. do.
상기 다중 채널 RF 상향 변환기(104)는 상기 순방향 빔 형성기(107)의 결과값을 입력받아 RF 변환을 수행한 후, 다시 상기 듀플렉서(102)로 전달한다.The multi-channel RF upconverter 104 receives the result of the forward beam former 107 and performs RF conversion, and then transfers the result to the duplexer 102.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 빔 형성 가중치 연산기(110)의 구성을 나타낸 구성도로서, 상기 빔 형성 가중치 연산기(110)는 다수의 정규화기(201), 다수의 안테나 응답 변환기(202) 및 안테나 응답 변환 행렬 기억 장치(203)로 구성된다.2 is a block diagram showing the configuration of the beamforming weight calculator 110 shown in FIG. 1 according to an embodiment of the present invention. The beamforming weight calculator 110 includes a plurality of normalizers 201 and a plurality of normalizers. An antenna response converter 202 and an antenna response conversion matrix memory 203.
상기 다수의 정규화기(201)는 아래의 [수학식 2]에서처럼, 상기 상호 상관기(106)에서 구한 수신 배열 응답 벡터, rxd,i '를 정규화하여 역방향 채널 성분을 제거함으로써, 수신 안테나 응답 벡터, vi를 구한다.The plurality of normalizers 201 remove the reverse channel components by normalizing the reception array response vector, r xd, i ' obtained from the cross correlator 106, as shown in Equation 2 below, thereby receiving the reception antenna response vector. Find v i .
여기서, νi는 i 번째 단말기의 수신 안테나 응답 벡터 추정값이다.Here, v i is a reception antenna response vector estimate of the i-th terminal.
상기 안테나 응답 변환 행렬 기억 장치(203)는 안테나 응답 변환 행렬 T를 저장한다. 안테나 응답 변환 행렬은 아래의 [수학식 3]에서처럼, 수신 안테나 응답 벡터를 송신 빔 형성 가중치 벡터로 변환한다.The antenna response conversion matrix memory 203 stores the antenna response conversion matrix T. The antenna response conversion matrix converts the reception antenna response vector into a transmission beamforming weight vector, as shown in Equation 3 below.
여기서, wi는 i 번째 단말기에 대한 순방향 빔 형성 가중치 벡터이고, 안테나 응답 변환 행렬 T는 수신 배열 안테나 응답 행렬 Ar을 송신 빔 형성 가중치 목표 행렬 B에 근사한 값으로 변환시키는 행렬이며, 송신 빔 형성 가중치 목표 행렬은 수신 안테나 응답 벡터를 근사시키고자 하는 목표 빔 형성 가중치 벡터로 구성된 행렬이다.Here, w i is the forward beamforming weight vector for the i-th terminal, the antenna response conversion matrix T is a matrix for converting the reception array antenna response matrix A r into a value close to the transmission beamforming weight target matrix B, and the transmission beamforming The weighted target matrix is a matrix composed of a target beamforming weight vector to approximate the reception antenna response vector.
한편, 위의 [수학식 3]에서 T는 여러 가지 최적화 방법으로 구할 수 있는데, 그 중 하나를 소개하면, 아래의 [수학식 4]에서처럼, 의사 역행렬(Pseudo - Inversion)을 이용하여 구할 수도 있다.Meanwhile, in Equation 3 above, T can be obtained by various optimization methods. If one of them is introduced, it can also be obtained using Pseudo-Inversion as shown in Equation 4 below. .
위의 [수학식 4]에서 알 수 있는 것처럼, 안테나 응답 변환 행렬은 송수신 안테나 응답 행렬과 빔형성 가중치 목표 행렬의 함수이므로, 모든 수신 배열 응답 벡터에 적용이 가능하다.As can be seen from Equation 4 above, the antenna response conversion matrix is a function of the transmit / receive antenna response matrix and the beamforming weight target matrix, and thus can be applied to all received array response vectors.
한편, 상기 수신 배열 안테나 응답 행렬, Ar과 상기 빔형성 가중치 목표 행렬,B는 아래의 [수학식 5]와 같이 표현된다.On the other hand, the receiving array antenna response matrix, A r and the beamforming weighted target matrix, B is expressed by Equation 5 below.
여기서, Ns는 안테나 응답 벡터를 측정한 샘플 각도의 개수이고, ar,i는 i 번째 각도에 대한 수신 배열 안테나의 응답을 나타내는 벡터이며, bi는 i 번째 각도에 대한 송신 안테나 응답 벡터에 부엽 레벨을 감소시키기 위한 윈도우를 곱하고 배열 안테나 방사 소자의 이득을 보상해주기 위한 값을 곱한 벡터이며, at,i는 i 번째 각도에 대한 송신 안테나 응답 벡터이고, Λi는 대각 행렬로 대각 성분은 윈도우를 구성하는 값들이다.Where N s is the number of sample angles measuring the antenna response vector, a r, i is a vector representing the response of the receiving array antenna with respect to the i th angle, and b i is a transmission antenna response vector for the i th angle. A vector multiplied by a window to reduce the side lobe level and a value to compensate for the gain of the array antenna radiating element, a t, i is the transmit antenna response vector for the i th angle, Λ i is a diagonal matrix, These are the values that make up the window.
한편, 윈도우는 안테나의 지향 각도에 따라서 가변적으로 설정할 수도 있다. αi는 단일 안테나 이득이 배열 안테나 지향 각도에 따라 이득이 변하는 것을 보상해주기 위한 값으로 단일 안테나 이득과 반비례하도록 설정한다.On the other hand, the window may be set variably according to the orientation angle of the antenna. α i is set so that the single antenna gain is inversely proportional to the single antenna gain as a value for compensating for the gain change depending on the array antenna orientation angle.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 순방향 빔 형성 시스템에서 안테나 지향 각도를 0도로 설정하였을 때, 윈도우에 따른 빔 폭과 부엽 레벨의 관계를 보여주는 도면으로서, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.3 is a view showing the relationship between the beam width and the side lobe level according to the window when the antenna directivity angle is set to 0 degrees in the forward beam forming system according to an embodiment of the present invention.
사각형 윈도우는 주엽의 폭이 상대적으로 좁으나, 부엽 레벨의 크기가 높아 다른 사용자에게 상대적으로 큰 간섭 신호를 송신하게 되며, 기존의 해밍 윈도우를 그대로 사용하면, 부엽 레벨이 충분히 낮아지지만, 주엽 폭이 지나치게 넓어져, 배열 안테나의 각도 분해능이 떨어지는 것을 알 수 있다. 이에 반하여 전체 해밍 윈도우에서 양 끝단의 20%는 버리고, 중간 부분의 60%만을 취하여 만든 윈도우를 이용하여 구한 빔 패턴은 부엽 레벨과 주엽 폭의 측면에서 사각형 윈도우와 해밍 윈도우의 중간 단계로서, 이동 통신 환경에 더욱 적합한 특성을 가진다.The rectangular window has a relatively narrow width of the main lobe, but because of the high level of the sublobe level, it transmits a relatively large interference signal to other users.If the existing Hamming window is used, the sublobe level is low enough, but the main lobe width It becomes so wide that it turns out that the angle resolution of an array antenna falls. On the contrary, the beam pattern obtained by using 20% of both ends of the whole hamming window and only 60% of the middle part is obtained. The beam pattern is an intermediate step between the rectangular window and the hamming window in terms of the side lobe level and the main lobe width. It is more suitable for the environment.
즉, 윈도우 함수의 증가 및 감소 정도가 커질수록, 부엽 레벨은 감소하나, 주엽 폭이 넓어지는 정도가 커진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 윈도우 함수의 증가 및 감소 정도를 적절히 조절하면, 부엽 레벨과 주엽 폭을 적절히 조절할 수 있다.That is, it can be seen that as the increase and decrease of the window function increases, the side lobe level decreases, but the degree of widening the main lobe width increases. Therefore, by appropriately adjusting the degree of increase and decrease of the window function, the side leaf level and the main leaf width can be properly adjusted.
도 4 및 도 5는 도 2에서 제시한 순방향 빔 형성 시스템의 일 실시예에 따른 것으로, 각각 배열 안테나를 구성하는 단일 안테나 방사 소자의 이득 특성으로 인하여 배열 안테나 이득이 지향 각도에 따라 변하는 것과 송신 빔형성 가중치 목표 행렬을 적절히 선택하여 이러한 이득 변화를 보상하는 것을 보여주는 도면으로서, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.4 and 5 illustrate an embodiment of the forward beamforming system shown in FIG. 2, wherein the array antenna gain is changed according to a direction angle due to the gain characteristics of a single antenna radiating element constituting the array antenna, respectively, and a transmission beam. A diagram showing compensation of such a change in gain by appropriately selecting the formation weighting target matrix, which will be described in detail as follows.
도 4는 이득 손실 보상이 없는 안테나 패턴을 나타낸 도면으로서, 방사 소자의 이득 변화를 보상하지 않는 경우에는 배열 안테나의 각도에 따른 이득 변화는 방사 소자의 이득 변화와 거의 유사하지만, 도 5처럼 이득 손실 보상이 된 안테나패턴의 경우에는 배열 안테나의 이득이 각도에 관계없이 거의 일정함을 보여주고 있다. 따라서, 본 발명에서 제안하고 있는 바에 따르면, 순방향 빔 형성 가중치 벡터 목표치를 조절하는 방식을 사용함으로써, 신호 도래각을 추정하지 않고도 각도에 따른 이득을 보상할 수 있다는 것을 알 수 있다.FIG. 4 is a diagram illustrating an antenna pattern without gain loss compensation. When the gain change of the radiating element is not compensated, the gain change according to the angle of the array antenna is almost similar to the gain change of the radiating element. In the case of the compensated antenna pattern, the gain of the array antenna is almost constant regardless of the angle. Therefore, according to the proposal of the present invention, by using the method of adjusting the forward beamforming weight vector target value, it can be seen that the gain according to the angle can be compensated without estimating the angle of signal arrival.
도 6은 수신 배열 응답 벡터를 이용하여 각 사용자의 도래각을 예측함으로써 순방향 빔형성 가중치를 구하는 순방향 빔형성 연산기의 구성도로서, 상기 순방향 빔 형성 연산기는 수신 안테나 응답 행렬 기억 장치(601), 다수의 도래각 추정기(602) 및 빔 형성 가중치 룩업 테이블(603)로 구성되어 있다.6 is a block diagram of a forward beamforming calculator for calculating forward beamforming weights by predicting the angle of arrival of each user using a reception array response vector. Is composed of an angle of arrival estimator 602 and a beamforming weight lookup table 603.
이 방법은 다른 사용자가 위치한 방향에 관계없이 원하는 사용자가 위치한 방향으로 최대 이득을 가지면서 부엽(Sidelobe) 레벨이 낮은 송신 안테나 빔을 형성하는 것이다.This method forms a transmit antenna beam with a low Sidelobe level with maximum gain in the direction of the desired user, regardless of the direction of the other user.
상기 빔형성 가중치 룩업 테이블(603)은 송신 안테나 응답 특성를 고려하여 각도별로 미리 계산된 빔형성 가중치를 저장한다. 따라서, 일단 신호 도래각 추정이 끝나면 순방향 빔형성 가중치는 상기 도래각에 해당하는 빔형성 가중치를 상기 빔형성 가중치 룩업 테이블(603)에서 가져온다. 상기 도래각 추정기(602)는 상기 [수학식 2]와 같이 상기 상호 상관기(106)에서 구한 수신 배열 응답 벡터, rxd,i '를 정규화하여 역방향 채널 성분을 제거함으로써, 수신 안테나 응답 벡터, vi를 구한 후, 아래의 [수학식 6]에서 표현한 것처럼, 미리 측정한 수신 안테나 응답 행렬, Ar을 서로 상관하여 각도에 따른 신호의 세기, PVC,i(θ)를 구하고 임계값과 비교하여 도래각을 추정한다.The beamforming weight lookup table 603 stores beamforming weights previously calculated for each angle in consideration of the transmission antenna response characteristics. Therefore, once the signal arrival angle estimation is completed, the forward beamforming weights obtain a beamforming weight corresponding to the arrival angle from the beamforming weight lookup table 603. The arrival angle estimator 602 removes the reverse channel component by normalizing the reception array response vector, r xd, i ' obtained from the cross correlator 106 as shown in Equation 2, thereby receiving the reception antenna response vector, v. After i is obtained, as shown in Equation 6 below, the received antenna response matrix, A r , is measured and correlated with each other to obtain the strength of the signal according to the angle, P VC, i (θ), and compare with the threshold. To estimate the angle of arrival.
본 발명에서는 이러한 벡터 상관을 이용하여 도래각을 추정할 때 계산량을 줄이기 위한 방법으로 전체 도래각 범위에서 좁은 각도 간격으로 수신 신호의 세기를 계산하는 대신, 큰 각도 간격으로 수신 신호 세기를 구하여 도래각 근사치를 먼저 획득하고, 상기 도래각 근사치 주위의 각도에 대하여 다시 좁은 각도 간격으로 수신 신호 세기를 구하여 보다 정확한 신호 도래각을 추정하는 기법을 제시하였다. 이 기법을 도 7, 도 8, 도 9를 통하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.In the present invention, instead of calculating the intensity of the received signal at narrow angle intervals in the entire angle of arrival range as a method for reducing the amount of calculation when estimating the angle of arrival using such a vector correlation, the angle of arrival is obtained by obtaining the received signal strength at large angle intervals. An approximation is first obtained, and then, a method of estimating a more accurate signal arrival angle by obtaining received signal strengths at narrow angle intervals with respect to the angle around the angle of arrival is presented. This technique is described in more detail with reference to FIGS. 7, 8, and 9 as follows.
도 7은 안테나 빔의 주엽(mainlobe)를 제어하기 위한 윈도우를 나타낸 도면로서, 배열 안테나를 구성하는 방사소자의 개수가 8개인 경우, 안테나 빔폭을 제어하기 위한 윈도우를 나타낸 것이다. 윈도우 1은 2 번째부터 7 번째 원소는 해밍(Hamming) 윈도우 계수를 가지고 나머지는 모두 0을 가지는 윈도우이다. 윈도우 2는 해밍 윈도우의 가운데 부분 65%에 해당하고, 윈도우 3은 사각형(Rectangular) 윈도우이다.FIG. 7 is a diagram illustrating a window for controlling a mainlobe of an antenna beam, and shows a window for controlling an antenna beam width when the number of radiating elements constituting the array antenna is eight. Window 1 is a window in which the second to seventh elements have Hamming window coefficients and all others have zeros. Windows 2 is 65% of the center of the Hamming window, and Windows 3 is a rectangular window.
도 8은 도 7에서 나타낸 윈도우에 따른 각도별 수신 신호의 세기를 나타낸도면으로서, 상기 도 7에서 그린 윈도우를 수신 안테나 응답 벡터, vi에 곱하여 구한 벡터와 -60 ~ +60 도 내의 각도에 대한 수신 배열 안테나 응답 행렬을 상관하여 구한 각도별 수신 신호 세기를 나타낸 것이다. 그림에서 수신 신호 세기 1, 수신 신호 세기 2 그리고 수신 신호 세기 3은 각각 윈도우 1, 윈도우2 그리고 윈도우 3에 해당한다. 그림에서, 윈도우에 따라 빔폭이 변하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 도래각 추정시 수신 배열 안테나 응답 벡터, bi에 특정 윈도우를 곱하여 빔폭을 넓힌 후 넓은 각도 간격으로 상관값을 구하여 도래각의 근사치를 획득하고, 다시 다른 윈도우로 빔폭을 좁게 만들고 상기 도래각 근사치 주위에서 좁은 각도 간격으로 상관값을 구하여 더욱 정밀한 도래각을 추정하면 계산량을 줄일 수 있다.FIG. 8 is a diagram illustrating the strength of the received signal for each angle according to the window shown in FIG. 7, wherein a vector obtained by multiplying the window drawn in FIG. 7 by a reception antenna response vector, v i and angles within -60 to +60 degrees. It shows the received signal strength for each angle obtained by correlating the reception array antenna response matrix. In the figure, received signal strength 1, received signal strength 2 and received signal strength 3 correspond to window 1, window 2 and window 3, respectively. In the figure, you can see that the beamwidth changes with the window. Therefore, when estimating the angle of arrival, the received array antenna response vector, b i is multiplied by a specific window to widen the beam width, and then obtains an approximation of the angle of arrival by obtaining a correlation value at wide angle intervals, and narrows the beam width to another window again. Computation at narrow angle intervals around the approximation can be used to reduce the amount of computation by estimating a more precise angle of arrival.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 도래각 추정 속도를 향상시킨 개념을 나타내는 도면으로서, 본 실시예에서는 실제 신호의 도래각은 34도로 설정하였다.FIG. 9 is a diagram illustrating a concept of improving an angle of arrival estimation according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the angle of arrival of an actual signal is set to 34 degrees.
먼저, 수신 안테나 응답 벡터에 윈도우1을 곱하고 -60 ~ 60도 내에서 20도 간격으로 상관값을 구하고, 그 중 최대값을 찾아 40 도라는 도래각 근사치를 획득한다. 다음에는 수신 안테나 응답 벡터에 윈도우 2를 곱하여 25 ~ 55 도 내에서 5도 간격으로 상관값을 구하고, 그 중 최대값을 찾아 좀 더 정확한 도래각,32.5 도를 획득한다. 마지막으로 30 ~ 35 도 범위내에서 1.5도 간격으로 상관값을 구하고, 그 중 최대값을 찾아 최종적인 도래각, 34 도를 획득한다. 이와 같은 방법은 전체 범위, -60 ~ +60도 범위내에서 1.5 도 간격으로 순차적으로 상관값을 구하는방법에 비하여 계산량이 줄어든다. 이와같이 서로 다른 윈도우를 곱하여 안테나 빔폭을 제어하는 것은, 윈도우를 곱하지 않았을 때 안테나 빔폭이 너무 좁아 큰 각도 간격으로 수신 신호 세기를 계산하면 신호 도래각 주위의 각도에 대하여 수신 신호 세기를 계산하지 못하는 경우가 생기는 것을 방지하기 위한 것이다. 따라서, 윈도우를 곱하여 빔폭을 제어하는 것은 배열 안테나의 방사소자 개수가 많을 때 특히 유효하며, 배열 안테나 방사 소자 개수가 많지 않은 경우에는 윈도우를 바꾸지 않아도 된다.First, the reception antenna response vector is multiplied by window 1, the correlation value is obtained at intervals of 20 degrees within -60 to 60 degrees, and the maximum value is found to obtain an angle of arrival of 40 degrees. Next, multiply the receive antenna response vector by window 2 to obtain a correlation value at intervals of 5 degrees within 25 to 55 degrees, and find the maximum value to obtain a more accurate angle of arrival, 32.5 degrees. Finally, the correlation value is obtained at intervals of 1.5 degrees within the range of 30 to 35 degrees, and the maximum value is found to obtain the final arrival angle, 34 degrees. This method reduces the amount of computation compared to the method of sequentially obtaining correlation values at 1.5 degree intervals within the full range, -60 to +60 degrees. Controlling the antenna beamwidth by multiplying the different windows in this way is that if the antenna beamwidth is too narrow when the windows are not multiplied, and the received signal strength is calculated at large angular intervals, the received signal strength cannot be calculated for the angle around the signal arrival angle. Is to prevent this from happening. Therefore, controlling the beam width by multiplying the window is particularly effective when the number of radiating elements of the array antenna is large, and it is not necessary to change the window when the number of array antenna radiating elements is not large.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술 사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the invention has been described above based on the preferred embodiments thereof, these embodiments are intended to illustrate rather than limit the invention. It will be apparent to those skilled in the art that various changes, modifications, or adjustments to the above embodiments can be made without departing from the spirit of the invention. Therefore, the protection scope of the present invention will be limited only by the appended claims, and should be construed as including all such changes, modifications or adjustments.
이상과 같이 본 발명은 배열 안테나를 이용하는 기지국 시스템에서 순방향 빔 형성가중치를 구하는 방법을 제공하는 것으로, 원하는 사용자가 위치한 방향에서 송신 안테나 이득이 최대가 되게 하여 단말기에서 신호대 잡음비를 최대로 하고, 안테나 빔의 부엽 레벨을 낮추어 다른 사용자에 대한 간섭을 감소시키는 효과가 있다.As described above, the present invention provides a method for obtaining a forward beamforming weight value in a base station system using an array antenna, which maximizes a signal-to-noise ratio in a terminal by maximizing a transmission antenna gain in a direction in which a desired user is located and an antenna beam. Lowering the level of the side lobe of has the effect of reducing interference to other users.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |