스마트 안테나

3. 스마트 안테나의 종류

스마트 안테나는 크게 스위치 빔 방식과 적응 배열 방식으로 나뉜다. 스위치 빔 시스템은 미리 정해진 여러 개의 고정된 빔 패턴을 가지고 있으며, 시스템 요구 사항에 따라 가장 적합한 빔을 선택하여 사용한다. 적응 배열 안테나는 도착 방향 예측 기법을 통해 임의의 방향으로 빔을 향하게 할 수 있다.^[2]

2008년 미국 국립 통신 정보청(NTIA)은 소비자들이 디지털 텔레비전 컨버터 박스 구매를 돕기 위한 노력을 시작했는데,^[4] 이 노력을 통해 많은 사람들이 스마트 안테나의 개념을 처음 접하게 되었다. 소비자 가전제품에서 "스마트 안테나"는 EIA/CEA-909 표준 인터페이스를 준수하는 안테나를 의미한다.

무선 통신은 공간을 통해 이루어지기 때문에, 같은 주파수를 쓰는 다른 사용자가 있으면 신호 간섭으로 통신에 문제가 생길 수 있다. 또한, 전파가 건물 등에 반사되어 여러 경로로 들어오면 수신 신호 세기가 변하는 페이딩 현상이 발생한다. 스마트 안테나의 수신된 신호는 아날로그-디지털 변환기를 통해 디지털 신호로 변환되어 지향성 제어부로 입력된다. 지향성 제어부에서는 디지털 신호 처리를 통해 진폭과 위상을 조절하여 지연파와 간섭파를 줄일 수 있는 지향성을 만들어 고품질 신호를 보낼 수 있다.^[9]

3. 1. 스위치 빔 스마트 안테나

3. 2. 적응 배열 스마트 안테나

4. 도착 방향 (DOA) 예측

스마트 안테나 시스템은 MUSIC, ESPRIT 알고리즘, 행렬 펜슬 방법 또는 이들의 파생 기법과 같은 기술을 사용하여 신호의 도래 방향(Direction of Arrival, DOA)을 추정한다. 이는 안테나/센서 배열의 공간 스펙트럼을 찾고 이 스펙트럼의 피크로부터 DOA를 계산하는 것을 포함한다. 이러한 계산은 계산 집약적이다.

행렬 펜슬은 실시간 시스템과 상관된 소스의 경우에 매우 효율적이다.

5. 빔포밍 (Beamforming)

빔포밍은 원하는 이동 단말이나 목표물의 방향으로 신호의 위상을 결합하여 신호를 강화하고, 원하지 않거나 방해하는 목표물이나 이동 단말의 신호는 제거하여 안테나 방사 패턴을 형성하는 기술이다. 빔포밍은 간단한 FIR 필터를 사용하여 구현될 수 있다. FIR 필터의 가중치는 상황에 따라 적응적으로 변경될 수 있으며, 이상적인 빔 패턴과 실제 형성되는 빔 패턴 사이의 최소 평균 제곱 오차(MMSE)를 줄여 최적의 빔포밍을 제공한다. 일반적으로 사용되는 알고리즘에는 최대 경사 하강법 및 LMS 알고리즘이 있다.^[9]

다중 채널을 가진 디지털 안테나 배열에서는 DFT 또는 FFT를 이용한 디지털 빔포밍이 사용될 수 있다. 무선 통신은 공간을 매개로 사용하기 때문에, 동일 주파수를 사용하는 다른 사용자가 존재하는 경우 신호 간섭으로 인해 통신에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 전파 경로에 건물이나 장애물이 있으면 전파가 반사되어 여러 경로가 생기고, 이는 수신 신호 레벨을 변동시키는 페이딩 현상을 일으킨다. 스마트 안테나의 수신기에서 수신된 신호는 아날로그-디지털 변환기를 통해 디지털 신호로 변환된 후, 지향성 제어부로 입력된다. 지향성 제어부에서는 수신된 신호를 디지털 신호 처리하여 진폭과 위상을 합성함으로써, 지연파와 간섭파를 억제하는 지향성을 생성하여 고품질의 신호 출력을 가능하게 한다.^[9]

6. 스마트 안테나의 확장

스마트 안테나 시스템은 802.11n 표준과 같은 MIMO 시스템의 특징을 정의하고 있다. 통상적으로 스마트 안테나는 무선통신 시스템의 일부이고 복수의 안테나로 공간 신호 처리를 수행한다. 복수의 안테나는 송신기 또는 수신기로 동작하게 된다. 최근의 기술은 송신과 수신 모두에 복수의 안테나를 사용하도록 확장되었으며, 이를 MIMO 시스템이라 부른다. 스마트 안테나의 최신 연구 경향이 무선 채널에서의 공간 신호 처리를 이용하여 빔포밍 효과를 제공하는 데에 초점을 맞추고 있다는 점에서, MIMO는 공간 정보 처리를 지원한다고 말할 수 있다. 공간 정보 처리는 빔포밍 뿐만 아니라 공간 다중화와 다이버시티 코딩 같은 공간 정보 코딩을 포함한다.

7. 시장에서의 스마트 안테나

디지털 텔레비전 전환 이전인 2009년에 미국에서는 RCA ANT2000과 DTA-5000 두 가지 스마트 안테나 모델이 출시되었다. RCA ANT2000과 DTA-5000은 현재 소매점에서 판매되지 않는다. DTA-5000은 후나이에서 제조하여 "DX 안테나" 브랜드로 판매되었고, 때로는 실바니아 브랜드와 연관되기도 했다.

Apex SM550은 전력 공급을 위해 CEA-909 포트에 연결할 수 있지만, 진정한 스마트 안테나는 아니다.^[5] 채널 마스터 3000A 및 CM3000HD SMARTenna 시리즈는 방향성이 없는 증폭 안테나이며, 방향 조절이 가능한 스마트 안테나가 아니다.^[6] 이스라엘 항공 우주 산업의 MLM 공장에서 생산한 ADA는 적응형 안테나이다.^[7]

참조

_[1] 웹사이트 The role of smart antennas in optimizing 5G https://www.isemag.c[...] 2019-03-00
_[2] 서적 Smart Antennas for Wireless Communications: With MATLAB McGraw-Hill Professional 2005-00-00
_[3] 웹사이트 Array Processing Tutorial https://users.ece.ut[...]
_[4] 웹사이트 Microsoft Redirect https://web.archive.[...]
_[5] 웹사이트 The Official AVS 'Smart Antenna' Topic - Page 4 https://www.avsforum[...]
_[6] 웹사이트 Channel Master CM 3000 Suburban Outdoor Amplified Omnidirectional SMARTenna TV Antenna (CM3000A) https://web.archive.[...]
_[7] 웹사이트 ADA GNSS Anti-Jamming System http://www.iai.co.il[...]
_[8] 웹사이트 スマートアンテナ https://www.ist.hoku[...]
_[9] 웹사이트 スマートアンテナの概要 http://www.kddi.com/[...]
_[10] 논문 Digital transmission over cross-coupled linear channels 1985-07-00
_[11] 논문 Spatio-temporal coding for wireless communication http://kemere.net/we[...] 1998-03-00
_[12] 논문 Layered space–time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas 1996-00-00
_[13] 논문 Detection algorithm and initial laboratory results using V-BLAST space–time communication architecture http://www.ee.columb[...] 1999-01-00