KR100916640B1 - 무선 통신 기반 송，수신 장치 간 거리 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법에 관한 것으로서, 다중 신호 분류법을 협대역 선형주파수변조된 처프 신호에 적용하여 실내 환경에서 각 노드 간 또는 송, 수신 장치 간의 거리를 측정할 수 있는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법을 제공하기 위한 것이다.

그 기술적 구성은 무선 통신 시스템 기반 송신장치에서 송신신호를 처프 변조하여 수신장치로 전송하는 제1 단계; 송, 수신 장치 간의 다중 경로에 의한 전파 반사로 시간지연된 각 송신신호를 수신 및 합산하되, 각 경로의 감쇠 및 노이즈를 적용하는 제2 단계; 송신신호와 수신신호를 복소곱한 신호의 주파수 추정을 위하여, 다중 분류 신호법을 이용하여 슈도 스펙트럼을 산출하는 제3 단계; 슈도 스펙트럼에서 발생된 피크를 이루는 주파수 중 최저 주파수를 검색 및 이에 따른 시간 지연을 산출하는 제4 단계; 시간 지연에 전파 속도를 곱하여 송, 수신 장치 간 거리를 산출하는 제5 단계; 를 포함하여 이루어진다.

USN, WPAN, 위치 추정, 거리, 시간지연, 상관행렬, 고유벡터, 직교성

Description

무선 통신 기반 송，수신 장치 간 거리 추정 방법{Method for Ranging Between Transmitter and Receiver Based on Wireless Communication System}

도 1은 종래 기술에 따른 다중 신호 분류법을 이용한 채널 스펙트럼을 도시한 그래프.

도 2는 본 발명에 따른 무선 통신 시스템 기반 송, 수신 간 거리 추정 방법을 개략적으로 도시한 개념도.

도 3은 도 2의 송신 신호인 선형 주파수 변조된 처프 신호의 파형 및 시간에 따른 주파수를 도시한 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법을 개략적으로 도시한 개념도.

도 5는 본 발명에 따른 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법을 개략적으로 도시한 흐름도.

도 6은 도 5의 거리 추정 방법을 부분적으로 상세히 도시한 흐름도.

도 7은 본 발명과 종래 기술을 시간 지연에 따른 슈도 스펙트럼으로 비교하여 도시한 그래프.

도 8은 본 발명과 종래 기술을 대역폭에 따른 평균제곱오차를 비교하여 도시한 그래프.

도 9는 본 발명과 종래 기술을 신호대잡음비에 따른 평균제곱오차를 비교하여 도시한 그래프.

본 발명은 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법에 관한 것으로, 다중 신호 분류법을 선형적으로 주파수 변조된 처프 신호에 적용하여 다중 경로 환경에서도 높은 정확도를 가지는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 무선 통신 시스템에서 유비쿼터스 센서 네트워크(USN: Ubiquitus Sensor Network)는 각종 센서에서 무선으로 정보를 수집할 수 있도록 구성된 네트워크로서, 무선사설망(WPAN: Wireless Personal Area Network)의 발전에 따라 활성화되고 있다.

그리고, 무선사설망에서는 센서 네트워크를 통한 시스템의 제어 및 관리가 요구되는데, 실내 환경에서 위치 기반의 장치들을 제어하는 경우에는 각 장치 간의 거리 측정 기술이 요구된다.

또한, 실내 환경은 거리가 상대적으로 짧기 때문에 신호의 전달에 있어서 감쇠(Attenuation)는 크지 않지만, 장애물에 의한 다중 경로가 상대적으로 많이 존재 하기 때문에, 송신장치의 신호가 다중 경로로 분산되며, 이에 따라 수신장치에서는 다양한 시간 지연을 가지는 다수개의 신호를 수신한다.

따라서, 다중 경로를 통하여 수신된 신호 중, 송, 수신 장치 간 최단 거리로 전파된 신호, 즉 최초로 수신된 신호의 시간 지연 추정기술은 실내 환경의 거리 측정에 있어서 필수적으로 요구되는 기술이다.

즉, 시간 지연인 도착시간(TOA: Time Of Arrival)의 개념을 이용하는 것인데, 송신 장치에서 수신 장치로 신호가 전파될 때, 송, 수신 장치 간 전파 도달 시간인 시간 지연을 특정하여 신호원의 위치를 파악할 수 있는 것이다.

이를 위하여, 다중 신호 분류법(MUSIC: MUltiple SIgnal Classificaiton)이 적용되는데, 이는 각 다중 경로를 구분하여 시간 지연을 정확하게 추정하고, 이에 따라 거리를 측정할 수 있다.

더불어, 채널의 주파수 응답 추정을 위하여 잡음을 고려한 시간 영역(Time Domain)에서 채널의 다중경로전파에 대한 주파수 스펙트럼을 구하고, 각 경로의 주파수 감쇠와 시간 지연을 추정하기 위하여, 이산푸리에변환(DFT: Discrete Fourier Transform) 및 나누기 연산을 실시한다.

그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 다중 신호 분류법을 이용한 채널 스펙트럼은 이론적 스펙트럼과 일치하지 않으며, 오류를 포함한 채널 스펙트럼으로부터 각 다중 경로의 시간 지연을 추정하므로, 이를 위하여 고속푸리에변환을 이용할 경우 연산에 따른 오차가 발생하여 거리 측정 오류가 증가할 수 있으며, 이산푸리에 연산에 따른 연산량 증가 및 하드웨어 구성 용이도 저하 등의 결과를 가져올 수 있고, 협대역의 다중 경로가 밀집된 실내에서 오류에 의한 시간 지연 오차가 발생할 수 있으며, 이에 따라 거리 측정 오차율이 증가하는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 다중 신호 분류법을 협대역 선형주파수변조된 처프 신호에 적용하여 실내 환경에서 각 노드 간 또는 송, 수신 장치 간의 거리를 측정할 수 있는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 다중경로가 밀집된 실내 환경의 제한된 대역폭에서도 시간 지연(TOA)추정의 정확도(Resolution)가 높은 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 처프 신호의 지연 특성을 이용하여 시간 지연으로 결정되는 특정 주파수의 정현파를 생성하고, 다중 신호 분류법을 적용 및 응용하여 특정 주파수를 추정함으로써, 시간 지연을 이용한 거리 측정이 가능한 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 채널 스펙트럼 및 지연시간과 감쇠의 추정 연산을 삭제하여 연산량을 감소시키고, 이에 따른 하드웨어 복잡도를 낮출 수 있는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 무선 통신 시스템 기반 송신장치에서 송신신호를 처프 변조하여 수신장치로 전송하는 제1 단계; 송, 수신 장치 간의 다중 경로에 의한 전파 반사로 시간지연된 각 송신신호를 수신 및 합산하되, 각 경로의 감쇠 및 노이즈를 적용하는 제2 단계; 송신신호와 수신신호를 복소곱한 신호의 주파수 추정을 위하여, 다중 분류 신호법을 이용하여 슈도 스펙트럼을 산출하는 제3 단계; 슈도 스펙트럼에서 발생된 피크를 이루는 주파수 중 최저 주파수를 검색 및 이에 따른 시간 지연을 산출하는 제4 단계; 시간 지연에 전파 속도를 곱하여 송, 수신 장치 간 거리를 산출하는 제5 단계; 를 포함하여 이루어진다.

여기서, 제2 단계의 수신 신호는 다중 경로의 각 경로에 따른 감쇠 및 노이즈가 적용되어 합산되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3 단계는 송신신호와 수신신호를 상관연산하여 대략적인 시간지연을 추정하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제3 단계의 수신신호는 공액 연산된 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 제3 단계는 송신신호와 수신신호의 복소곱과 각 다중 경로의 노이즈를 합산하고, 일정 시간 간격으로 샘플링한 디지털 데이터로 변환하는 제1 과정; 벡터 정의를 적용하여 상관 행렬로 변환하고, 고유분해를 이용하여 신호 영역과 노이즈 영역의 고유벡터로 분해하는 제2 과정; 일정 구간의 주파수 중 할당된 주파수의 정현파 벡터와 노이즈 고유벡터의 직교성을 테스트하는 제3 과정; 을 포 함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 직교성 테스트의 출력값은 슈도 스펙트럼에 반비례하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제4 단계의 상기 슈도 스펙트럼에서 발생된 피크는 직교성 테스트의 출력이 0인 경우에 발생되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 노이즈 고유벡터는 부가적 화이트 가우시안 노이즈(AWGN)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상관행렬은 고유값이 다르면 고유벡터가 서로 직교인 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 다중 경로에 따른 시간 지연은 특정 주파수를 가지는 정현파로 변환하는 처프 신호의 특성으로 다중 신호 분류법에 적용하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 무선 통신 시스템 기반 송, 수신 간 거리 추정 방법을 개략적으로 도시한 개념도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 송신장치에서 송신신호인 s(t)는 수신장치로 전송되고, 수신장치에서 수신된 수신신호인 r(t)는 송, 수신 장치 간 거리를 일정속도로 지나기 때문에 일정시간의 시간 지연(τ)이 발생한다.

그리고, 본 개념도에서는 다중경로(Multi-Path)에 의한 분산이 발생하지 않는다고 가정하고, 다중경로에 따른 수신신호의 분산도 역시 발생하지 않는다고 가정하며, 송, 수신 장치 간 최단 거리로 전파가 진행된다고 가정한다.

더불어, 송신신호 s(t)는 처프 변조(Chirp Modulation)된 신호인데, 처프 변조된 신호는 지연 특징을 가지고, 시간 지연(τ)에 의하여 결정되는 특정 주파수의 정현파를 만들 수 있다.

그래서, △ω 는 2π△f 이므로, 시간 지연(τ)에 의하여 주파수(△f)가 결정되는데, 예를 들어 송신신호 s(t)가 송신된 후, 시간 지연(τ)이 증가한 경우에는 주파수(△f)도 증가하고, 시간 지연(τ)이 감소한 경우에는 주파수(△f)도 감소하는 것을 알 수 있고, 이에 따라 시간 지연(τ)에 의하여 결정되는 특정 주파수(△f)의 정현파를 만들 수 있다.

여기서, 송신장치에서 송신하는 송신신호 s(t)는 선형주파수변조된 처프 신호로 나타내면, 하기 수학식 1과 같다.

송신장치에서 송신하는 처프 변조된 신호는 하기 수학식 1과 같다.

여기서, ω_s는 송신신호의 주파수가 증가하는 시점의 주파수이고, ω_bw 는 송신신호의 주파수 대역폭이며, T_c는 송신신호의 주파수 주기이고, θ는 송신신호의 위상(Phase)이다.

그리고, 송신장치에서 수신장치로 도착하기까지는 일정시간이 소요되는데, 수신장치가 전송받는 수신신호에 일정시간의 지연을 적용하면, 이는 하기 수학식 2와 같다.

여기서, τ는 시간 지연(Time Delay)이고, ω_s는 수신신호의 주파수가 증가하는 시점의 주파수이고, ω_bw 는 수신신호의 주파수 대역폭이며, T_c는 수신신호의 주파수 주기이고, θ는 수신신호의 위상(Phase)이다.

그리고, 송신신호와 수신신호를 복소곱(Complex Multiply) 연산하면, 시간 지연(τ)에 비례하는 주파수를 가지는 x(t)가 생성되며, 이는 하기 수학식 3과 같다.

여기서, *는 공액복소수(Complex Conjuate)이다.

상기 수학식 3의 x(t)는 대역폭(ω_bw)에 비례하고, 주기(T_c)에 반비례하는 주파수(△ω)를 가지는데, 이는 하기 수학식 4와 같다.

여기서, △ω는 송신장치에서 수신장치로 도착하기까지의 시간 지연(τ)에 따른 주파수이고, 이는 시간 지연(τ)에 의하여 결정되므로, 주파수의 대역폭(ω_bw) 및 주기(T_c)를 알면 시간 지연(τ)을 산출할 수 있다.

도 3은 도 2의 송신 신호인 선형 주파수 변조된 처프 신호의 파형 및 시간에 따른 주파수를 도시한 그래프이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, (가)는 시간 영역(Time Domain)에서 선형주파수변조된 처프 신호의 파형을 나타내고, (나)는 시간에 따른 처프 신호의 주파수를 도시한 그래프이다.

여기서, (나)를 보면, (가)의 처프 신호에 대하여 시간과 주파수의 관계를 도시하고 있는데, 선형주파수변조된 처프 신호는 시간에 따라 주파수(ω= 2πf)가 단조 증가하는 것을 알 수 있다.

이를 이용하여, 송, 수신 장치 간의 거리를 산출할 수 있는데, 주파수(ω= 2πf)를 산출하고, 이에 따른 시간 지연(τ)을 구하며, 시간 지연(τ)에 전파 속도인 광속(3e8m/s)을 곱하면 송, 수신 장치 간의 거리가 된다.

따라서, 선형주파수변조된 처프 신호는 시간 지연(τ)에 따라 주파수가 단조 증가하는 특성이 있으므로, 시간 지연을 이용하여 주파수를 산출하는 즉, 도착시간(TOA: Time of Arrival) 추정문제를 주파수 추정문제로 변경할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법을 개략적으로 도시한 개념도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 도 3의 경우에는 다중 경로를 고려하지 않은 이상적인(Ideal) 송, 수신 장치 및 송, 수신신호를 설명하였고, 본 개념도에서는 다중 경로에 의하여 송신장치가 다수개의 수신장치로 분산되고, 다수개의 시간 지연을 가져, 각각의 시간 지연에 따라 송신신호가 수신되는 경우를 고려하여 설명한다.

여기서, 송신장치에서 전송된 송신신호(s(t))는 다중 경로에 따라 다수개로 분산되고, 이에 따라 다수개의 시간 지연을 가지는 신호로 수신장치에 전송되는데, 이를 고려한 수신신호(r(t))는 하기 수학식 5와 같다.

여기서, a_k 는 k 번째 경로를 통과한 수신신호의 감쇠(Attenuation)를 나타내고, τ_k 는 k 번째 경로를 통과한 수신신호의 시간 지연을 나타내는데, 이는 송신장치에서 신호를 송출한 시점부터 수신장치로 도착하기까지의 시간이며, Lp는 다중 경로의 개수이다.

따라서, L_p개의 다중 경로를 거친 수신신호의 수는 L_p개가 되고, 이를 합산하기 위하여, k=0부터 L_p-1이라는 인덱스를 다중 경로에 따른 수신신호에 따른 변수인 감쇠(a)와 시간 지연(τ)에 각각 붙여 총 L_p개의 수신신호가 표현된다.

그리고, 총 L_p개의 수신신호에 송신신호를 복소곱하고, 노이즈를 합산하면 L_p개의 정현파를 표현할 수 있고, 이는 하기 수학식 6과 같다.

여기서, x(t)를 이용하여 주파수를 산출해야하는데, 이를 위하여 신호 공간과 노이즈 공간으로 나누어야한다.

우선, x(t)를 시간에 대한 샘플링을 고려한 디지털 데이터로 표시하는데, 이는 하기 수학식 7과 같다.

여기서, l은 샘플링 수인 L 표현하기 위한 인덱스이고, △t는 L개로 샘플링된 디지털 데이터에서, 1 개의 샘플링 시간인 시간 간격을 나타내는데, x(l)을 하기 수학식 8과 같은 벡터 정의를 이용하여 간략화하기 위함이고, 벡터 정의는 하기 수학식 8와 같다.

상기 수학식 8의 벡터 정의를 이용하여 신호 x(t)를 간략화하면 하기 수학식 9와 같다.

X = S + w = V_sα + w

여기서, X는 신호 x(t)의 위상 벡터이며, S 는 L_p개의 수신신호와 송신신호 의 복소곱(x(t))에 대한 벡터이고, α는 각각의 경로에 대한 감쇠(a) 및 위상 변화에 대한 벡터이며, w는 노이즈(n(t))에 대한 벡터이다.

그리고, 본 발명에 따른 다중 신호 분류법은 자기상관행렬의 고유분해를 기반을 두고 있으므로, 상기 X의 상관행렬(Rxx)을 나타내면 하기 수학식 10과 같다.

여기서, H 는 허미션 행렬(Hermition Matrix)이고, 상관행렬(Rxx)에 대한 고유분해를 통하여 고유값과 고유벡터로 신호 영역과 노이즈 영역을 분리한다.

또한, 고유벡터(Eigen Vector) 를 산출하면, V_sAV_s ^H는 x(t)에 대한 신호 성분을 나타내는 벡터로, σ² _nI는 x(t)에 대한 노이즈 성분을 나타내는 벡터로 나눠지는데, 상관행렬(R_xx)은 고유값이 다르면 고유벡터가 직교인 특성을 가지며, 이는 하기 수학식 11과 같다.

여기서, S(f)는 슈도 스펙트럼이고, q_k는 노이즈 고유벡터이며, v(f)는 임의의 주파수 f 를 가지는 정현파 벡터이고, L_p는 다수개의 다중 경로의 수이며, L은 샘플링 수이다.

그리고, 한 신호에 대한 신호 고유벡터와 노이즈 고유벡터는 직교이다.

이때, 슈도 스펙트럼을 구하기 위하여, 임의의 구간의 주파수를 입력하는데, 예를 들어 100Hz 부터 1Mhz 까지 주파수를 증가시켜가면서 입력하고, 이때 임의의 주파수 f가 입력된 정현파 벡터인 v(f)와 q_k가 직교할 경우 cos 90˚는 0 이므로 슈도 스펙트럼 S(f)는 무한대가 된다.

이에 따라, 임의의 주파수를 f라 하고, f를 상기 수학식 11의 정현파 벡터 v(f)에 입력하여 슈도 스펙트럼 S(f)을 구했을 때, 신호 고유벡터와 노이즈 고유벡터의 직교성으로 인하여 슈도 스펙트럼 S(f)가 무한대가 되는 경우, 즉 임펄스와 같은 피크(Peak)가 출력되는 경우에는 임의의 주파수 f 가 신호 x(t)에 포함되었던 신호인 것임이 증명된다.

여기서, 임의의 주파수 f 가 x(t)에 포함되지 않았던 주파수라면, 직교성으로 인한 0 값이 출력되지 않고, 이에 따라 슈도 스펙트럼은 무한대가 아닌 특정값 을 가지게 된다.

따라서, 임의의 주파수 f를 입력하여 계산한 슈도 스펙트럼 S(f)가 무한대인 경우의 f를 상기 수학식 4에 대입하면 시간 지연을 구할 수 있고, 이는 하기 수학식 12와 같다.

여기서, 주파수의 주기(T_c)와 주파수의 대역폭(ω_bw)은 측정 가능하므로, 이를 대입하면 시간 지연(τ)을 산출할 수 있다.

그리고, 시간 지연(τ)에 광속을 곱하면 송신장치와 수신장치 간의 거리가 산출되는데, 그 이유는 전파는 광속으로 진행하기 때문이고, 이는 하기 수학식 13과 같다.

거리[m] = τ[sec] * 3e8 [m/s]

그래서, 상기와 같은 특성을 이용하여 신호 x(t)에 포함된 주파수를 찾아낼 수 있는데, 예를 들어, 주파수를 1Hz에서 100Hz까지 증가시키면서 입력한 v(f)에 대한 슈도 스펙트럼 S(f)를 모두 출력하고, 슈도 스펙트럼이 무한대인 피크값을 가지는 주파수들 중에서 가장 낮은 주파수를 이용하여 거리를 측정한다.

그 이유는, 주파수를 낮은 주파수에서 점차 증가시켜가면서 대입하기 때문인데, 가장 낮은 주파수에서 검출된 시간 지연이 최소 시간 지연이고, 최소 시간 지연의 의미는 송신장치에서 다중 경로를 통하여 다수개의 신호로 반사되어 수신장치로 도착한 수신신호 중 최초 도착 신호라는 뜻이므로, 정확한 송, 수신장치 간 거리 측정을 위해서는 슈도 스펙트럼의 피크를 이루는 주파수들 중 최저 주파수를 이용해야한다.

도 5는 본 발명에 따른 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이며, 도 6은 도 5의 거리 추정 방법을 부분적으로 상세히 도시한 흐름도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 송신장치에서 수신장치로 선형주파수변조된 처프 신호인 송신신호를 전송한다(S10).

그리고, 송신장치의 송신 안테나를 통하여 채널로 확산된 송신신호는 최단거리를 거쳐 지나가는 것이 아니고, 다중 경로에 의하여 다수의 반사가 발생하는 경우를 고려하므로, 이에 따라 전파는 각각의 다중 경로에 의하여 반사되어 수신장치로 수신된다(S20).

여기서, 수신장치는 동일한 신호에 대하여, 각각 다른 시간 지연을 가지고 송신신호를 수신하게 되고, 각각의 시간 지연이 적용된 송신신호의 각각을 수신신 호라 한다.

예를 들어, 송신신호가 다중 경로에 의하여 τ₁ 의 시간 지연으로 수신장치에 도착한 경우라면, 수신신호 r₁(t)는 s(t-τ₁)가 되고, 송신신호가 다중 경로에 의하여 τ₂ 의 시간 지연을 가지고 수신장치에 도착한 경우라면, 수신신호 r₂(t)는 s(t - τ₂)가 된다.

또한, 수신신호 r(t)는 상기와 같은 다중 경로에 의하여 수신된 신호를 모두 합하되, 각각의 다중 경로에 따른 감쇠(Attenuation) 및 노이즈를 적용하고, 이를 복소곱연산(Complex Conjugate)을 실시한다(S30).

그 이유는, 시간 지연된 선형주파수변조된 처프 신호인 수신신호와 송신신호를 복소곱 연산하면, 시간지연 또는 도착시간에 의하여 결정되는 주파수를 가지는 정현파가 생성되기 때문에, 상기 정현파를 이루는 주파수를 산출할 수 있다면, 역으로 시간지연 또는 도착시간을 추정할 수 있고, 이에 따라 송, 수신 장치 간의 거리 측정이 가능하기 때문이다.

또한, 다수의 다중 경로가 존재하는 상황에서 각 경로에 따른 감쇠율이 다르고, 각 경로의 시간지연에 따라, 각각 다른 주파수를 가진 정현파가 생성되므로, 다중 신호 분류법을 이용하여 상기 주파수를 분리하면 시간지연 또는 도착시간을 정확하게 추정할 수 있다.

따라서, 다중 경로가 존재하는 상황 및 실내 환경에서 거리를 측정하기 위하여, 다중 신호 분류법을 이용하여 주파수 추정을 통한 슈도 스펙트럼(Pseudo - Spectrum)을 산출한다(S40).

여기서, 상기 단계(S20)에서 대략적인 도착시간(TOA) 또는 시간 지연을 상관연산으로 찾은 후, 상기 단계(S30)로 진행하지만, 상기 단계(S20)에서는 대략적인 도착시간 또는 시간 지연을 산출하여 정확한 추정에 근접할 수 없다.

그래서, 상기 단계(S40)에서 주파수 추정을 위한 슈도 스펙트럼을 산출하는 상세한 과정은 다음과 같다.

우선, 송신신호와 수신신호의 복소곱연산을 실시하되, 각각의 다중 경로에 따른 감쇠와 노이즈를 적용한 후 실시하고, 시간 간격 △t로 L 개의 샘플을 생성하는 샘플링을 고려하여, 이에 따른 디지털 데이터 처리(DSP)를 위한 디지털 데이터로 변환시킨다(S41).

이때, 샘플링된 신호는 이산적인 형태로 정리가 되는데, 노이즈는 부가적 화이트 가우시안 노이즈(AWGN: Additive White Gaussian Noise)로 표현된다.

그리고, 벡터 정의에 의하여 상관행렬(Correlation Matrix)로 변환시키는데(S42), 다중 신호 분류법은 선형 대수의 자기상관행렬 고유분해(Eigen Decomposition)에 기반하여 변형된 수신신호는 고유벡터(Eigen Vector)와 고유값(Eigen Value)로 분해된다.

더불어, 고유값은 신호 벡터와 노이즈 벡터에 해당하는 값이며, 신호 공간(Signal Space)과 노이즈 공간(Noise Space)을 구분하는 데 이용된다.

또한, 상관 행렬은 고유값이 다르면, 고유 벡터가 서로 직교한 특성을 가지고 있으므로, 신호 고유벡터는 신호 공간을 정의하는 기반이 되고, 노이즈 고유벡 터는 노이즈 공간을 정의하는 기반이 된다.

그리고, 부가적 백색 가우시안 노이즈이므로 신호 공간과 노이즈 공간은 직교하므로, 신호 고유벡터는 노이즈 고유벡터에 직교하다.

이때, 다중 신호 분류법을 이용하는 본질적인 이유가 신호 고유벡터와 노이즈 고유벡터가 직교하므로, 높은 정확도의 시간 지연을 추정하기 위하여, 신호에 직교한 노이즈 공간을 이용한다.

따라서, 고유분해를 이용하여 고유값과 고유벡터로 구분하고, 이에 따라 신호 영역의 신호 고유벡터와 노이즈 영역의 노이즈 벡터로 분리하고(S43), 노이즈 공간의 노이즈 고유벡터를 이용하여 일정 구간의 임의의 주파수를 할당하고, 상기 주파수를 가지는 정현파 벡터와 노이즈 고유벡터의 직교성을 테스트한다(S44, S45).

여기서, 신호에 임의의 주파수 존재 유, 무를 확인하기 위하여, 직교성을 테스트하는데, 동일 주파수를 가지는 정현파 벡터와 이에 대한 노이즈 고유벡터를 곱하는 경우에는 직교한 벡터의 곱은 COS ∠90°= 0 이 산출된다.

반대로, 임의의 주파수가 신호에 존재하는 주파수인지의 여부를 확인하기 위한 직교성 테스트에서 다른 주파수를 가지는 정현파 벡터와, 노이즈 고유벡터를 곱하는 경우에는 동일 신호에서 산출된 고유벡터가 아니므로 직교하지 않고, 이에 따라 0 이 산출되지 않는다.

따라서, 상기 단계(S45)에서 실시한 직교성 테스트에서 산출된 주파수 중, 0 값에 의하여 슈도 스펙트럼이 무한대가 되는, 즉 피크값을 갖는 주파수를 검색하 고, 상기 피크값을 갖는 주파수 중에서 최저 주파수를 검색한다(S51).

그 이유는, 신호에 포함된 주파수 중에서, 최저 주파수는 시간 지연이 가장 적기 때문이다.

따라서, 검색된 최저 주파수를 이용하여 시간 지연을 산출하고(S52), 이에 따른 송, 수신 장치 간의 거리를 측정할 수 있다.

도 7은 본 발명과 종래 기술을 시간 지연에 따른 슈도 스펙트럼으로 비교하여 도시한 그래프이고, 도 8은 본 발명과 종래 기술을 대역폭에 따른 평균제곱오차를 비교하여 도시한 그래프이며, 도 9는 본 발명과 종래 기술을 신호대잡음비에 따른 평균제곱오차를 비교하여 도시한 그래프이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 슈도 스펙트럼을 통하여 본 발명과 종래 기술에 성능 차이가 도시되는데, 본 발명은 실제 도착 시간 또는 실제 지연시간과의 오차는 존재하지만, 종래 기술에 따른 방법을 이용한 오차에 비하여 오차가 감소된 것을 알 수 있다.

그리고, 본 발명과 종래 기술의 성능 차이를 대역폭에 따른 평균제곱오차를 통하여 나타내는데, 본 발명은 종래 기술에 비하여 신호의 대역폭과 관계없이 약 20%의 오차가 감소되고, 20MHz 일 경우 거리 정확도를 약 10% 정도 향상시킨다.

또한, 본 발명과 종래 기술의 성능 차이를 신호대잡음비(SNR)에 따른 평균제곱오차를 통하여 나타내는데, 본 발명은 종래 기술에 비하여 신호의 신호대잡음비에 관계없이 거의 일정하게 오차가 감소된 것을 확인할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허 청구 범위내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 처프 신호의 지연 특성을 이용하여 다중 경로를 통과하여 수신된 처프 신호를 각 경로의 시간 지연에 대응되는 특정 주파수를 가지는 정현파가 합산된 데이터로 변환한 후, 다중 신호 분류법을 응용하여 채널 스펙트럼의 추정 과정을 삭제하여 연산량을 감소시키고, 이에 따른 하드웨어를 용이하게 구성할 수 있으며, 거리 측정 오류를 제거하고, 다중 경로가 밀집된 실내 환경에서도 정확한 시간 지연(TOA)을 추정할 수 있으며, 협대역의 주파수에서도 정확도를 높일 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims (10)

1. 무선 통신 시스템 기반 송신장치에서 송신신호를 처프 변조하여 수신장치로 전송하는 제1 단계;

   송, 수신 장치 간의 다중 경로에 의한 전파 반사로 시간지연된 각 송신신호를 수신 및 합산하되, 각 경로의 감쇠 및 노이즈를 적용하는 제2 단계;

   송신신호와 수신신호를 복소곱한 신호의 주파수 추정을 위하여, 다중 분류 신호법을 이용하여 슈도 스펙트럼을 산출하는 제3 단계;

   슈도 스펙트럼에서 발생된 피크를 이루는 주파수 중 최저 주파수를 검색 및 이에 따른 시간 지연을 산출하는 제4 단계;

   시간 지연에 전파 속도를 곱하여 송, 수신 장치 간 거리를 산출하는 제5 단계;

   를 포함하여 이루어지는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   제2 단계의 수신 신호는 다중 경로의 각 경로에 따른 감쇠 및 노이즈가 적용되어 합산되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 제3 단계는

   송신신호와 수신신호를 상관연산하여 시간지연을 추정하는 단계;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 제3 단계의 수신신호는 공액 연산된 것을 특징으로 하는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 제3 단계는

   송신신호와 수신신호의 복소곱과 각 다중 경로의 노이즈를 합산하고, 일정 시간 간격으로 샘플링한 디지털 데이터로 변환하는 제1 과정;

   벡터 정의를 적용하여 상관 행렬로 변환하고, 고유분해를 이용하여 신호 영역과 노이즈 영역의 고유벡터로 분해하는 제2 과정;

   일정 구간의 주파수 중 할당된 주파수의 정현파 벡터와 노이즈 고유벡터의 직교성을 테스트하는 제3 과정;

   을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 직교성 테스트의 출력값은 슈도 스펙트럼에 반비례하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법.
7. 청구항 5에 있어서,

   상기 제4 단계의 상기 슈도 스펙트럼에서 발생된 피크는 직교성 테스트의 출력이 0 인 경우에 발생되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법.
8. 청구항 5에 있어서,

   상기 노이즈 고유벡터는 부가적 화이트 가우시안 노이즈(AWGN)인 것을 특징으로 하는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법.
9. 삭제
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 다중 경로에 따른 시간 지연은 특정 주파수를 가지는 정현파로 변환하는 처프 신호의 특성으로 다중 신호 분류법에 적용하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 기반 송, 수신 장치 간 거리 추정 방법.

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