KR101139139B1 - 다중경로 채널 환경에 적합한 ｂｏｃ 신호 획득 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 BOC(Binary Offset Carrier) 신호 획득 방법으로서, BOC 신호를 수신하는 단계와, BOC 신호의 주변 첨두를 제거하는 단계 및 주변 첨두가 제거된 신호에서 상기 주변 첨두가 제거된 신호를 시간 지연시킨 신호를 차감하는 단계를 포함한다.

Description

다중경로 채널 환경에 적합한 ＢＯＣ 신호 획득 방법{BOC acquisition method for multipath environment}

본 발명은 다중경로 채널 환경에 적합한 BOC(binary offset carrier) 신호 획득 방법에 관한 것으로, 특히 차세대 위성 항법 시스템인 (global navigation satellite system) Galileo 시스템 및 GPS (global positioning system) 현대화 시스템 등에서 사용될 예정인 다양한 형태의 BOC 신호의 동기화에서 다중경로 채널에 적합한 신호 획득에 관한 것이다.

위성 항법 시스템에서는 시간 동기화 오차가 거리 측정 오차와 직결되며, 정확한 신호 동기화는 신뢰성 있는 위성 항법 시스템의 구현에 있어 매우 중요하다.

BOC 신호의 동기화는 일반적으로 신호를 추적 가능한 일정 범위 이내로 맞춰주는 신호 획득 과정과 보다 정확하게 시간 동기를 맞추고 이를 유지하는 추적 (tracking) 과정의 두 단계로 이루어진다. 따라서 BOC 신호 동기화의 첫 단계인 신호 획득 과정이 올바르게 동작해야 신뢰성 있는 BOC 신호 동기화가 가능하다.

그러나, BOC 신호의 자기상관함수는 (autocorrelation) 다수의 주변 첨두를 가지기 때문에 신호 획득 과정에서 주 첨두(main-peak)가 아닌 주변 첨두(side-peak)에서 신호가 획득되는 문제가 발생(false acquisition)하며, 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.

본 발명에서는 다중경로 채널 환경에서 발생하는 시간 지연된 주 첨두의 영향을 제거하는 신호 획득 방법을 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 BOC(Binary Offset Carrier) 신호 획득 방법은 상기 BOC 신호를 수신하는 단계와, 상기 BOC 신호의 주변 첨두를 제거하는 단계 및 주변 첨두가 제거된 신호에서 상기 주변 첨두가 제거된 신호를 시간지연 시킨 신호를 차감하는 단계를 포함한다.

본 발명에서는 다중경로 채널 환경에 적합한 신호 획득 기술을 개발함으로써 다중경로 채널 환경에서 발생하는 시간 지연된 주 첨두의 영향을 완벽히 제거하였다. 이를 통해 다중경로 채널 환경에서 신뢰성 있는 신호 획득을 구현 가능하고, 이를 통해 올바른 신호 획득 결과를 추적 과정으로 전달함으로써 올바른 지점에서 신호 동기화가 완료될 수 있다. 이를 통해 BOC 신호 동기화의 가장 큰 위협이 되는 다중경로 채널의 영향을 극복하고 신뢰성 있는 신호 동기화를 구현할 수 있다.

도 1은 SinBOC(1, 1)에 대한 정규화된 BOC 자기상관함수 및 정규화된 기존 기법의 상관함수를 나타내는 그래프이다.
도 2는 다중경로 채널에서 SinBOC(1, 1)에 대한 정규화된 BOC 자기상관함수 및 정규화된 기존 기법의 상관함수를 나타내는 그래프이다.
도 3은 다중경로 채널 (α=0.75Tc) 환경에서 SinBOC(1, 1)에 대한 제안한 상관함수의 예를 나타내는 그래프이다.
도 4는 다중경로 채널 (α=Tc) 환경에서 SinBOC(1, 1)에 대한 제안한 상관함수의 예를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

BOC 신호는 일반적으로 부반송파(subcarrier)의 위상에 따라 사인(sine) 위상 BOC 및 코사인(cosine) 위상 BOC로 구분된다. sine 위상 BOC와 cosine 위상 BOC는 부반송파가 각각 sine 위상 및 cosine 위상을 가지는 경우를 의미하고, SinBOC(kn, n) 및 CosBOC(kn, n)으로 나타낸다. 여기서 k는 의사잡음코드 (pseudorandom noise code) 전송률과 부반송파 주파수와의 비를 나타내는 양의 정수이고, n은 의사잡음코드 전송률과 1.023 MHz와의 비를 나타낸다. 이는 하나의 의사잡음코드 칩 내부에 k 주기의 부반송파 펄스가 존재하는 것을 의미한다.

본 발명의 실시예에 따른 신호 획득 방법은 SinBOC(kn, n) 및 CosBOC(kn, n) 신호 모두에 적용 가능하며, 본 특허의 바람직한 실시 예를 위해서 일반적인 SinBOC 신호 s_sin(t)를 수학식 1과 같이 나타낸다.

[수학식 1]

s_sin(t)=c(t)d(t)c_sc(t)

여기서 c(t)는 의사잡음코드, d(t)는 항법 데이터, 그리고 c_sc(t)는 BOC 신호의 부반송파를 나타내며, 의사잡음코드

에서 ci ∈{1, -1}는 주기 T를 가지는 의사잡음코드의 i번째 칩 부호, Tc는 칩 신호 구간, p_Tc(t)는 [0, Tc]에서 정의되는 진폭이 1인 구형파 신호를 나타낸다.

구형 부반송파

에서 Tsc=(Tc/2k)는 부반송파 신호 구간, p_Tsc(t)는 [0, Tsc]에서 정의되는 진폭이 1인 구형파 신호를 나타낸다. 위성 항법 시스템에서는 일반적으로 동기화를 위한 파일럿(pilot) 채널을 제공하고 있으며, 파일럿 채널에서는 빠르고 정확한 동기화를 위해 d(t)=1인 특성을 가진다. 본 발명의 실시예에서는 파일럿 채널에서 동작하는 신호 획득 방법에 관한 것이다.

신호 획득 과정에서 주 첨두가 아닌 주변 첨두에서 신호가 획득되는 문제를 해결하기 위하여,

를 BOC 신호의

번째

기저 신호들을 기준 신호로 설정하고, 수신된 BOC 신호와 상기 기준 신호들의 상관함수 R^ℓ(τ)들을 다음과 같이 결합함으로써 주변 첨두를 완벽히 제거한 새로운 상관함수를 얻는다

[수학식 2]

여기서 R⁰(τ)와 R^{2K -1}(τ) 각각은 BOC(kn, n) 신호와 기저신호인 신호 s⁰ _sin(t) 및 s^{2k -1} _sin(t)와의 상관값이다.

BOC 자기상관함수는 도 1의 (a)의 SinBOC(1, 1)의 자기상관함수와 같이 주변 첨두를 가지고 있으며, 주변 첨두에서 신호가 획득되는 문제가 발생할 수 있으나, 위 수학식 2에 의한 상관함수 R₁(τ)는 SinBOC(1, 1)에 대하여 도면1의 (b)와 같이 주변 첨두를 완벽하게 제거한다(이와 같이, 기저 신호들을 기준 신호로 설정하고, 수신된 BOC 신호와 상기 기준 신호들의 상관함수 R¹(τ)들을 다음과 같이 결합함으로써 주변 첨두를 완벽히 제거한 새로운 상관함수에 관한 내용은 등록특허 번호 10-0835891에 상세히 기재되어 있으므로, 본 명세서에서는 상세한 설명은 생략한다.)

그러나 다중경로 채널 환경에서는 지연된 주 첨두가 중첩되어 존재하며, 이로 인해 올바른 주 첨두가 아닌 시간 지연된 주 첨두에서 신호가 획득되는 문제가 발생한다. 도 2는 수학식 3과 같은 임펄스 응답을 가지는 다중경로 채널 환경에서 위 특허기술의 SinBOC(1, 1)에 대한 상관함수를 시간 지연이 0.5Tc, 0.75Tc인 경우에 대해 나타낸다.

[수학식 3]

h(t)= δ(t)+0.5δ(t-α)

여기서 δ(t)는 Dirac-delta 함수를 의미하고, α는 다중경로 성분의 시간 지연을 나타낸다. 도 2의 (a)는 다중경로 지연 α가 0.75Tc인 경우, 위 특허기술의 의 상관함수를 나타낸다. 지연된 주 첨두로 인해 시간 지연이 0이 아닌 곳(시간지연 = 0.35Tc, 0.75Tc)에서 피크 값이 발생하며, 올바른 주 첨두(시간 지연 = 0)에서 신호가 획득되지 않고 지연된 주 첨두에서 신호가 획득되는 문제가 발생할 수 있다. 도 2의 (b)는 α=Tc인 경우 위 특허기술의 상관함수를 나타내며, 도 2의 (a)와 마찬가지로 올바른 주 첨두가 아닌 지연된 주 첨두에서 신호가 획득되는 문제가 발생할 수 있음을 확인할 수 있다. 실제로 다중경로 채널은 BOC 신호 동기화 성능을 하락시키는 가장 지배적인 방해요소이므로, 신뢰성 있는 BOC 신호 동기화를 위해서는 반드시 다중경로 채널의 영향을 제거해야 한다.

본 발명의 실시예는 다중경로 채널 환경에 적합한 새로운 신호 획득 방법에관한 것으로, 신호 획득 과정에서 사용되는 상관함수 R(τ)는 위 특허기술의 상관함수 R₁(τ)를 이용하여 생성할 수 있으며 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

여기서 βi(>0)는 사용자의 편의에 맞게 설정 가능한 i번째 시간 지연 값을 의미한다. 구체적으로는 R₁(τ)가 시간 지연이 음수인 구간에서 주변 첨두가 완벽히 제거되었기 때문에, R₁(τ)에서 시간 βi 만큼 지연된 (R₁(τ- βi))을 뺌으로써 다중경로 채널 환경에서 지연된 주 첨두 값을 제거할 수 있다.

수학식 4는 실제 시스템이 겪는 다중경로 채널에 맞게 사용자가 적응적으로 이용 가능하도록 임의의 시간 지연 βi가 임의의 개수만큼 존재하는 경우를 가정한 기본적인 형태이며 SinBOC(kn, n) 및 CosBOC(kn, n) 신호 모두에 적용 가능하다.

상기 수학식 4의 상관 함수는 본 실시예에 따른 신호 획득 방법에서 검정 통계량으로 사용되며, 한 의사잡음부호 신호 구간 동안 R(τ)값을 조사한 후 가장 큰 값을 가지는

의 시간 지연

를 추적 과정으로 전달한다.

수학식 4로 대표되는 본 특허에 대해 SinBOC(kn, n)에 대한 바람직한 실시 예 Rex₁(τ), Rex₂(τ)를 각각 수학식 5와 수학식 6에서 나타내었다.

[수학식 5]

[수학식 6]

여기서 Tm은 R₁(τ)의 주 첨두의 폭을 의미하고, N은 Tc내에 들어갈 수 있는 R₁(τ)의 주 첨두 개수를 나타낸다(N=Tc/Tm). 상기 수학식 4는 다중경로 지연 α값이 상대적으로 클 경우 활용 가능하며, 올바른 주 첨두인 R₁(τ)값에

항이 영향을 미치지 않도록 설계하는 경우를 나타낸다. 반면 상기 수학식 6은 다중경로 지연 α값이 상대적으로 작아서 R₁(τ)의 주 첨두와 다중경로 채널로 인해 지연된 주 첨두가 중첩되어 나타나는 경우 활용 가능하며, 지연된 주 첨두가 올바른 주 첨두에 더해진 부분을

항이 제거할 수 있도록 설계하는 경우를 나타낸다. 비록 이를 통해 생성된 주 첨두의 형태가 시간 지연이 0인 지점을 중심으로 비대칭적으로 나타날 수 있으나, 시간 지연이 0인 지점에서 최대 값을 가지기 때문에 올바른 신호 획득이 가능하다.

도 3은 다중경로 채널 (α=0.75Tc) 환경에서 SinBOC(1, 1)에 대해 수학식 5의 상관함수를 나타낸다. 여기서 SinBOC(1, 1)를 고려하였기에 Tm은 0.5Tc, N은 2로 설정하였다. 도 3에서 보는 바와 같이 비록 제안한 상관함수의 주 첨두의 시간 지연이 양수인 부분은 기존의 R₁(τ)에 비해 작은 값을 가지지만, 시간 지연이 0인 지점에서 최대값 1을 유지하고 있으며, 주변 첨두가 완벽히 제거 되었음을 확인할 수 있다. 제안한 상관함수는 음수의 주변 첨두를 일부 가지고 있으나, 오직 양수의 주변 첨두만이 신호 획득 과정에서 문제를 발생시키며, 음수의 주변 첨두는 신호 획득 과정에서 문제를 일으키지 않는다. 도 4는 다중경로 채널 (α=Tc) 환경에서 SinBOC(1, 1)에 대해 수학식 5의 상관함수를 나타낸다. 도 3에서와 마찬가지로 제안한 기술은 다중경로 채널 환경에서도 주변 첨두를 완벽히 제거할 수 있음을 확인 가능하다. 상기 수학식 5 및 수학식 6의 상관 함수는 본 특허에서 개발한 신호 획득 과정에서 검정 통계량으로 사용될 수 있으며, 한 의사잡음부호 신호 구간 동안 Rex₁(τ), Rex₂(τ) 값을 조사한 후 가장 큰 값을 가지는

및

의 시간 지연

및

를 추적 과정으로 전달한다.

본 기술은 다양한 형태의 SinBOC(kn, n) 및 CosBOC(kn, n) 신호에 대하여 수학식 5의 형태에 알맞도록 용이하게 구현 가능하다.

이상 바람직한 실시예와 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 관해 구체적으로 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (2)

1. BOC(Binary Offset Carrier) 신호 획득 방법에 있어서,
   상기 BOC 신호를 수신하는 단계;
   상기 BOC 신호의 주변 첨두를 제거하는 단계; 및
   주변 첨두가 제거된 신호에서 상기 주변 첨두가 제거된 신호를 시간 지연시킨 신호를 차감하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 BOC 신호 획득 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 주변 첨두를 제거하는 단계는 아래의 수식
   

   

   
   (상기 BOC 신호는 의사잡음부호 1칩에 k주기의 sine 또는 cosine 위상을 가지는 사각 부반송파가 곱해지고 2k개의 사각 펄스로 이루어지는 BOC(kn, n)으로 정의되고, 상기 k는 양의 정수이고, n은 의사잡음부호의 주파수이고R⁰(τ)와 R^{2K -1}(τ) 각각은 BOC(kn, n) 신호와 기저신호인 신호 s⁰ _sin(t) 및 s^{2k -1} _sin(t)와의 상관값)
   을 통해 수행하는 것이고,
   상기 차감하는 단계는 아래의 수식
   

   

   
   (i는 0이상의 정수이고, 상기 βi는 i번째 시간 지연 값)
   을 통해 수행하는 것
   인 BOC 신호 획득 방법.
   

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