KR101183661B1 - Ｄｓ-ｕｗｂ 신호의 반복 사용에 기반한 거리 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직접확산초광대역(Direct Sequence Ultra Wide Band, DS-UWB) 무선 통신 시스템을 이용해 목표물까지의 거리를 추정하는 방법에 관한 것으로서, 일면에 따른 거리 추정 방법은, 결정된 반복회수에 따라 PN 수열을 반복시켜 생성된 DS-UWB 송신신호를 송신하는 단계와, DS-UWB 송신신호가 목표물에 반사되어 되돌아 온 수신신호에 대해 정합 필터를 통과시켜 상관 함수 연산을 수행하는 단계와, 상관 함수 연산 결과에 따라 얻어진 피크의 개수와 기준 피크 수를 비교하고, 얻어진 피크의 개수가 더 많을 때, DS-UWB 송신신호의 송신시간 및 수신신호의 수신시간 간의 시간지연을 이용하여 거리 및 편차를 계산하는 단계 및 계산된 편차의 크기와 기준 편차크기를 비교하여 반복회수를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

ＤＳ-ＵＷＢ 신호의 반복 사용에 기반한 거리 측정 방법{distance measuring method based on repetition of DS-UWB signals}

본 발명은 직접확산초광대역(Direct Sequence Ultra Wide Band, DS-UWB) 무선 통신 시스템을 이용해 목표물까지의 거리를 추정하는 방법에 관한 것이다.

최근 DS-UWB 기술을 이용하여 거리를 측정하는 차량 레이더(radar) 기술이 많이 연구되고 있다. 차량 레이더 기술은 빠른 속도로 이동하는 차량들 사이에서 정확하게 거리를 측정해야 한다. 빠른 속도로 이동하는 차량들 사이에서 운전자로 하여금 충돌을 방지하며, 안전하게 운행할 수 있게 하기 위해서는 짧은 시간 안에 거리를 측정하는 것이 요구된다. DS-UWB 시스템에서 거리를 측정하는데 중요한 요소로 상관 함수 연산 시간을 들 수 있다. 기존에 DS-UWB를 이용한 기법들은 거리를 측정하는데 소요되는 상관 함수 연산 시간이 오래 걸린다는 단점이 있었다.

이러한 단점을 해결하기 위해서 최근 개발된 거리 측정 장치가 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 종래의 직접 시퀀스 초광대역(direct sequence ultra wide band, 이하DS-UWB라 함) 무선 통신 시스템 기반의 거리 측정 장치를 나타내는 구성도이다. 종래의 거리 측정 장치는, 하나의 긴 PN 수열을 이용하는 것이 아니라, 서로 다른 길이의 PN 수열(PN1, PN2, PN3, PN4, PN5) 중 하나의 수열을 선택하여 거리를 측정하는 기술에 관한 것이다. 이 기술은 5개의 PN 수열(PN1, PN2, PN3, PN4, PN5) 중에서 하나의 수열을 선택하여 송신 안테나를 통해 전송하고, 목표물로부터 반사된 수신 신호를 5개의 정합 필터 중에서 송신 신호에 대한 정합 필터를 통과시켜 그 결과를 거리를 계산하는 데 이용하였다. 이 때 얻게 되는 peak의 개수가 정해진 개수 이상이 되면 각 피크를 통해 계산된 시간 지연을 이용하여 앞의 목표물과의 거리를 계산하고, 만약 피크의 개수가 정해진 개수 이하가 되면 피크를 계산하는 연산을 반복하여 시간 지연을 계산하고 거리를 측정한다. 측정된 거리의 편차가 시스템에서 요구되는 편차 값보다 커지면 PN 수열을 보다 긴 수열로 바꾸어 송수신하고 거리를 다시 계산하여 편차가 작은 수열을 찾는 방법이었다.

그러나 이 기술 역시 거리를 계산하는 데 여러 수열들 가운데 긴 PN 수열부터 짧은 수열 순서로 사용하므로, 상관 함수 연산 처리 시간이 오래 걸리고, 여러 개의 PN 수열 생성기와 정합 필터들을 사용하므로 시스템을 복잡하게 만드는 단점이 있다.

본 발명은 DS-UWB 무선 통신 시스템을 이용해 목표물까지의 거리를 추정하는 방법에 관한 것으로, 특히 기존의 방식들에 비해 낮은 구현 복잡도로 구현 가능하며, 짧은 PN 수열을 반복적으로 사용함으로써 근거리 측정시 상관 함수 연산 속도를 향상시켜 거리 측정에 걸리는 시간을 단축시키는 데 그 목적이 있다.

진술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 직접확산초광대역(Direct Sequence Ultra Wide Band, DS-UWB) 무선 통신 시스템을 이용해 목표물까지의 거리를 추정하는 방법은, 결정된 반복회수에 따라 PN 수열을 반복시켜 생성된 DS-UWB 송신신호를 송신하는 단계와, 상기 DS-UWB 송신신호가 상기 목표물에 반사되어 되돌아 온 수신신호에 대해 정합 필터를 통과시켜 상관 함수 연산을 수행하는 단계와, 상기 상관 함수 연산 결과에 따라 얻어진 피크의 개수와 기준 피크수를 비교하고, 상기 얻어진 피크의 개수가 더 많을 때, 상기 DS-UWB 송신신호의 송신시간 및 상기 수신신호의 수신시간 간의 시간지연을 이용하여 거리 및 편차를 계산하는 단계 및 상기 계산된 편차의 크기와 기준 편차크기를 비교하여 상기 반복회수를 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 본 발명은 DS-UWB 무선 통신 시스템을 이용해 목표물까지의 거리를 추정하는 방법으로, 기존 기법의 구현 복잡성과 초기에 거리를 측정하는 데 있어서 긴 상관 함수 처리 시간에 따른 문제점을 해결하기 위해, 짧은 PN 수열부터 반복적으로 사용함으로써, 상관 함수의 처리 시간을 단축시키고 복잡한 시스템을 간소화시키는 효과가 있다.

도 1은 종래의 직접 시퀀스 초광대역(direct sequence ultra wide band, 이하DS-UWB라 함) 무선 통신 시스템 기반의 거리 측정 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 DS-UWB 시스템 기반의 거리 측정 장치를나타내는 구성도이다.
도 3은 도 2의 거리 측정 장치를 이용하여 거리 측정에 관한 모의실험을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 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 실시 예들을 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.

도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 DS-UWB 시스템 기반의 거리 측정 방법 및 장치를 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 DS-UWB 시스템 기반의 거리 측정 방법 및 장치를 설명하기 위한 구성도이고, 도 3은 도 2의 거리 측정 장치를 이용하여 거리 측정에 관한 모의실험을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 DS-UWB 시스템 기반의 거리 측정 장치는, PN 수열 생성기(110)와, 순환기(120)와, 송수신 안테나(130)와, 상관기(150)와, 거리 계산기(160)와, 반복회수 조절기(170)를 포함한다.

PN 수열 생성기(110)는, 반복회수 조절기에 의해 결정된 반복회수에 따라 소정의 짧은 길이 PN 수열을 반복하여 송신신호를 생성한다. 순환기(120)는 생성된 송신신호를 안테나(130)로 연결한다. 생성된 송신신호는 안테나(130)를 통해 송신된다. PN 수열 생성기(110)는 짧은 PN 수열을 반복적으로 사용함으로써 다양한 길이의 PN 수열을 생성해낼 수 있다. PN 수열을 반복적으로 사용할 때, 그 길이는 2배씩 증가하도록 한다. 여기서 PN 수열 생성기는 하나로 구성되며, 짧은 수열부터 긴 수열까지 순차적으로 송신한다.

상관기(150)는 목표물에 의해 반사되어 되돌아온 수신 신호와 템플릿 함수의 상관 함수 연산을 수행하고, 거리 계산기(160)는 상관 함수 연산의 수행 결과에 따른 각 피크들의 시간 지연 τ와 후술하는 수학식 5를 이용해 거리를 계산하고, 계산된 거리 값들의 평균과 표준 편차를 구한다. 거리를 계산할 때, 송신된 시간에 대한 타이밍 신호를 제공받아 이용한다.

거리 계산기(160)는 상관 함수 연산 결과와 송신신호의 송신 후, 목표물에 의해 반사되어 수신된 수신신호 간의 시간지연인 타이밍 신호를 이용하여, 목표물까지의 거리와 편차를 계산한다. 거리 계산기(160)는 계산된 편차와 시스템에서 요구되는 기준 편차 값을 비교하고, 만약 계산된 편차가 기준 편차 값보다 큰 경우, 즉 계산된 편차가 임계 편차를 초과하여 계산된 거리를 신뢰할 수 없는 경우, 다시 거리 추정을 위해, PN 수열의 길이를 증가시키기 위한 제어 신호를 반복회수 조절기(170)로 출력한다. 반복 회수를 늘림으로써 거리 측정의 정확도를 높인다.

반대로 계산된 편차가 작은 경우, 거리 계산기(160)는 반복회수를 줄이기 위한 제어신호를 반복회수 조절기(170)에 제공함으로써, PN 수열의 길이를 줄여서 상관 함수 처리 시간을 줄여 거리를 측정하는 데 소요되는 시간을 단축시킨다. 일반적으로 거리가 멀어질수록 측정 거리의 편차는 길어진다. 따라서 먼 거리에 대해서는 거리 측정의 정확도를 높이기 위해 긴 PN 수열을 사용하며, 짧은 거리에 대해서는 처리 시간을 단축시키기 위해 짧은 길이의 PN 수열을 사용할 수 있다

이하에서 좀더 구체적으로 설명한다.

본 발명의 송신 신호 Sn(t)는 PN 수열을 n번 반복할 경우, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서 N, p_ℓ, 그리고 Tc는 각각 PN 수열의 주기, ℓ번째 PN 칩, 그리고 칩의 구간을 나타내고, mod는 모듈로 연산이며, δ(t)는 단위 에너지를 가진 모노사이클 파형이다.

전형적인 DS-UWB 레이더 시스템에서 시간 지연은 송신단에서 송신한 시간과 송신 신호가 목표물에서 반사되어 수신단에 돌아올 때까지 걸린 시간 동안의 구간을 의미하며, 이는 거리를 측정하는 데 사용된다. 따라서 PN 수열이 생성되어 안테나에서 송신되는 시간에 대한 정보가 거리 계산기에 알려진다. 송신된 신호는 덧셈 꼴 백색 잡음에 (additive white Gaussian noise: AWGN) 오염되어 다음과 같은 수신 신호의 형태로 수신된다.

[수학식 2]

여기서 n(t)는 AWGN을 의미한다. PN 수열에 대한 정보를 가지고, 수신기는 생성된 PN 수열의 템플릿 함수를 만든다. 템플릿 함수는 다음과 같다.

[수학식 3]

수신기는 수신된 신호와 템플릿 함수를 이용해 다음과 같은 식에 의해 상관값을 얻는다.

[수학식 4]

수학식 4를 사용하여 송신단과 목표물 사이의 거리는 다음과 같이 계산될 수 있다. 먼저 상관값을 계산한 후, 피크의 개수를 탐지하여 그 수가 시스템에서 요구되는 기준 피크수 Nth보다 커지면, 각 피크들마다 지연된 시간을 계산한다.

이는 송신단에서 전송된 신호가 목표물에 반사되어 수신기에 돌아오기까지 소요되는 시간 τ에 따라 피크가 발생하는 위치가 결정되기 때문이다. 따라서 시간 지연 τ를 이용하여 송신단과 목표물 사이의 거리 D를 다음과 같이 얻을 수 있다.

[수학식 5]

D=cτ/2

여기서 c는 (=3×108[m/s]) 광속이다.

기존 기법의 경우, 특정 거리에 대해 길이가 긴 PN 수열부터 짧은 수열 순으로 PN 수열을 전송하므로 처음에 거리를 측정할 때 적정한 PN 수열을 찾는데 걸리는 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 반면, 본 발명에서는 짧은 PN 수열부터 긴 수열 순으로 적정한 PN 수열을 찾으므로, 기존 기법에 비해 짧은 시간 내에 적정한 수열을 찾을 수 있다. 이는 거리 측정 초기에 측정 거리가 짧을 경우, 측정 시간이 단축되는 효과가 있다.

도 3은 PN 수열 생성기의 주기 N을 15로 하고, Nth를 100으로 하며, 칩 속도를 500 ×10⁶이라 가정했을 때, 제안된 거리 측정 기법과 기존 기법 간의 거리 측정 오차를 나타낸 그림이다. PN 수열의 길이는 2배씩 증가하며, 최대 수열의 길이는 240으로 한다. 도 3에서 보는 바와 같이 기존의 기법과 제안된 기법의 거리 측정 오차 사이에는 큰 차이가 없다. 처음 측정하고자 하는 거리가 근거리일 경우 기존 기법에 비해 제안된 기법이 짧은 시간 안에 거리를 측정할 수 있다는 장점을 고려할 때 제안된 기법이 우수하다는 것을 알 수 있다. 한편, 복잡도의 관점에서 본 발명은 1개의 PN 수열 생성기와 1개의 상관 함수만을 사용하므로 기존 기법에 비해 낮은 복잡도로 구현이 가능하다. 따라서 본 발명은 구현이 간소해지고, 생산 비용 절감이 가능해진다.

이상 바람직한 실시 예와 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 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 직접확산초광대역(Direct Sequence Ultra Wide Band, DS-UWB) 무선 통신 시스템을 이용해 목표물까지의 거리를 추정하는 방법에 있어서,
   결정된 반복회수에 따라 단일 PN 수열 생성기에서 PN 수열을 반복시켜 생성된 DS-UWB 송신신호를 송신하는 단계;
   상기 DS-UWB 송신신호가 상기 목표물에 반사되어 되돌아 온 수신신호에 대해 정합 필터를 통과시켜 상관 함수 연산을 수행하는 단계;
   상기 상관 함수 연산 결과에 따라 얻어진 피크의 개수와 기준 피크 수를 비교하는 단계;
   상기 비교 결과 상기 얻어진 피크의 개수가 상기 기준 피크수보다 작은 경우, 상기 반복회수를 증가시키는 단계;
   상기 비교 결과 상기 얻어진 피크의 개수가 더 많을 때, 상기 DS-UWB 송신신호의 송신시간 및 상기 수신신호의 수신시간 간의 시간지연을 이용하여 거리 및 편차를 계산하는 단계; 및
   상기 계산된 편차의 크기와 기준 편차크기를 비교하여 상기 반복회수를 결정하는 단계;
   를 포함하는 DS-UWB 무선 통신 시스템 기반의 거리 추정방법.

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