KR101257061B1 - 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템 및 방법 - Google Patents

다중 안테나 기반 침입 감지 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

다중 안테나 기반 침입 감지 시스템은 복수의 수신 안테나로부터 감지된 수신 신호에 대한 자기 상관 행렬을 계산하고, 자기 상관 행렬로부터 수신 신호에 간섭 성분이 존재하는지 결정한 후, 간섭 성분의 유무에 따라서 침입 여부를 결정한다.

Description

다중 안테나 기반 침입 감지 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR INTRUSION DETECTION}
본 발명은 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템 및 방법에 관한 것이다.
단일 송수신 안테나 기반의 침입 감지 센서에 비해 침입 감지 성능이 우수한 다중 안테나 기반의 침입 감지 센서가 소개되고 있다.
다중 안테나 기반의 침입 감지 센서는 침입자가 실내에서 이동 시 수신 신호의 변화가 있을 때 수신 신호의 위상 오프셋의 값으로부터 침입 여부를 판단한다.
송수신 안테나를 이용하는 침입 감지 센서는 무료 주파수 대역인 ISM(Industrial Scientific Medical) 대역을 사용하기 때문에 간섭의 영향을 크게 받는다. 따라서, 전파 간섭이 발생할 경우, 다중 안테나 기반의 침입 감지 센서는 위상 오프셋에서 간섭 정보를 추출할 수 없다. 따라서, 전파 간섭으로 인한 오보(false alarm) 발생이 크게 증가될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 침입 감지 시 전파 간섭으로 인한 오보를 줄일 수 있는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 송신 신호를 송신하는 복수의 송신 안테나와 수신 신호를 감지하는 복수의 수신 안테나를 포함하는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템이 제공된다. 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템은 상관부, 간섭 결정부, 그리고 침입 결정부를 포함한다. 상관부는 상기 복수의 수신 안테나로부터 감지된 수신 신호에 대한 자기 상관 행렬을 계산한다. 간섭 결정부는 상기 자기 상관 행렬로부터 상기 수신 신호에 간섭 성분이 존재하는지 결정한다. 그리고 침입 결정부는 상기 간섭 성분의 유무에 따라서 침입 여부를 결정한다.
상기 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템은 대각행렬 정보 추출부, 그리고 임계치 설정부를 더 포함한다. 대각행렬 정보 추출부는 상기 자기 상관 행렬로부터 대각 행렬의 정보를 추출한다. 임계치 설정부는 상기 대각 행렬의 정보를 이용하여 임계치를 설정한다. 이때, 상기 간섭 결정부는 상기 대각 행렬의 대각 성분의 값이 상기 임계치 이상인 경우에 상기 간섭 성분이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
상기 대각행렬 정보 추출부는, 상기 자기 상관 행렬의 채널 성분의 상관 행렬로부터 대각 행렬의 정보를 추출할 수 있다.
상기 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템은 상기 자기 상관 행렬을 고유치 분해하는 고유치 분해부를 더 포함할 수 있으며, 상기 대각행렬 정보 추출부는 고유치 분해된 자기 상관 행렬로부터 대각 행렬의 정보를 추출할 수 있다.
상기 침입 결정부는, 상기 송신 신호와 상기 수신 신호를 이용하여 침입 여부를 판단한 후에, 상기 간섭 성분의 유무에 따라서 최종적인 침입 여부를 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 송신 신호를 송신하는 복수의 송신 안테나와 수신 신호를 감지하는 복수의 수신 안테나를 포함하는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템에서 침입을 감지하는 방법이 제공된다. 다중 안테나 기반 침입 감지 방법은, 상기 복수의 수신 안테나로부터 감지된 수신 신호에 대한 자기 상관 행렬을 계산하는 단계, 상기 자기 상관 행렬로부터 대각 행렬의 정보를 추출하는 단계, 상기 대각 행렬의 정보로부터 임계치를 설정하는 단계, 상기 대각 행렬의 대각 성분과 상기 임계치를 비교하여서 상기 수신 신호에 간섭 성분이 존재하는지 결정하는 단계, 그리고 상기 간섭 성분의 유무에 따라서 침입 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 간섭 성분이 존재하는지 결정하는 단계는, 상기 상기 대각 행렬의 대각 성분이 상기 임계치 이상인 경우에 상기 간섭 성분이 존재하는 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 추출하는 단계는, 간섭 성분과 잡음 성분에 대한 상관 특성이 항등 행렬임을 이용하여 상기 자기 상관 행렬의 채널 성분의 상관 행렬에서 대각 성분을 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 추출하는 단계는, 상기 자기 상관 행렬을 고유치 분해하는 단계, 그리고 고유치 분해된 자기 상관 행렬로부터 상기 대각 행렬의 정보를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 송수신 안테나를 이용하여 침입 여부를 판단할 때 수신 안테나의 수신 신호에 간섭 성분의 유무에 따라서 최종적인 침입 여부를 결정함으로써, 수신 신호의 간섭 성분에 의한 오보(false alarm)를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 신호 처리부를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 신호 처리부의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 신호 처리부의 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템 및 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템(100)은 송신부(110), 송신 안테나(1201~120M), 수신 안테나(1301~130N), 수신부(140), 신호 처리부(150) 및 침입 결정부(160)를 포함한다.
송신부(110)는 송신 신호를 송신 안테나(1201~120M)를 통해 송신한다.
송신 안테나(1201~120M) 각각은 송신부(110)로부터의 송신 신호를 송신한다.
수신 안테나(1301~130N) 각각은 수신 신호를 감지하여 수신부(140)로 전달한다.
수신부(140)는 수신 신호를 신호 처리부(150)로 전달한다.
신호 처리부(150)는 수신 신호로부터 간섭 정보를 추출하고, 추출한 간섭 정보가 침입 결정에 영향을 미치는 유효 간섭 정보인지를 판단한다.
침입 결정부(160)는 송신 신호와 수신 신호를 이용하여 침입 여부를 판단하고, 침입이 발생한 것으로 판단되는 경우에 간섭 여부에 따라서 최종적으로 침입 여부를 결정한다. 침입 결정부(160)는 최종적으로 침입이 발생한 것으로 결정되면, 알람을 울려서 침입을 알릴 수 있다.
이때, 침입 여부를 판단하는 데 있어서 일반적으로 알려진 침입 검출 알고리즘이 사용될 수 있다. 예를 들어, 침입 검출 알고리즘으로는 송신 신호와 수신 신호의 위상 및/또는 크기를 비교하여 침입 여부를 판단하는 알고리즘이 사용될 수 있으며, 정상 상태와 침입이 발생할 때의 위상 오프셋 값을 이용하여서 침입 여부를 판단하는 알고리즘이 사용될 수도 있다.
이러한 침입 결정부(160)는 간섭이 존재하는 경우 송신 신호와 수신 신호를 이용하여 침입이 발생하여도 침입이 발생하지 않은 것으로 결정함으로써, 유효 간섭 정보에 의한 침입 감지의 오보(false alarm)를 줄일 수 있다.
다음으로 신호 처리부(150)의 신호 처리 방법에 대해서 도 2 및 도 3을 참고로 하여 자세하게 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 신호 처리부를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 신호 처리부의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참고하면, 신호 처리부(150)는 상관부(151), 고유치 분해부(152), 대각행렬 정보 추출부(153), 임계치 계산부(154) 및 간섭 결정부(155)를 포함한다.
도 3을 보면, 상관부(151)는 N개의 수신 안테나(1301~130N)로부터 전달된 수신 신호에 대한 자기 상관 행렬을 계산한다(S310).
M개의 송신 안테나(1201~120M)와 N개의 수신 안테나(1301~130N)를 가지는 경우, 수신 신호는 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
r = Hx + G + n
수학식 1에서, r은 N*1 크기의 수신 신호 벡터이고, x는 M*1 크기의 송신 신호 벡터이다. H는 N*M 크기의 다중 경로 특성에 의한 채널 행렬이며, G는 수신 안테나의 N*1 크기의 간섭 벡터이다. 이때, 간섭은 평균이 0이고 분산이 인 가우시안 분포[
Figure 112011092979664-pat00002
]를 따르며, I는 Nㅧ1 크기의 항등(Identity) 행렬이다. 또한, n은 수신 안테나 측의 Nㅧ1 크기의 잡음 벡터이며 잡음은 평균이 0이고 분산이
Figure 112011092979664-pat00003
인 가우시안 분포[
Figure 112011092979664-pat00004
]를 따른다.
자기 상관 행렬(Grr,new)은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112011092979664-pat00005
수학식 2에서,
Figure 112011092979664-pat00006
는 채널 성분을 나타내고,
Figure 112011092979664-pat00007
는 간섭 성분을 나타내며,
Figure 112011092979664-pat00008
는 잡음 성분을 나타낸다.
고유치 분해부(152)는 수신 신호에 대한 자기 상관 행렬(Grr,new)을 고유치 분해한다(S320). 수신 신호에 대한 자기 상관 행렬(Grr,new)을 고유치 분해하면 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112011092979664-pat00009
여기서, V는 N*1 크기의 고유 벡터로 V=[V1, V2, …, VN]이고, VHV는 I이며,
Figure 112011092979664-pat00010
는 대각 행렬이다.
수학식 3을 공통 성분으로 묶음 처리하면, 수신 신호에 대한 자기 상관 행렬(Grr,new)은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112011092979664-pat00011
수학식 4를 보면, 간섭이 발생할 경우, 대각 행렬(
Figure 112011092979664-pat00012
)의 성분에 간섭 성분(
Figure 112011092979664-pat00013
)이 더해져서 나타나게 된다.
대각행렬 정보 추출부(153)는 고유치 분해된 자기 상관 행렬에서 대각 행렬의 정보(
Figure 112011092979664-pat00014
)를 추출하고(S330), 대각 행렬(
Figure 112011092979664-pat00015
)의 정보를 임계치 계산부(154) 및 간섭 결정부(155)로 전달한다. 즉, 대각행렬 정보 추출부(153)는 간섭이 발생하는 경우, 간섭이 없는 경우의 대각 행렬(
Figure 112011092979664-pat00016
)의 모든 요소에 동일한 값만큼 증가된 대각 행렬(
Figure 112011092979664-pat00017
)이 검출되므로, 대각 행렬의 정보(
Figure 112011092979664-pat00018
)를 이용하면 간섭이 있는지 알 수 있다.
임계치 계산부(154)는 대각 행렬(
Figure 112011092979664-pat00019
)의 정보를 이용하여서 간섭 유무를 결정하기 위한 임계치를 설정하고(S340), 임계치를 간섭 결정부(156)로 전달한다. 간섭 유무 결정 임계치(
Figure 112011092979664-pat00020
)는 수학식 5와 같이 설정할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112011092979664-pat00021
여기서,
Figure 112011092979664-pat00022
는 임계치 결정을 위한 가중치 값이다.
간섭 결정부(155)는 대각행렬 정보 추출부(153)에 의해 추출된 대각 행렬의 정보(
Figure 112011092979664-pat00023
)와 임계치(
Figure 112011092979664-pat00024
)를 비교하여 간섭 유무를 결정하고(S350), 간섭 유무의 정보를 침입 결정부(150)로 전달한다. 간섭 유무의 결정은 수학식 6을 따를 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112011092979664-pat00025
여기서, diag()는 행렬의 대각 성분을 나타낸다.
즉, 간섭 결정부(155)는 대각 행렬의 대각 성분의 값이 임계치(
Figure 112011092979664-pat00026
) 이상인 경우에 간섭 성분이 있는 것으로 결정하고, 그렇지 않은 경우에는 간섭 성분이 없는 것으로 결정한다.
침입 결정부(150)는 설정된 침입 감지 알고리즘을 통해서 침입이 발생한 것으로 결정되더라도 간섭 성분이 있는 경우에는 침입이 아닌 것으로 최종적으로 판단한다.
도 4는 도 1에 도시된 신호 처리부의 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참고하면, 신호 처리부(150')는 도 2와 달리 고유치 분해부(152)의 고유치 분해를 하지 않고 간섭 유무를 결정할 수 있다.
즉, 간섭 성분과 잡음 성분에 대한 상관 특성이 항등 행렬임을 이용하면, 대각행렬 정보 추출부(153')는 수신 신호에 대한 자기 상관 행렬에서 대각 성분(j, j)을 구할 수 있다.
자기 상관 행렬에서 대각 성분(j, j)은 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112011092979664-pat00027
수학식 7에서, Grr,new(j,j)는 Grr,new 의 j번째 대각 성분을 나타낸다. 또한, hj는 채널 행렬 H의 j번째 열을 나타낸다.
수학식 7을 보면, 간섭이 발생한 경우 채널 성분의 상관 행렬의 모든 대각 성분들에 동일한 값의 변화가 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 대각행렬 정보 추출부(153')는 채널 성분의 상관 행렬에서 대각 성분(j, j)의 정보를 추출하고, 대각 성분(j, j)의 변화로부터 간섭 성분을 추출할 수 있다.
이와 같이, 신호 처리부(150')는 고유치 분해부(152)의 고유치 분해를 하지 않고 간섭 성분을 추출할 수 있으므로, 신호 처리부(150)에 비해 낮은 복잡도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (13)

  1. 송신 신호를 송신하는 복수의 송신 안테나와 수신 신호를 감지하는 복수의 수신 안테나를 포함하는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템에서,
    상기 복수의 수신 안테나로부터 감지된 수신 신호에 대한 자기 상관 행렬을 계산하는 상관부,
    상기 자기 상관 행렬로부터 대각 행렬의 정보를 추출하는 대각행렬 정보 추출부,
    상기 대각 행렬의 정보를 이용하여 임계치를 설정하는 임계치 설정부
    상기 대각 행렬의 대각 성분의 값과 상기 임계치를 비교하여 상기 수신 신호에 간섭 성분이 존재하는지 결정하는 간섭 결정부, 그리고
    상기 간섭 성분의 유무에 따라서 침입 여부를 결정하는 침입 결정부
    를 포함하는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 간섭 결정부는 상기 대각 행렬의 대각 성분의 값이 상기 임계치 이상인 경우에 상기 간섭 성분이 존재하는 것으로 판단하는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 대각행렬 정보 추출부는,
    상기 자기 상관 행렬의 채널 성분의 상관 행렬로부터 대각 행렬의 정보를 추출하는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템.
  4. 제2항에서,
    상기 자기 상관 행렬을 고유치 분해하는 고유치 분해부
    를 더 포함하고,
    상기 대각행렬 정보 추출부는 고유치 분해된 자기 상관 행렬로부터 대각 행렬의 정보를 추출하는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템.
  5. 제2항에서,
    상기 임계치 설정부는 상기 대각 행렬의 성분에 설정된 가중치를 곱하여 상기 임계치를 설정하는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템.
  6. 제2항에서,
    상기 침입 결정부는, 상기 송신 신호와 상기 수신 신호를 이용하여 침입 여부를 판단한 후에, 상기 간섭 성분의 유무에 따라서 최종적인 침입 여부를 결정하는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 침입 결정부는, 상기 간섭 성분이 존재하는 것으로 결정된 경우에 침입이 발생하지 않은 것으로 결정하는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템.
  8. 송신 신호를 송신하는 복수의 송신 안테나와 수신 신호를 감지하는 복수의 수신 안테나를 포함하는 다중 안테나 기반 침입 감지 시스템에서 침입을 감지하는 방법에서,
    상기 복수의 수신 안테나로부터 감지된 수신 신호에 대한 자기 상관 행렬을 계산하는 단계,
    상기 자기 상관 행렬로부터 대각 행렬의 정보를 추출하는 단계,
    상기 대각 행렬의 정보로부터 임계치를 설정하는 단계,
    상기 대각 행렬의 대각 성분과 상기 임계치를 비교하여서 상기 수신 신호에 간섭 성분이 존재하는지 결정하는 단계, 그리고
    상기 간섭 성분의 유무에 따라서 침입 여부를 결정하는 단계
    를 포함하는 다중 안테나 기반 침입 감지 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 간섭 성분이 존재하는지 결정하는 단계는,
    상기 상기 대각 행렬의 대각 성분이 상기 임계치 이상인 경우에 상기 간섭 성분이 존재하는 것으로 판단하는 단계를 포함하는 다중 안테나 기반 침입 감지 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 추출하는 단계는,
    간섭 성분과 잡음 성분에 대한 상관 특성이 항등 행렬임을 이용하여 상기 자기 상관 행렬의 채널 성분의 상관 행렬에서 대각 성분을 추출하는 단계를 포함하는 다중 안테나 기반 침입 감지 방법.
  11. 제9항에서,
    상기 추출하는 단계는,
    상기 자기 상관 행렬을 고유치 분해하는 단계, 그리고
    고유치 분해된 자기 상관 행렬로부터 상기 대각 행렬의 정보를 추출하는 단계를 포함하는 다중 안테나 기반 침입 감지 방법.
  12. 제8항에서,
    상기 침입 여부를 결정하는 단계는,
    상기 송신 신호와 상기 수신 신호를 이용하여 침입 여부를 판단하는 단계, 그리고
    상기 침입 여부와 상기 간섭 성분의 유무에 따라서 침입 여부를 최종적으로 결정하는 단계를 포함하는 다중 안테나 기반 침입 감지 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 최종적으로 결정하는 단계는,
    상기 간섭 성분이 존재하는 것으로 판단된 경우에 침입이 발생하지 않은 것으로 결정하는 단계를 포함하는 다중 안테나 기반 침입 감지 방법.
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