KR101263747B1 - Ｍｉｍｏ 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법 - Google Patents

Ｍｉｍｏ 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 MIMO(Multiple Input Multiple-Output, 다중입출력) 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법에 관한 것이다. MIMO 레이더 기술은 서로 멀리 떨어져 있는 MIMO 레이더는 공간 다이버시티(spatial diversity)를 이용하여 레이더 성능을 향상시킨다. 분산된 MIMO 레이더 시스템은 신호처리를 위해 서로 협력을 필요로 하지만 모든 또는 다수의 레이더 송신기와 수신기가 협력하는 것은 사실상 실용적이지 못하다. 본 발명은 수신기 그룹핑을 통하여 제한된 수의 수신기만 협력하도록 하고 이 협력 수신기 그룹을 동적으로 업데이트(update) 할 뿐 아니라 그룹핑 된 수신기에 프리코딩 기법을 적용함으로써 시그널링 오버헤드(signaling overhead)와 계산 복잡도(computational complexity)를 줄이고 탐지확률을 높이는 방법을 제공한다.

Description

ＭＩＭＯ 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법{Method for improving the performance by dynamic grouping/precoding in the MIMO radar system}
본 발명은 MIMO(Multiple Input Multiple Output, 다중입출력) 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이동통신에서 사용하는 개념인 동적 클러스터링(dynamic clustering)을 사용하여 MIMO 레이더 시스템에서 수신기에 표적의 SINR값을 저장하고, 수신 SINR을 기반으로 수신기를 동적으로 그룹핑하고, 그룹핑된 수신기에 프리코딩 기법을 적용함으로써 CU(중앙처리장치)의 데이터 처리 및 시그널링 오버헤드(signaling overhead)와 계산 복잡도(computational complexity)를 줄이고, 수신기의 SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio)을 개선시킴으로써 탐지확률을 향상시키는, MIMO 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법에 관한 것이다.
최근, 이동통신에서 사용하는 개념인 동적 클러스터링을 MIMO(Multiple-Input Multiple Output, 다중입출력) 레이더에 접목하여 동적으로 수신기를 그룹핑하여 성능을 향상시키는 기술이 연구되고 있다. 동적 클러스터링은 이동통신에서 기지국의 그룹핑을 통한 다중 셀 협력통신에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 휴대폰 망에서는 기지국을 그룹핑하여 기지국과 사용자 단말기간의 채널 정보와 전송 데이터를 공유하여 그 채널 변화에 빨리 적응시켜 성능을 향상시키는 방법이 있다. 각 수신 레이더간의 거리가 멀리 떨어져 있는 MIMO 레이더 시스템 또한 공간 다이버시티(spatial diversity)를 얻어 레이더 성능을 향상시키는 기술로써 보다 나은 신호처리를 위해 정보를 공유하고 표적의 움직임에 따른 채널 특성 변화를 이용한다. 또한, MIMO 레이더 시스템은 이동통신에서 사용되고 있는 간섭 완화 기술인 프리코딩 기법을 도입한다. 사용자 단말기는 자신과 같은 주파수 대역을 사용하는 간섭 신호에 의하여 수신 신호가 약해지는 경우가 생기는데, 이때 사용자 단말기들의 위상을 서로 조절하여 서로에게 미치는 간섭을 줄여주는 프리코딩 기법을 사용한다. 즉, 프리코딩 기법을 사용하면 채널간 간섭을 완화하여 수신기의 SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio)을 향상시킬 수 있다. 여기서, 클러스터링(clustering)은 레이더에서 플롯(plot) 정보를 얻기 위해 사용하는 것과는 다른 의미로 사용되었다.
이 분야에 대한 종래의 기술은 풀 코디네이션(full coordination)을 통한 분산된(distributed) MIMO 레이더 시스템 설계기술이다. 백홀망(backhaul network : 일종의 유선망, 이 유선망을 통해 송신 레이더와 수신 레이더는 표적의 정보 및 수신신호를 교환하고 공유하는 망)과 CU(Central Unit:중앙처리장치)가 모든 수신기를 다 이용함으로써 시그널링 오버헤드(signaling overhead)와 계산 복잡도(computational complexity)가 증가하게 되는 문제점이 있었다.
MIMO 레이더는 크게 위상배열(phased array) 레이더와 분산된(distributed) MIMO 레이더 두 가지로 나눌 수 있다. 위상 배열 레이더는 수신단에서 신호처리가 가능하지만, 분산된 MIMO 레이더는 각 수신기간의 거리가 비교적 멀기 때문에 서로 백홀망이 연결되어 있어야 서로 협력을 하고 신호처리를 할 수 있다. 하지만, 수신 레이더의 수가 많아질수록 백홀망(backhaul network)과 CU(중앙처리장치)의 부담이 커진다. 백홀망의 제한된 대역폭과 전파 지연시간을 고려해 봤을 때 모든 수신기가 협력을 하는 MIMO 레이더 시스템의 구현은 실용적이지 못하다. 즉, 분산된 MIMO 레이더에서 풀 코디네이션(full coordination)(모든 송신기 또는 수신기가 백홀망과 CU를 통하여 협력)을 통해 신호처리를 하는 것은 비록 최대의 성능을 낼 수 있지만 구현상의 어려움이 있으므로 실용적이지 못하다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 이동통신에서 사용하는 개념인 동적 클러스터링(dynamic clustering)을 사용하여 MIMO(Multiple-Input Multiple Output) 레이더 시스템에서 수신기에 표적의 SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio)값을 저장하고, 수신 SINR을 기반으로 수신기를 동적으로 그룹핑함으로써 통신망에 대한 전송 부담을 줄일 뿐 아니라 수신기 그룹핑을 통해 제한된 수신기만 협력하도록 하고 이 협력 수신기 그룹을 동적으로 업데이트(update)할 뿐 아니라 그룹핑된 수신기에 프리코딩 기법을 적용함으로써 CU(중앙처리장치)의 데이터 처리 및 시그널링 오버헤드(signaling overhead)와 계산 복잡도(computational complexity)를 줄이고, 수신기의 SINR을 개선시킴으로써 탐지확률을 향상시키는, MIMO 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 제한된 수의 수신기만 협력하도록 하여 시그널링 오버헤드와 계산 복잡도를 줄여 풀 코디네이션(full coordination)(모든 송신기 또는 수신기가 백홀망과 CU(중앙처리장치)를 통하여 협력)의 문제를 완화하는 협력 수신기의 그룹핑 방법을 제안한다. 또한, 프리코딩 기법을 활용하여 수신 SINR을 높여 탐지확률을 향상시키고자한다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법은 a) MIMO 레이더 시스템에서 표적이 움직임에 따라 주어진 송신기(예:3)에 대해서 모든 수신기에 SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio) 값을 저장하고, 수신 SINR 값을 기반으로 수신기가 동적으로 그룹핑되는 단계; b) 상기 수신기의 그룹핑 완료 후 협력 수신기 그룹이 결정되면, 그룹핑된 협력 수신기에 프리코딩 기법을 적용하는 단계; 및 c) 수신기의 프리코딩후, CU(중앙처리장치)의 데이터 처리 및 백홀망의 시그널링 오버헤드와 계산 복잡도를 줄이고, 수신기의 SINR을 개선하여 탐지확률을 향상시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법은 MIMO 레이더 시스템에서 수신기에서 표적의 SINR값을 저장하고, 수신 SINR을 기반으로 수신기를 그룹핑하여 제한된 수신기만 협력하도록 하고 이 협력 수신기 그룹을 동적으로 업데이트(update)할 뿐 아니라 그룹핑된 수신기에 프리코딩 기법을 적용함으로써 CU(Central Unit:중앙처리장치)의 데이터 처리 및 시그널링 오버헤드(signaling overhead)와 계산 복잡도(computational complexity)를 줄이고, 수신기의 SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio)을 개선시킴으로써 탐지확률을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 따른 MIMO 레이더 시스템에서 수신기에 동적 그룹핑과 프리코딩 방법에 의하면, 수신 SINR기반의 동적 그룹핑과 프리코딩 기법을 사용하여 협력 수신기의 그룹이 고정된 기존 MIMO 레이더 시스템보다 수신기에 프리코딩 기법을 적용함으로써 수신기의 SINR을 개선하고 탐지 확률을 높이며, 풀 코디네이션(Full coordination)보다 감소된 시그널링 오버헤드 및 계산 복잡도를 줄이고, NLOS(Non-Line-Of-Sight, 좌표나 GPS, 유도장치 등을 통해 보이지 않는 곳에 목표물을 타격하는 방식) 및 다중 경로(multi-path) 환경에서도 향상된 성능을 제공한다.
도 1은 Nt=Nr=3, Tmax=3, Rmax=8인 경우, MIMO 레이더 시스템 개념도이다.
도 2는 MIMO 레이더 시스템에서 수신기의 동적 그룹핑 구현 방법을 예시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 프리코딩 기법에 대한 구현 방법을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 MIMO 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법을 설명한 순서도이다.
도 5는 수신기의 동적 그룹핑을 설명한 순서도이다.
도 6은 본 발명에 적용된 프리코딩 기법에 대한 구현 방법을 예시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 그 구성과 동작을 상세하게 설명한다.
도 1은 Nt=Nr=3, Tmax=3, Rmax=8인 경우, MIMO 레이더 시스템 개념도이다.
도 1의 본 발명에 적용될 시스템 모델 개념도로서 일반적인 MIMO 레이더 시스템을 기반으로 한다. 송신 레이더와 수신 레이더는 각각 Nt개와 Nr개의 안테나를 가지고 송신기와 수신기 모두 분산되어(distrubuted) 있으며 서로 백홀망(backhaul network)으로 연결되어 있다. CU(중앙처리장치)는 백홀망을 통하여 송신기와 수신기를 관리하고 신호처리 및 통제기능을 담당한다. 전체 송신기의 집합을 T, 전체 수신기의 집합을 R이라고 하고 협력 수신기의 집합(그룹)을 C라고 한다. 본 MIMO 레이더 시스템에서는 도플러 정보를 얻기 위해 송신 신호는 같은 주파수 대역을 사용한다고 가정한다. 본 발명에서는 백홀망의 전파 지연시간은 고려하지 않는다.
본 발명은 위치 기반의 기존 레이더 시스템과 달리 수신 SINR을 기반으로 수신기 그룹핑을 수행한다. 이때, 수신 SINR은 채널 경로손실(pathloss)과 표적 RCS(Reaction Control System, 반응 제어 시스템)의 변화 등이 주요 변수로 포함될 수 있다.
표 1은 풀 코디네이션(full coordination)과 풀 메져먼트(full measurement)의 개념의 차이를 설명하기 위해 이벤트(event) 중심으로 간단히 나열하였다. 표 1에서 보는 바와 같이, 풀 코디네이션(모든 송신기 또는 수신기가 백홀망과 CU(중앙처리장치)를 통하여 협력)은 i)모든 수신기에서 수신한 SINR값을 저장하고, ii)백홀망을 통하여 CU에게 데이터를 전송하며, ⅲ)전송받은 데이터를 CU에서 신호처리하는 일련의 과정을 뜻한다. 풀 코디네이션(모든 송신기 또는 수신기가 백홀망과 CU(중앙처리장치)를 통하여 협력)은 시스템내의 수신기 수가 많아질수록 백홀망의 시그널링 오버헤드가 늘어나고 CU(Central Unit, 중앙처리장치)의 계산 복잡도가 증가하게 된다.
따라서, 본 발명은 풀 메져먼트(full measurement)후에 수신기의 그룹핑을 통해 상기 ⅱ), ⅲ)항목에 소요되는 통신망 및 처리시간에 대한 부담을 줄이고 그 후 차세대 이동통신 기술인 프리코딩 기법과 접목하여 더욱더 향상된 수신 SINR을 얻어 탐지 확률을 높이는 것이다.
풀 메져먼트와 풀 코디네이션의 차이
이벤트 구분 풀 메져먼트 풀 코디네이션
수신기에 데이타(SINR) 저장 √ √
백홀망을 통한 데이터 전송 √
CU에서 데이터 계산(신호처리) √
(1) MIMO 레이더 시스템에서 수신기 동적 그룹핑과 프리코딩 기법
다음은 본 발명에서 제안한 핵심내용인 수신기 동적 그룹핑과 프리코딩 기법에 대하여 기술하고자한다.
(가) 수신기 동적 그룹핑
도 2는 MIMO 레이더 시스템에서 수신기의 동적 그룹핑 구현 방법을 예시한 구성도이다.
도 2는 도 1의 MIMO 레이더 시스템을 바탕으로 본 발명의 수신기의 동적 그룹핑의 구현 방법에 대한 예를 보여주고 있다. 즉, 표적이 움직임에 따라 주어진 송신기(예:3개)에 대해서 SINR 기반으로 수신기가 동적으로 그룹핑 되고 있음 보여준다.
수신기 그룹핑은 위치 기반의 기존 레이더 시스템과 달리 SINR 기반으로 진행되며, k번째 수신기의 SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio)에 대한 정의는 다음 수학식(1)과 같이 표현된다.
Figure 112011018013504-pat00001
여기서, SINR(k)는 k번째 수신기의 SINR이며, P는 수신 전력(power)이며,
Figure 112011018013504-pat00002
는 CCI 전력의 합이고, No는 잡음전력이다. CCI(co-channel interference, 동일 채널 간섭)는 이동통신에서 사용하는 용어로서 동일한 주파수 대역에서 동작하는 송신기에 의한 모든 간섭 신호를 의미한다. 보통 레이더 시스템에서 사용하는 SNR(신호대잡음비) 개념에 송신기들에 의한 간섭을 총 망라하는 CCI(동일 채널 간섭)가 추가된 것이다.
레이더방정식과 마찬가지로 SINR은 표적의 움직임에 따른 채널 경로손실과 표적의 RCS(Reaction Control System, 반응 제어 시스템) 변동에 의한 영향 정보가 포함될 수 있다.
풀 코디네이션은 본 발명이 제안한 방법에 대한 규격 상한치(upper bound)로 사용될 수 있다. 풀 코디네이션을 하기 위해 지속적으로 백홀망(backhaul network)을 통하여 CU(중앙처리장치)와 모든 정보를 전송하고 공유해야 하기 때문에 백홀망(backhaul network)과 CU(중앙처리장치)의 부담이 커지게 된다. 따라서, MIMO 레이더 시스템에서 수신기 그룹핑을 통하여 최적의 수신기 개수를 정하고 적절한 SINR의 임계값(μ)을 도입함으로써 백홀망과 CU(중앙처리장치) 대한 처리 부담을 줄인다.
(나) 프리코딩 기법
프리코딩(precoding)이란 차세대 이동통신에서 CCI(동일 채널 간섭)의 영향을 제거시키는 방법으로 사용되는 고유명사이다. MIMO 레이더 시스템에서 수신기의 그룹핑 완료 후, 협력 수신기 그룹이 결정되면 프리코딩 기법을 적용시켜 간섭을 완화하고 수신 SINR값을 증가시킨다. 본 발명은 도플러 처리(processing)를 하기 때문에 주파수 대역을 공유한다. 따라서, 수신기에서의 CCI 영향은 불가피하다. 즉, CCI(동일 채널 간섭)를 완화하고 수신 SINR을 보다 향상시켜 탐지확률을 높이기 위해 프리코딩 기법을 접목시켰다.
프리코딩 기법 적용시 또 다른 임계값 δ를 설정하는데 이것은 SINR의 임계값 μ와 밀접한 연관이 있으며, CCI(동일 채널 간섭)와도 연계되어 결정되는 값이다. δ는 프리코딩 기법 적용시 협력 수신기의 SINR에 CCI가 미치는 영향의 크기를 판단하는 임계값이다. 프리코딩 벡터는 코드북(codebook)에서 선택되며 코드북은 프리코딩 벡터의 집합이다. 프리코딩 벡터는 현재 이동통신에서 이미 설계되어 있는 서로 직교하는(orthogonal) 벡터이고, 이 프리코딩 벡터의 집합을 코드북이다. 송신 레이더는 수신 단에서 피드백해준 채널 정보를 기반으로 코드북 내의 프리코딩 벡터를 선택하여 간섭(interference)을 완화하고 수신 레이더의 SINR을 향상시킨다.
도 5는 수신기의 동적 그룹핑을 설명한 순서도이다.
도 6은 본 발명에 적용된 프리코딩 기법에 대한 구현 방법을 예시한 순서도이다. 도 6을 참조하면, 서로 다른 색의 선은 독립된 송신 신호를 의미하여 이 신호들이 서로 동일한 주파수 대역을 사용하게 되면 서로에게 CCI(동일 채널 간섭)로 영향을 줄 수 있다는 것을 보여주고 있다.
만약, 협력 수신기 그룹 내의 k번째 수신기가 SINR(k)≥δ조건을 만족하지 못하면 CCI(동일 채널 간섭)의 영향이 큰 것으로 판단하고, 각 수신기에서의 간섭을 완화시키기 위해 프리코딩 벡터를 코드북에서 찾아 업데이트 시키고 송신 신호에 곱해서 전송해 준다. 그 결과 SINR값은 향상될 것이다. 아래 식 (2)는 분산되어 있는 수신 레이더가 하나의 수신기를 가진 경우에 프리코딩기법이 적용되었을 때 각 수신 레이더에 대한 SINR(k)값 표현식이다.
Figure 112011018013504-pat00003
여기서, k=1,2,...,Cmax, hk 는 채널 벡터, Wk 는 코드북(사용 가능한 프리코딩 벡터의 집합)에서 선택된 프리코딩 벡터이고, σk는 잡음전력이다. 본 발명에서는 이 프리코딩 벡터를 업데이트시켜 주어 SINR을 증가시키거나 SINR(k)≥δ를 만족시키도록 한다. 분산되어 있는 수신 레이더가 하나의 수신기를 가진 경우에 프리코딩기법이 적용되었을 때 각 수신 레이더에 대한 SINR(k) 표현식을 사용하며, 이와 같은 2가지 선택 사항은 실제 레이더 환경에 따라 결정될 수 있고, 이는 전체 수신기 성능과 개별 수신기 성능 중 어느 것에 비중을 둘 것인가에 따라 결정된다.
(2) 협력 수신 레이더의 동적 그룹핑 알고리즘 및 프리코딩 알고리즘
도 4는 본 발명에 따른 MIMO 레이더 시스템에서 협력 수신 레이더의 동적 그룹핑 알고리즘 및 프리코딩을 통한 성능 향상 방법을 설명한 순서도이다.
MIMO 레이더 시스템에서 협력 수신 레이더의 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법은 크게 MIMO 레이더 시스템에서 수신기 동적 그룹핑 구현(단계 S100), 프리코딩 기법(S200), 및 시그널링 오버헤드와 계산복잡도 감소(S300)로 나눠 설명한다.
본 발명에 따른 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 레이더 시스템에서 협력 수신 레이더의 동적 그룹핑 /프리코딩을 통한 성능 향상 방법은 a) MIMO 레이더 시스템에서 표적이 움직임에 따라 주어진 송신기(예:3)에 대해서 모든 수신기에 SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio) 값을 저장하고, 수신 SINR 값을 기반으로 수신기가 동적으로 그룹핑되는 단계(S100); b) 수신기의 그룹핑 완료 후 협력 수신기 그룹이 결정되면, 그룹핑된 협력 수신기에 프리코딩 기법을 적용하는 단계(S200); c) 수신기의 프리코딩후, CU(중앙처리장치)의 데이터 처리 및 백홀망의 시그널링 오버헤드(signaling overhead)와 계산 복잡도(computational complexity)를 줄이고, 수신기의 SINR을 개선하여 탐지확률을 향상시키는 단계(S300)를 포함한다.
(가) 수신기 동적 그룹핑
도 5는 수신기의 동적 그룹핑을 설명한 순서도이다.
Figure 112011018013504-pat00004
초기값 Cmax 결정(단계 S201): MIMO 레이더 시스템에서 CU(Central Unit, 중앙처리장치)의 분포 및 수신기 개수 등을 고려하여 레이더 시스템 성능(백홀망의 시그널링 오버헤드와 CU의 계산 복잡도)과 처리시간 중 어느 하나에 비중을 두고 최대 협력 수신기의 수(Cmax)의 초기값을 결정한다.
Cmax의 값은 최대 협력 수신기의 수를 의미하는데 Cmax의 선택으로 인해 레이더 성능과 레이더 시스템의 부담(백홀망의 시그널링 오버헤드와 CU의 계산 복잡도)사이에서 트레이드오프(tradeoff)가 일어날 수 있다. 그러므로, Cmax 값의 설정은 CU(중앙처리장치)의 분포 및 수신기 개수 등을 고려하여 레이더 시스템 성능과 처리시간 중 어디에 비중을 좀 더 둘 것인지에 따라 결정될 수 있다.
Figure 112013026412564-pat00005
풀 메져먼트를 통한 수신기 초기화(단계 S202): 수신기 점검 및 안정화 등을 포함하여 풀 메져먼트를 통한 수신기를 초기화하는 단계로서, MIMO 레이더 시스템에서 수신기를 동적으로 그룹핑하기 위한 데이터를 측정하고 수신기를 셋업(set-up)하는 단계이다.
Figure 112013026412564-pat00006
초기값 μ(μ1 ,μ2 ,μ3,…) 결정(단계 S203): μ값은 탐지 목표 성능에 따라 변동될 수 있는 SINR의 임계값(threshold value)으로 어댑티브(adaptive)하게 선택될 수 있다. 본 발명에서 편의상 μ값을 탐지거리에 따라 3가지(장거리, 중거리, 단거리)모드로 분류하여 μ1 ,μ2 ,μ3값(μ:탐지 목표 성능에 따라 변동될 수 있는 SINR의 임계값)을 결정하였다. μ값은 하나의 값보다 여러 값으로 선정될 수 있으며 어댑티브(adaptive)하게 결정할 수 있다면 표적탐지에 보다 더 유리할 것이다.
Figure 112013026412564-pat00007
풀 메져먼트(단계 S204): MIMO 레이더 시스템에서 수신기를 동적으로 그룹핑하기 위해 필요한 모든 수신기의 SINR값을 측정하는 단계로써 CU(중앙처리장치)내에 있는 모든 수신기들은 매 PRF(Pulse Repetition Frequency)마다 풀 메져먼트를 수행한다.
Figure 112013026412564-pat00008
그룹핑될 수신기 탐색 과정(블럭 2)
MIMO 레이더 시스템에서 k번째 수신기를 k=1~Cmax,k∈C(Cmax:최대 협력 수신기의 수, C:협력 수신기의 집합)까지 반복하여 그룹핑될 수신기를 탐색하며(단계 S205), SINR(k)≥μ (SINR(k):k번째 수신기의 SINR값,μ:탐지 목표 성능에 따라 변동될 수 있는 SINR의 임계값)조건을 판단하여(단계 S206),
그룹핑에 선택된 수신기(k번째 수신기)의 SINR값이 임계값 μ보다 크거나 같지 않을 때 전체 수신기에서 선택된 수신기를 제외한 나머지 수신기 중에서 SINR(k)보다 큰 값을 갖는 수신기를 찾는 과정(단계 S207~S215)이다.
즉, i=1~(Rmax-Cmax), i∈R＼C(Rmax:전체 수신기 집합의 수, Cmax:최대 협력 수신기의 수, R:전체 수신기의 집합, C:협력 수신기의 집합)까지 반복하여 그룹핑될 수신기를 탐색하며(단계 S207), SINR(i)>SINR(k) 조건을 만족하면(단계 S208) 즉 SINR(k) 보다 큰 SINR(i)이 존재한다면 그 때 수신기의 위치와 SINR값을 저장하며(단계 S209), i=i+1까지 반복 수행한다(단계 S210). 저장된 SINR 값 중에서 최대값 MAX(SINR(i))을 찾은 후(단계 S211), 최대값 MAX(SINR(i))가 있다면 k수신기를 그때의 수신기(i*)를 협력 수신기로 선택하여 그룹핑을 변경하고 원래 수신기 k를 협력 수신기 집합(C)에서 제외시키고(단계 S212), 최대값 MAX(SINR(i))이 없다면 수신기의 그룹핑은 변하지 않게 된다(단계 S214). i*는 아래 식(3)과 같이 표현된다.
Figure 112011018013504-pat00009
그 다음 SINR(k)와 SINR(i)는 서로 맞바꾼(단계 S213) 후 k=k+1을 증가시켜(단계 S215) 그 다음 그룹핑 여부를 진행하기 위해 처음 S205 단계로 되돌아가 반복 수행된다. 여기서, k와 i는 각각 k = 1,2,…,Cmax , k∈C), i = 1,2,…, Rmax-Cmax,i∈R＼C) 이며, Cmax는 최대 협력 수신기의 수, Rmax은 전체 수신기 집합의 수, R은 전체 수신기 집합이고, C는 그룹핑에 선택된 수신기 집합이다.
Figure 112013026412564-pat00010
그룹핑 업데이트 수행
SINR(k)≥μ 조건(단계 S206)을 만족하면 수신기 그룹핑을 그대로 유지하고(S216), SINR(k)≥μ 조건(단계 S206)을 만족하지 못하는 개수만큼 새롭게 선택될 수신기를 선정하였다면, 최종으로 갱신된 수신기의 그룹핑을 업데이트 시킨다(단계 S217).
(나) 프리코딩 기법(블럭 3)
도 6을 참조하면, 프리코딩 기법은 CCI(동일 채널 간섭)를 완화하여 수신 SINR을 보다 향상시켜 탐지확률을 증가시킨다.
Figure 112011018013504-pat00011
초기값 δ(δ1,δ2,δ3,…) 결정(S301)
SINR을 기반으로 수신기의 그룹핑 완료 후 또 다른 임계값, δ값(프리코딩 기법 적용시 협력 수신기의 SINR에 CCI가 미치는 영향의 크기를 판단하는 임계값)을 결정해야 한다. δ의 초기값은 수신기를 동적으로 그룹핑할 때 사용한 SINR의 임계값 μ(탐지 목표 성능에 따라 변동될 수 있는 SINR의 임계값)와 밀접한 연관이 있다. 표적의 위치에 따라 CCI(동일 채널 간섭)의 영향이 달라질 수 있기 때문에 δ는 어댑티브하게 업데이트 되는 것이 바람직할 것이다. 본 발명에서 δ는 μ와 유사하게 장거리 모드, 중거리 모드, 단거리 모드로 분류하며 각각, δ1,δ2,δ3의 값을 가지는 경우로 가정했다.
Figure 112013026412564-pat00012
프리코딩 적용 여부 판단 및 업데이트
최대 협력 수신기의 수(Cmax)를 찾고(S302), 프리코딩 기법 적용시 앞서 결정된 δ값을 사용하여 SINR(k)≥δ조건에 따라 프리코딩 적용 여부를 판단한다(S303). 선택된 k 수신기가 SINR(k)≥δ(SINR(k):k번째 수신기의 SINR값,δ:프리코딩 기법 적용시 협력 수신기의 SINR에 CCI가 미치는 영향의 크기를 판단하는 임계값)이면(S303) 협력 수신기가 간섭의 영향을 크게 받지 않는다고 간주하여 프리코딩 기법을 적용하지 않고(S304) 다음 k+1 수신기를 반복하여 체크하고(S305), SINR(k)<δ이면 채널이 CCI 간섭을 크게 받는다고 간주하여 프리코딩 벡터를 코드북에서 찾아 송신기에서 프리코딩 벡터를 업데이트 시키고 송신신호에 곱해서 전송한다(S306). 이것을 업데이트 될 선택된 수신기 개수만큼 반복한다.
상기 프리코딩 벡터(현재 이동통신에서 이미 설계되어 있는 서로 직교하는(orthogonal) 벡터)는 상기 코드북(프리코딩 벡터의 집합)에서 선택되며, 송신 레이더는 수신 단에서 피드백해준 채널 정보를 기반으로 코드북 내의 프리코딩 벡터를 선택하여 간섭을 완화하고 수신 레이더의 SINR을 향상시킨다.
(다) 시그널링 오버헤드/계산 복잡도 감소
MIMO 레이더 시스템에서 수신기가 그룹핑 되고 프리코딩 기법이 적용되었으므로 풀 코디네이션을 자주 실행할 필요가 없기 때문에 그만큼 백홀망의 시그널링 오버헤드(signaling overhead)와 CU(중앙처리장치)의 계산 복잡도(computational complexity)를 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
μ: 탐지 목표 성능에 따라 변동될 수 있는 SINR의 임계값
δ: 프리코딩 기법 적용시 협력 수신기의 SINR에 CCI(동일 채널 간섭)가 미치는 영향의 크기를 판단하는 임계값
Rmax: 전체 수신기 집합의 수 Cmax: 최대 협력 수신기 수
R: 전체 수신기 집합 C: 협력 수신기의 집합

Claims (8)

  1. MIMO(Multiple Input Multiple Output) 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법에 있어서,
    a) MIMO 레이더 시스템에서 표적이 움직임에 따라 주어진 송신기에 대해서 모든 수신기에 SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio) 값을 저장하고, 수신 SINR 값을 기반으로 수신기가 동적으로 그룹핑(grouping)되는 단계; 및,
    b) 수신기의 그룹핑 완료 후 협력 수신기 그룹이 결정되면, 그룹핑된 협력 수신기에 프리코딩(precoding) 기법을 적용하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 단계 (a)에서 수신기의 동적 그룹핑은, (a1) 상기 MIMO 레이더 시스템에서 CU(Central Unit, 중앙처리장치)의 분포 및 수신기 개수 등을 고려하여 레이더 시스템 성능(백홀망의 시그널링 오버헤드와 CU의 계산 복잡도)과 처리시간 중 어느 하나에 비중을 두고 최대 협력 수신기의 수(Cmax)의 초기값을 결정하는 단계(S201); (a2) 수신기 점검 및 안정화를 포함하여 풀 메져먼트(Full measurement)를 통한 수신기를 초기화하고, 상기 MIMO 레이더 시스템에서 수신기를 동적으로 그룹핑하기 위한 데이터를 측정하고 수신기를 셋업하는 단계(S202); (a3) MIMO 레이더 시스템에서 μ값(탐지 목표 성능에 따라 변동될 수 있는 SINR의 임계값(threshold value))의 초기값을 어댑티브(adaptive)하게 선택하며, μ값을 표적탐지에 보다 더 유리하도록 탐지거리에 따라 3가지(장거리, 중거리, 단거리)모드로 분류하여 μ1 ,μ2 ,μ3값(μ:탐지 목표 성능에 따라 변동될 수 있는 SINR의 임계값)을 결정하는 단계(S203); (a4) 상기 MIMO 레이더 시스템에서 수신기를 동적으로 그룹핑하기 위해 필요한 모든 수신기의 SINR값을 측정하고, CU(중앙처리장치)내에 있는 모든 수신기들은 매 PRF(Pulse Repetition Frequency)마다 풀 메져먼트를 수행하는 단계(S204); (a5) 상기 MIMO 레이더 시스템에서 k번째 수신기를 k=1~Cmax,k∈C(Cmax:최대 협력 수신기의 수, C:협력 수신기의 집합)까지 반복하여 그룹핑될 수신기를 탐색하며(S205), SINR(k)≥μ (SINR(k):k번째 수신기의 SINR값, μ:탐지 목표 성능에 따라 변동될 수 있는 SINR의 임계값)조건을 판단하여(S206), 그룹핑에 선택된 수신기(k번째 수신기)의 SINR값이 임계값 μ보다 크거나 같지 않을 때 전체 수신기에서 선택된 수신기를 제외한 나머지 수신기 중에서 SINR(k)보다 큰 값을 갖는 그룹핑될 수신기 탐색하는 단계; 및 (a6) SINR(k)≥μ (SINR(k):k번째 수신기의 SINR값,μ:탐지 목표 성능에 따라 변동될 수 있는 SINR의 임계값) 조건을 만족하면(S206), 수신기 그룹핑을 그대로 유지하고(S216), SINR(k)≥μ 조건을 만족하지 못하는 개수만큼 새롭게 선택될 수신기를 선정하였다면, 최종으로 수신기 그룹핑을 업데이트 시키는 단계(S217);를 포함하며,
    상기 단계 (b)의 그룹핑된 협력 수신기에 프리코딩 기법은, CCI(co-channel interference, 동일 채널 간섭)를 완화하여 수신 SINR을 보다 향상시켜 탐지확률을 증가시키기 위한 것으로, (b1) SINR을 기반으로 수신기의 그룹핑 완료 후, δ값(프리코딩 기법 적용시 협력 수신기의 SINR에 CCI가 미치는 영향의 크기를 판단하는 임계값)을 결정하고, δ의 초기값은 수신기를 동적으로 그룹핑할 때 사용한 μ값(탐지 목표 성능에 따라 변동될 수 있는 SINR의 임계값)과 밀접한 연관이 있으며 표적의 위치에 따라 CCI(동일 채널 간섭)의 영향이 달라질 수 있기 때문에 δ는 μ와 유사하게 장거리 모드, 중거리 모드, 단거리 모드로 분류하며 각각, δ1,δ2,δ3의 값을 가지는 경우로 가정하여 초기값 δ(δ1,δ2,δ3,…)을 결정하는 단계; 및 (b2) 최대 협력 수신기의 수(Cmax)를 찾고, 프리코딩 기법 적용시 기 결정된 δ값을 사용하여 SINR(k)≥δ조건에 따라 프리코딩 적용 여부를 판단하고, 선택된 k 수신기가 SINR(k)≥δ(SINR(k):k번째 수신기의 SINR값,δ:프리코딩 기법 적용시 협력 수신기의 SINR에 CCI가 미치는 영향의 크기를 판단하는 임계값)이면 협력 수신기가 간섭의 영향을 크게 받지 않는다고 간주하여 프리코딩 기법을 적용하지 않고 다음 k+1 수신기를 반복하여 체크하고, SINR(k)<δ이면 채널이 CCI 간섭을 크게 받는다고 간주하여 프리코딩 벡터를 코드북(codebook)에서 찾아 송신기에서 프리코딩 벡터를 업데이트시키고 송신신호에 곱하여 전송하며 이것을 업데이트 될 선택된 수신기 개수만큼 반복하는 프리코딩 적용 여부 판단 및 업데이트 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신기 그룹핑은 위치 기반의 기존 레이더 시스템과 달리 SINR 기반으로 진행되며, k번째 수신기의 SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio)은 다음 식에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 MIMO 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법.
    Figure 112013026412564-pat00023
    여기서, SINR(k)는 k번째 수신기의 SINR이며, P는 수신 전력(power)이며,
    Figure 112013026412564-pat00024
    는 CCI 전력의 합이고, No는 잡음전력이다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 SINR은 상기 표적의 움직임에 따른 채널 경로손실(pathloss)과 표적의 RCS(Reaction Control System, 반응 제어 시스템) 변동에 의한 영향 포함되는 것을 특징으로 하는 MIMO 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (a5) 그룹핑될 수신기 탐색하는 단계는
    (a5-1) i=1~(Rmax-Cmax), i∈R＼C(Rmax:전체 수신기 집합의 수, Cmax:최대 협력 수신기의 수, R:전체 수신기의 집합, C:협력 수신기의 집합)까지 반복하여 그룹핑될 수신기를 탐색하며(S207), SINR(i)>SINR(k) 조건을 만족하면(S208) 즉 SINR(k) 보다 큰 SINR(i)이 존재한다면 그 때 수신기의 위치와 SINR값을 저장하며(S209), i=i+1까지 반복 수행하는 단계(S210);
    (a5-2) 저장된 SINR 값 중에서 최대값 MAX(SINR(i))을 찾은 후(S211), 최대값 MAX(SINR(i))가 있다면 k번째 수신기를 그때의 수신기(i*)를 협력 수신기로 선택하여 그룹핑을 변경하고 원래 수신기 k를 협력 수신기 집합(C)에서 제외시키고(S212), 최대값 MAX(SINR(i))이 없다면 수신기의 그룹핑은 변하지 않는 단계(S214); 및
    (a5-3) i*는
    Figure 112013026412564-pat00015
    와 같이 표현되고, 그 다음 SINR(k)와 SINR(i)는 서로 맞바꾼(S213) 후 k=k+1을 증가시켜(S215) 그 다음 그룹핑 여부를 진행하기 위해 처음 S205 단계로 되돌아가 반복수행하는 단계(여기서, k와 i는 각각 k = 1,2,…,Cmax , k∈C이고, i = 1,2,…, Rmax-Cmax,i∈R＼C 이며, Cmax는 최대 협력 수신기의 수, Rmax은 전체 수신기 집합의 수, R은 전체 수신기 집합이고, C는 그룹핑에 선택된 수신기 집합);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프리코딩 벡터(현재 이동통신에서 이미 설계되어 있는 서로 직교하는(orthogonal) 벡터)는 상기 코드북(프리코딩 벡터의 집합)에서 선택되며, 송신 레이더는 수신 단에서 피드백해준 채널 정보를 기반으로 코드북 내의 프리코딩 벡터를 선택하여 간섭을 완화하고 수신 레이더의 SINR을 향상시키는 것을 특징으로 하는 MIMO 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 협력 수신기 그룹 내의 k번째 수신기가 SINR(k)≥δ(δ:프리코딩 기법 적용시 협력 수신기의 SINR에 CCI가 미치는 영향의 크기를 판단하는 임계값)조건을 만족하지 못하면 CCI(동일 채널 간섭)의 영향이 큰 것으로 판단하고, 각 수신기에서의 간섭을 완화시키기 위해 프리코딩 벡터를 코드북에서 찾아 업데이트 시키고 송신 신호에 곱해서 전송하고, 그 결과 SINR값이 향상되며,
    Figure 112013026412564-pat00016
    (여기서, k=1,2,...,Cmax, hk 는 채널 벡터, Wk 는 코드북(사용 가능한 프리코딩 벡터의 집합)에서 선택된 프리코딩 벡터이고, σk는 잡음전력)에 의해 분산되어 있는 수신 레이더가 하나의 수신기를 가진 경우에 프리코딩기법이 적용되었을 때 각 수신 레이더에 대한 SINR(k)값 표현식을 사용하며, 이 프리코딩 벡터를 업데이트시켜 주어 전체 수신기의 SINR값의 합을 증가(선택사항 1)시키거나 또는 개별 수신기의 SINR이 SINR(k)≥δ를 만족(선택사항 2)시키도록 하고, 이와 같은 2가지 선택 사항은 실제 레이더 환경에 따라 결정될 수 있고, 전체 수신기 성능과 개별 수신기 성능 중 어느 것에 비중을 둘 것인가에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 MIMO 레이더 시스템에서 동적 그룹핑/프리코딩을 통한 성능 향상 방법.
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