KR101330082B1 - 다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의도래각 추정 장치 및 방법 - Google Patents

다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의도래각 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 벡터 센서 배열 안테나 각각에서 기설정한 동일한 벡터 센서로부터 수신하는 신호를 그룹으로 나누어 다수의 부배열로 정하고 부배열 내에서의 공분산을 생성하고 공간 스무딩(moothing)하는 센서 신호 처리부들과, 상기 센서 신호 처리부들로부터 수신하는 공간 스무딩한 각 벡터 센서별 신호들을 수신하여 순방향-역방향 편파 스무딩(Forward-Backward polarization smoothing) 기법을 통해 편파 스무딩을 수행하는 편파 스무딩 처리기와, 상기 편파 스무딩 처리기를 통해 랭크(rank) 확장된 수신신호에서 도래각을 추정하는 도래각 추정기를 포함하여 상대적으로 보다 많은 신호의 도래각을 추정하는 효과를 가진다.
Figure R1020070103385
편파 다이버시티, 도래각, 편파 스무딩, 공간 스무딩

Description

다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COHERENT SOURCES DIRECTION OF ARRIVAL USING POLARIZATION IN MULTIPATH SYSTEM}
본 발명은 다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 본 발명은 다중경로(Multipath)가 존재하는 상황에서 시간 지연(time delay)에 의한 ISI(Intersymbol Interference)의 영향을 제거할 수 있는 OFDM 시스템 기반의 이동통신 기지국의 스마트 안테나(Smart Antenna)에서 코히런트(coherent) 신호의 도래각(Direction of Arrival)을 추정함으로써 다중경로(Multipath)를 통해서 수신되는 신호의 방향으로 빔(Beam)을 형성하여 신호 및 잡음비를 높이는 방법에 관한 것이다.
원신호로부터 분기한 다중경로(Multipath)를 통해 들어오는 신호들은 원신호와 높은 연관성(correlation)을 가지고 있다. 이렇듯 연관성(correlation)이 높은 수신 신호들은 일반적인 공분산(Covariance matrix)을 통한 도래각 추정 기법으로 는 그 위치를 정확히 추정하기가 어렵다.
편파 다이버시티(polarization diversity)를 이용한 종래의 기술은 각 안테나에서 수신한 신호를 이용해서 편파 스무딩(smoothing)을 통한 신호의 위치 추정 방식을 택하였다. 편파 다이버시티란 수신 신호의 전기장과 자기장 성분을 이용하여 비록 임의의 수신 센서에서 좋지 않은 성능을 내게 되더라도 다른 센서에서 보상해줄 수 있는 것을 말한다. 또한 스무딩이란 여럿 샘플 그룹을 이용하여 평균의 효과를 내는 것이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 편파성(polarization)을 이용하는 원리를 설명하기 위한 벡터를 도시한 도면이다. 상기 도 1을 참조하면 U(101)은 신호의 진행방향의 단위벡터를 나타내고, Vθ(103)는 θ(고도)방향의 단위벡터를 나타내고, Vφ(105)는 φ(방위각)방향의 단위벡터를 나타낸다. 각 단위벡터들은 아래 <수학식 1>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007073531550-pat00001
편파된 신호는 단위벡터 축과 일치하게 들어오는 것이 아니라, 편파에 의해 그 축이 β만큼의 회전이 일어난 상태(107)(109)로 들어오게 된다. 또한, α=1일 때를 선형 편파(Linear polarization)라고 하고
Figure 112007073531550-pat00002
일 때를 순환 편파(circular polarization)라고 한다.
도 2는 종래 기술에 따른 일반적인 벡터 센서 배열(Vector sensor array) 안테나를 도시한 도면이다. 상기 도 2를 참조하면 참조번호 (201),(202),(203)은 다이폴(dipole) 센서로써 전기장을 감지한다. 또한 참조번호 (204),(205),(206)은 루프(loop) 센서로써 자기장을 감지한다. 편파된 신호로 말미암아 신호의 전자기 성분을 모두 이용할 수 있는 것이 벡터 센서(Vector sensor)의 목적이다.
상기 도 2에서 안테나의 배열은 z축을 기준으로 배열되어있다. 이때, 벡터 센서에서 수신되는 전기장 및 자기장 신호는 아래 <수학식 2>와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007073531550-pat00003
여기서, YE(t)는 전기장 센서로부터의 수신신호 벡터를 나타내고, YH(t)는 자기장 센서로부터의 수신신호 벡터를 나타내고, I3는 3x3 정방행렬를 나타내고, u×는 진행방향 단위벡터와의 cross product를 나타내고, nE(t)는 전기장 센서의 노 이즈를 나타내고, nH(t)는 자기장 센서의 노이즈를 나타내고, s(t)는 송신 신호를 나타내고, P는 편파 요소(polarization factor)를 나타내고, E(t)는 신호의 자기장을 나타내고, H(t)는 신호의 전기장을 나타내고, 전기장과 자기장의 관계는 H(t)=u×E(t)이다.
결국 벡터 센서에서 수신 신호는 θ와 φ에 따른 각 센서에서의 센서 편파 반응(Sensor polarization response)을 나타내는 요소인 G(θ,φ)과 편파 요소(polarization factor)인 P를 통해서 나타낼 수 있는데 이때 P와 G(θ,φ)는 아래 <수학식 3>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007073531550-pat00004
여기서, γ와 η은 편파 형태(polarization type)에 따라 임의로 주어진다.
벡터 센서 배열 안테나에서는 벡터 센서를 z축을 따라 나열한 것이고 벡터 센서 배열안테나를 통해 수신되는 수신 벡터는 아래 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007073531550-pat00005
여기서, X(n)은 벡터 센서 배열안테나를 통해 수신되는 수신 벡터이고, M은 존재하는 신호의 개수이고, a(θi,φi)는 조정 백터(steering vector)이고, P는 편파 요소(polarization factor)를 나타내고, G(θi,φi)는 θi와 φi에 따른 각 센서에서의 센서 편파 반응(Sensor polarization response)을 나타내는 요소이고, si(n)는 i번째 수신신호이고, n(n)은 노이즈 벡터를 나타내고, n은 snapshot의 개수이다.
상기 조정 백터는 임의의 도래각으로부터 신호를 수신할 때 배열 안테나간의 correlation에 의한 공간 특성을 말한다.
종래기술은 벡터 센서 배열 안테나를 이용해서 다중경로 신호을 추정하는데 있어서,벡터 센서에서의 센서 수로만 추정 가능한 신호의 도래각(Direction of Arrival) 개수가 정해졌다. 즉, 사용하는 센서의 개수를 L 이라고 하고 배열 안테나의 개수가 F라고 할 때, 순방향 편파(Forward polarization) smoothing을 적용했을 때, 추정 가능한 신호의 개수는 신호의 개수가 F-1보다 작 다는 조건에서 최대 L개(≤min(L, F-1))까지 가능했고, 순방향-역방향 (Forward-Backward) smoothing을 적용하였을 때는 같은 조건에서 최대 2L개(≤min(2L, F-1))까지 가능했다.
그러나, 종래의 도래각 추정은 배열 안테나의 특성을 이용하지 않고 있다. 따라서, 부배열 그룹으로 안테나를 나누는 방식을 고려하여서 코히런트 신호에 대한 추정의 캐페시티(capacity)를 높이는 장치 및 방법이 요구된다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중경로 시스템의 기지국에서 편파 다이버시티를 이용한 코히런트(coherent) 신호의 도래각 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중경로 시스템의 기지국에서 벡터 센서 배열(Vector sensor array) 안테나를 통해 수신하는 코히런트(coherent) 신호의 도래각 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중경로 시스템의 기지국에서 벡터 센서 배열(Vector sensor array) 안테나를 부배열 그룹으로 나누어 이를 이용하여 상대적으로 보다 많은 코히런트(coherent) 신호의 도래각 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정 장치는, 벡터 센서 배열 안테나 각각에서 기설정한 동일한 벡터 센서로부터 수신하는 신호를 다수의 부배열 그룹으로 나누고 부배열 내에서의 공분산을 생성하고 공간 스무딩(moothing)하는 센서 신호 처리부들과, 상기 센서 신호 처리부들로부터 수신하는 공간 스무딩한 각 벡터 센서별 신호들을 수신하여 순방향-역방향 편파 스무딩(Forward-Backward polarization smoothing) 기법을 통해 편파 스무딩을 수행하는 편파 스무딩 처리기와, 상기 편파 스무딩 처리기를 통해 랭크(rank) 확장된 수신신호에서 도래각을 추정하는 도래각 추정기를 포함함을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정 방법은, 상기 벡터 센서 배열 안테나 각각에서 벡터 센서별로 신호를 수신하여 저장하는 과정과, 각 벡터 센서별 수신 신호를 각각 하나의 부배열로 정하고 상기 부배열들의 공분산을 생성하는 과정과, 상기 부배열들의 공분산으로부터 공간적으로 공분산의 평균효과를 내어 코히런트 신호의 추정을 가능하게 공간 스무딩(moothing)하는 과정과, 공간 스무딩한 각 벡터 센서별 신호들을 순방향-역방향 편파 스무딩(Forward-Backward polarization smoothing) 기법을 통해 편파 스무딩을 수행하는 과정과, 상기 공간 스무딩과 상기 편파 스무딩을 통해 랭크(rank) 확장된 수신신호에서 도래각을 추정하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 벡터 센서 배열 안테나 각각에서 기설정한 동일한 벡터 센서로부터 수신하는 신호를 다수의 부배열 그룹으로 나누고 부배열 내에서의 공분산을 생성하고 공간 스무딩(moothing)하는 센서 신호 처리부들과, 상기 센서 신호 처리부들로부터 수신하는 공간 스무딩한 각 벡터 센서별 신호들을 수신하여 순방향-역방향 편파 스무딩(Forward-Backward polarization smoothing) 기법을 통해 편파 스무딩을 수행하는 편파 스무딩 처리기와, 상기 편파 스무딩 처리기를 통해 랭크(rank) 확장된 수신신호에서 도래각을 추정하는 도래각 추정기를 포함한느 다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 상대적으로 보다 많은 신호의 도래각을 추정하는 효과가 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 하기와 같다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 다중경로 시스템의 기지국에서 벡터 센서 배열(Vector sensor array) 안테나를 통해 수신하는 코히런트(coherent) 신호의 도래각 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 다음에서 도 3을 참조하여 그 장치를 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따라 벡터 센서 배열 안테나를 통해 수신하는 코히런트 신호의 도래각 추정하는 다중경로 시스템의 기지국의 구성을 도시한 도면이다. 상기 도 3을 참조하면 본 발명의 기지국은 벡터 센서 배열(Vector sensor array) 안테나의 센서수 만큼의 센서 신호 처리부(310, 330, 350)와, 편파 스무딩 처리기(360), 도래각 추정기(370), 빔 형성기(380)를 포함한 다.
먼저 상기 센서 신호 처리부(310, 330, 350)를 살펴보면, 상기 센서 신호 처리부(310)는 센서 수신기(311), ADC(312, 313, 314), FFT(315, 316, 317), 디매핑기(318), 부배열 공분산 생성기(319), 공간 스무딩 처리기(321)를 포함한다.
상기 센서 수신기(311)는 각각의 벡터 센서 배열 안테나에서 기설정한 동일한 센서로부터 병렬로 신호를 수신한다. 상기 ADC(312, 313, 314)는 상기 센서 수신기(311)에서 수신한 센서별 신호를 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시킨다. 상기 FFT(315, 316, 317)는 디지털 변환된 수신신호를 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역에 데이터를 출력한다. 상기 디매핑기(318)는 상기 FFT(315, 316, 317)로부터의 부반송파 값들에서 실제 데이터가 실린 부반송파 값들을 추출하여 원신호에 해당하는 데이터를 출력한다.
상기 부배열 공분산 생성기(319)는 각 벡터 센서별로 부배열을 형성하여 부배열 내에서의 공분산을 생성한다. 상기 공간 스무딩 처리기(321)는 부배열의 공분산으로부터 공간적으로 공분산의 평균효과를 내어 코히런트 신호의 추정을 가능하게 공간 스무딩(moothing) 한다.
상기 편파 스무딩 처리기(360)는 각 벡터 센서별로 구분한 상기 센서 신호 처리부(310, 330, 350)들로부터 공간 스무딩한 각 벡터 센서별 신호를 수신하여 순방향-역방향 편파 스무딩(Forward-Backward polarization smoothing) 기법을 통해 편파 스무딩을 수행한다. 이때 편파 다이버시티(polarization divesity)에 의한 효과로 2*L개의 코히런트(coherent) 수신 신호를 분리할 수 있게 된다. 상기 편파 스 무딩 처리기(360)에서 각 벡터 센서별로 병렬 처리되던 것이 하나로 통합된다.
상기 순방향-역방향 편파 스무딩 기법이란 부배열 그룹으로 스무딩을 수행하는데 있어서 순방향으로 진행한 것과 역방향으로 진행한 것을 평균하는 것으로 다음의 논문 "Forward/backward spatial smoothing techniques for coherent signal identification"를 참조한다.
한편, 본 발명에서는 상기 부배열 공분산 생성기(319), 상기 공간 스무딩 처리기(321), 상기 편파 스무딩 처리기(360)를 통틀어 랭크(rank) 확장부라 칭한다. 이때, 랭크(rank)의 값은 코히런트 신호를 몇 개까지 추정 가능한 지를 가늠할 수 있는 요소이다.
상기 도래각 추정기(370)는 상기 랭크 확장부에서 확장된 랭크를 바탕으로 MUSIC(Multiple Signal Classification)이나 ESPRIT(Estimatno of Signal Parameter via Rotational Invariance Technique)과 같은 추정방법을 이용해서 신호의 도래각을 추정한다. 한편 MUSIC의 보다 상세한 설명은 다음의 논문 "Multiple emitter location and signal parameter estimation"을 참조하고, ESPRIT의 보다 상세한 설명은 다음의 논문 "ESPRIT-estimation of signal parameters via rotational invariance technique"을 참조한다.
상기 빔 형성기(380)는 상기 도래각 추정기(370)를 통해 추정된 도래각을 바탕으로 도래각 방향으로 빔을 형성하여 신호의 신호대 잡음비(SNR)를 높인다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 기지국에서 수신하는 각 센서 별로 부배열 그룹화하여 저장형태를 도시한 도면이다. 상기 도 4를 참조하면 본 발명의 기지국은 안테나들을 센서별로 그룹화하여 신호를 수신하기 때문에 상기 도 2와 같이 2차원 형태를 가지며 따라서 편파 다이버시티를 이용하는 편파 스무딩과 배열 안테나를 이용하는 공간 스무딩이 가능하다.
상기 도 4에서 세로축은 각 안테나 요소(antenna element)에서 벡터 센서로부터 수신되는 신호를 의미한다. 즉, 3개의 다이폴 센서와 3개의 루프 센서를 전부 이용할 경우에는 하나의 안테나 요소에서 총 6개의 편파된(polarized) 수신신호를 감지하게 된다. 벡터 센서에서 감지된 수신신호는 결국 편파 다이버시티를 이용하여 코히런트(coherent) 신호를 추정하는데 사용된다.
상기 도 4에서 가로축은 배열 안테나로부터 수신되는 수신신호를 의미한다. 배열 안테나를 여럿의 부배열 안테나 그룹으로 나누는 과정을 통해서 이 과정이 없을 때 보다 부배열 안테나 그룹의 개수 배 만큼의 코히런트(coherent) 신호를 추정할 수 있게 된다.
따라서 본 발명에서는 2*(사용 센서의 개수)*(부배열 안테나 그룹의 개수) 개의 코히런트(coherent) 신호 추정이 이론적으로 가능하게 된다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정 방법을 아래에서 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 다중경로 시스템의 기지국에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정하는 과정을 도시한 흐름도이다. 상기 도 5를 참조하면 본 발명의 기지국은 501단계로 진행하여 벡터 센서 배열 안테나를 안테나의 센서별로 그룹화하여 부배열 그룹으로 나누고, 부배열 그룹별 수신신호를 저장한다.
벡터 센서 배열 안테나는 각 센서별로 수신 신호를 감지할 수 있고, 임의의 l번째 센서에서 감지되는 배열 안테나 수신신호를 모델링하면 아래 <수학식 5>와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007073531550-pat00006
여기서, xl(n)은 벡터 센서 배열안테나에서 l번째 센서를 통해 수신되는 수신 벡터이고, p는 편파 요소(polarization factor)를 나타내고, Gl은 G(θ,φ)의 l번째 행을 나타내는 것으로써 p가 벡터 센서에 어떤 크기로 영향을 주는 지를 나타내고, a(θi,φi)는 조정 백터(steering vector)이고, nl(n)은 l번째 센서에서의 노이즈를 나타내고, si(n)는 i번째 수신신호이다.
이때, l번째 센서에서 감지된 배열 안테나 수신신호는 해당 센서에서 편파 요소가 어느 정도 영향을 끼치는 가에 관한 정보만을 필요로 한다. 그러므로, Glp의 연산의 결과값은 스칼라값을 가지게 되고, 결국 상기 <수학식 5>에서 크로네커 곱(Kronecker product)에 관한 성질은 없어진다.
여기서 Kronecker product란 a(θi,φi)마다 Glp를 곱해서 일렬로 배열하는 것을 말한다. 따라서 상기 <수학식 5>는 행렬 형식으로 고쳐서 아래 <수학식 6>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007073531550-pat00007
여기서, xl(n)은 벡터 센서 배열안테나에서 l번째 센서를 통해 수신되는 수신 벡터이고, A(θ,φ)는 M개의 수신신호들에 의한 조정 벡터(steering vector)를 행렬로 나타낸 것이고, Zl은 정방행렬로써 각 대각 요소는 수신신호에 따른 편파 반응를 나타내고, nl(n)은 l번째 센서에서의 노이즈 벡터를 나타내고, s(n)는 수신신호이다.
다음으로 본 발명의 기지국은 503단계로 진행하여 부배열에서 얻은 수신신호로 공분산 행렬(Covariance Matrix)을 생성하고, 505단계로 진행하여 생성한 공분산 행렬을 이용해서 공간 스무딩(spatial smoothing) 처리를 수행한다. 공간 스무딩에 의한 선처리는 랭크(rank)의 확장에 기여하게 된다.
상기 505단계는 각 센서에서 수신하는 수신신호는 전체 배열 안테나에 걸쳐서 수신되는 신호에서 최대 수신신호 추정을 얻기 위해 선처리 단계로써 각 센서에 해당하는 배열 안테나에서 수신된 신호를 부배열 그룹으로 묶어서 공간적으로 스무 딩 처리한다. 이를 수학식으로 표현하면, 먼저 부배열 그룹으로 나누는 과정은 아래 <수학식 7>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007073531550-pat00008
여기서, k는 k번째 부배열 그룹을 나타내고, xkl(n)은 k번째 부배열 그룹에서 l번째 센서를 통해 수신되는 수신 벡터이고, Bk -1은 위상 지연(phase delay) 행렬로써 부배열 그룹이 shifting 되는 요소를 고려한 것으로 정방행렬을 나타내고, nk;(n)은 k번째 부배열 그룹에서 l번째 센서에서의 노이즈 벡터를 나타내고, s(n)는 수신신호이다.
총 부배열 그룹의 개수 K는 전체 배열 안테나의 개수 F에서 각 부배열 그룹의 길이 P 를 빼고 1을 더한 것과 같다.
그러면, k번째 부배열 그룹에서 얻은 수신신호로 공분산 행렬을 얻고, K개의 부배열 그룹으로 스무딩 처리하면, l번째 센서에서 얻는 공분산 행렬은 아래 <수학식 8>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007073531550-pat00009
여기서, Rl은 l번째 센서에서 얻는 공분산 행렬을 나타내고,k는 k번째 부배 열 그룹을 나타내고, Rs는 수신신호의 공분산을 나태내고, Zl은 정방행렬로써 각 대각 요소는 수신신호에 따른 편파 반응를 나타내고, Ap는 길이가 P인 부배열 그룹에서의 조정 벡터로 이루어진 행렬을 나타내고, Bk -1은 위상 지연(phase delay) 행렬로써 부배열 그룹이 shifting 되는 요소를 고려한 것으로 정방행렬을 나타낸다.
상기 <수학식 8>에서
Figure 112007073531550-pat00010
라고 정의할 때 그것의 rank는 min(K,M)이다. 만일 K<M일 경우 rank는 K라고 할 수 있고 이것은 부배열 그룹의 개수를 말한다.
다음으로 본 발명의 기지국은 507단계로 진행하여 순방향-역방향 편파 스무딩(Forward-Backward polarization smoothing) 기법을 통해 편파 스무딩을 수행한다. 이때 편파 다이버시티(polarization divesity)에 의한 효과로 2×L개의 코히런트(coherent) 수신 신호를 분리할 수 있게 된다.
코히런트 신호를 추정하는데 있어서, 랭크(rank)의 값은 코히런트 신호를 몇 개까지 추정 가능한 지를 가늠할 수 있는 요소로써 중요하다. 이때, 벡터 센서가 가지고 있는 편파 다이버시티를 적용하면, 랭크의 확장을 가져올 수 있는데, 최대 랭크 값을 정하는 계산은 아래 <수학식 9>와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007073531550-pat00011
여기서, R은 Rl 을 순방향 스무딩해서 얻은 공분산을 나타내고, l은 l번째 센서를 의미하고, Rl은 l번째 센서에서 얻는 공분산 행렬을 나타내고, Ap는 길이가 P인 부배열 그룹에서의 조정 벡터로 이루어진 행렬을 나타내고, Ri s는
Figure 112007073531550-pat00012
를 나타내고, Zl은 정방행렬로써 각 대각 요소는 수신신호에 따른 편파 반응을 나타낸다.
상기 <수학식 9>는 편파 다이버시티에 의한 공분산으로써 랭크를 결정하는 괄호 안의 요소인
Figure 112007073531550-pat00013
는 아래 <수학식 10>과 같이 분해될 수 있다.
Figure 112007073531550-pat00014
여기서, L은 각 배열 안테나가 가지는 센서의 총수이고, C는 수학식 9의 괄호 안의 요소를 행렬의 특성을 이용하여 임의의 행렬과 그것의 Hermitian 행렬로 분해가 가능한데 이 때 분해 가능한 임의의 행렬을 뜻함, 물리적 의미가 아니라 단지 수학적인 factorization 기법, 이렇게 나누어야 행렬의 랭크가 몇인지를 확인할 수 있다.
결국, 공분산의 랭크는 C의 랭크와 같다. C의 랭크는 아래 아래 <수학식 11>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007073531550-pat00015
여기서, C는 수학식 9의 괄호 안의 요소를 행렬의 특성을 이용하여 임의의 행렬과 그것의 Hermitian 행렬로 분해가 가능한데 이 때 분해 가능한 임의의 행렬을 뜻함, 물리적 의미가 아니라 단지 수학적인 factorization 기법, 이렇게 나누어야 행렬의 랭크가 몇인지를 확인할 수 있다. 또한, Zl은 정방행렬로써 각 대각 요소는 수신신호에 따른 편파 반응를 나타내고, d1, d2 …dk는 서로 독립한 벡터이다.
상기 <수학식 11>에서 분리된 두 번째 행렬의 랭크는 L×K 의 값을 가진다. 랭크가 상기와 같이 결정되었을 때, 정밀한 도래각 추정을 위해 MUSIC 과 ESPRIT 방법을 통해 추정할 수 있는 최대 신호의 개수는 min(L×K,P-1)이다. 또한, 순방향-역방향 스무딩을 적용할 경우에는 그것의 랭크가 2L×K 의 값을 가지게 되고, 따라서, 추정할 수 있는 최대 신호의 개수는 min(2L×K,P-1)이 된다.
이후, 본 발명의 기지국은 509단계로 진행하여 상기 505단계와 상기 507단계 를 통해 확장된 랭크를 바탕으로 MUSIC이나 ESPRIT과 같은 추정방법을 이용해서 신호의 도래각을 추정한다.
이때 추정하는 신호의 도래각은 랭크 만큼의 다중경로(multipath) 수신 신호를 추정할 수 있게 된다.( 단, 신호의 개수가 (부배열의 길이-1)보다 작을 경우)
상기 도래각을 추정한 후, 본 발명의 기지국은 511단계로 진행하여 도래각을 이용하여 신호 방향으로는 빔(beam)을 형성해서 높은 신호 및 잡음비을 보장하여 시스템의 성능을 향상시키고, 본 알고리즘을 종료한다.
도 6은 본 발명에서 제안하는 신호 추정방법과 종래의 신호 추정방법을 비교한 그래프이다. 상기 도 6의 실험 환경은 다중경로 신호가 8개가 존재하고, 센서의 개수가 3개, 안테나의 개수가 10개인 환경으로 종래의 방법(previous method)으로는 신호들은 추정하지 못하며 신호를 추정하기 위해서는 센서의 개수를 더 추가해야만 추정이 가능한데 이것은 비용 손실을 유발한다.
하지만 본 발명에서 제안한 방벙(proposed method)을 사용하면, 센서의 개수를 늘리지 않고서도 주어진 안테나 개수를 사용하여 코히런트 신호들을 추정할 수 있게 된다.
분명히, 청구항들의 범위 내에 있으면서 이러한 실시 예들을 변형할 수 있는 많은 방식들이 있다. 다시 말하면, 이하 청구항들의 범위를 벗어남 없이 본 발명을 실시할 수 있는 많은 다른 방식들이 있을 수 있는 것이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 편파성(polarization)을 이용하는 원리를 설명하기 위한 벡터를 도시한 도면,
도 2는 종래 기술에 따른 일반적인 벡터 센서 배열(Vector sensor array) 안테나를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따라 벡터 센서 배열 안테나를 통해 수신하는 코히런트 신호의 도래각 추정하는 다중경로 시스템의 기지국의 구성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 기지국에서 수신하는 각 센서별로 부배열 그룹화하여 저장형태를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 다중경로 시스템의 기지국에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정하는 과정을 도시한 흐름도 및,
도 6은 본 발명에서 제안하는 신호 추정방법과 종래의 신호 추정방법을 비교한 그래프이다.

Claims (11)

  1. 다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정 장치에 있어서,
    벡터 센서 배열 안테나 각각에서 기설정한 동일한 벡터 센서로부터 수신하는 신호를 다수의 부배열로 정하고 부배열 내에서의 공분산을 생성하고 공간 스무딩(moothing)하는 센서 신호 처리부들과,
    상기 센서 신호 처리부들로부터 수신하는 공간 스무딩한 각 벡터 센서별 신호들을 수신하여 순방향-역방향 편파 스무딩(Forward-Backward polarization smoothing) 기법을 통해 편파 스무딩을 수행하는 편파 스무딩 처리기와,
    상기 편파 스무딩 처리기를 통해 랭크(rank) 확장된 수신신호에서 도래각을 추정하는 도래각 추정기를 포함함을 특징으로 하는 도래각 추정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센서 신호 처리부는,
    상기 벡터 센서 배열 안테나 각각에서 기설정한 동일한 벡터 센서로부터 신호를 수신하는 센서 수신기와,
    상기 센서 수신기에서 수신한 신호를 디지털신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기와
    디지털 변환된 수신신호를 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역으로 변환하는 FFT와,
    디매핑을 통해 원신호에 해당하는 데이터를 출력하고 디매핑기와,
    상기 기설정한 동일한 벡터 센서들을 다수의 부배열로 정하고 공분산을 생성하는 부배열 공분산 생성기와,
    상기 부배열의 공분산으로부터 공간적으로 공분산의 평균효과를 내어 코히런트 신호의 추정을 가능하게 공간 스무딩(moothing)하는 공간 스무딩 처리기를 포함함을 특징으로 하는 도래각 추정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 센서 신호 처리부는,
    상기 벡터 센서 배열 안테나를 구성하는 벡터 센서의 수만큼 존재함을 특징으로 하는 도래각 추정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 도래각 추정기는,
    MUSIC(Multiple Signal Classification) 또는 ESPRIT(Estimatno of Signal Parameter via Rotational Invariance Technique)과 같은 추정방법을 이용하여 상 기 도래각을 추정함을 특징으로 하는 도래각 추정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 벡터 센서 안테나는,
    3개의 다이폴(dipole) 센서와 3개의 루프(loop) 센서를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 도래각 추정 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 도래각 추정기를 통해 추정한 상기 도래각을 바탕으로 도래각 방향으로 빔을 형성하는 빔 형성기를 더 포함함을 특징으로 하는 도래각 추정 장치.
  7. 다중경로 시스템에서 편파 다이버시티를 이용한 신호의 도래각 추정 방법에 있어서,
    상기 벡터 센서 배열 안테나 각각에서 벡터 센서별로 신호를 수신하여 저장하는 과정과,
    각 벡터 센서별 수신 신호를 각각 다수의 부배열로 정하고 상기 부배열들의 공분산을 생성하는 과정과,
    상기 부배열들의 공분산으로부터 공간적으로 공분산의 평균효과를 내어 코히런트 신호의 추정을 가능하게 공간 스무딩(moothing)하는 과정과,
    공간 스무딩한 각 벡터 센서별 신호들을 순방향-역방향 편파 스무딩(Forward-Backward polarization smoothing) 기법을 통해 편파 스무딩을 수행하는 과정과,
    상기 공간 스무딩과 상기 편파 스무딩을 통해 랭크(rank) 확장된 수신신호에서 도래각을 추정하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 도래각 추정 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 부배열은,
    상기 벡터 센서 배열 안테나를 구성하는 벡터 센서의 수만큼 존재함을 특징으로 하는 도래각 추정 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 도래각 추정은,
    MUSIC(Multiple Signal Classification) 또는 ESPRIT(Estimatno of Signal Parameter via Rotational Invariance Technique)과 같은 추정방법을 이용하여 상기 도래각을 추정함을 특징으로 하는 도래각 추정 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 벡터 센서 안테나는,
    3개의 다이폴(dipole) 센서와 3개의 루프(loop) 센서를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 도래각 추정 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    추정한 상기 도래각을 바탕으로 도래각 방향으로 빔을 형성하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 도래각 추정 방법.
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KR20070077228A (ko) * 2006-01-03 2007-07-26 삼성전자주식회사 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법

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