KR101346196B1 - 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법 - Google Patents

섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신호의 도래각(angle of arrival, 또는, direction of arrival ; DOA)을 추정하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 종래, 배열 센서를 이용하는 신호 도래각 추정 방법은 널리 알려져 있으나, 섹터 센서 시스템을 이용하는 경우에 대하여는 정확한 신호 도래각 추정 방법이 알려져 있지 않았던 문제점을 개선하여, 지향성의 섹터 센서 시스템(sector sensor system)을 이용하여 신호의 도래각을 추정할 수 있도록 구성되는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법이 제공된다.

Description

섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법{Method for the estimation of angle of arrival using sector sensor system}
본 발명은 신호의 도래각(angle of arrival, 또는, direction of arrival ; DOA)을 추정하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 본 발명은, 지향성의 섹터 센서 시스템(sector sensor system)을 사용하여 신호의 도래각을 추정하는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 종래, 신호의 도래각을 추정하기 위한 방법으로, 배열 센서 또는 안테나(이하 센서)를 이용하여, 센서간 수신신호의 위상 차이를 통해 신호의 도래각을 추정하는 방법이 많이 이용되고 있다.
더 상세하게는, 이러한 종래의 배열 센서를 이용한 도래각 추정방법은, 신호가 평면파인 것으로 가정하면 각 센서에 도착하는 신호는 서로 다른 시간 지연을 가지게 되는데, 이러한 시간 지연을 협대역 신호 가정하에서 기저 대역에서 위상 차이로 변환하고, 이와 같은 위상 차이를 이용하여 신호의 도래각을 추정하는 방법이다.
또한, 상기한 바와 같이 배열 센서를 이용하는 종래의 신호 도래각 추정방법은, 일반적으로, 각 센서가 전방향성(omni-directional)이라는 가정 하에 이루어진다.
종래의 신호 도래각 추정방법에 대한 예로서, 한국 등록특허 제10-1126712호(2012.03.07.)에 개시된 바와 같은 "방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-1126712호의 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법은, 3개의 배열 안테나를 3차원으로 구성한 안테나로부터 협대역 신호를 수신하면 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하고, 계산된 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 분해하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하며, 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하여 위상(Phase) 행렬을 추정하고, 추정된 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및 도착주파수를 추정하도록 구성됨으로써, 기존의 SVD(singular value decomposition)와 EVD(cross spectral matrix eigenvalue decomposition) 방법보다 낮은 계산복잡도로 방향도래각과 도착주파수의 추정이 가능한 안테나 장치 및 방법에 관한 것이다.
따라서 상기한 등록특허 제10-1126712호에 따르면, 기존의 방법에 비해 계산복잡도가 낮아지므로 보다 간단한 구성으로 신속하게 방향도래각과 도착주파수의 추정이 가능해지는 이점이 있다.
그러나 종래, 배열 센서를 이용하는 신호 도래각 추정 방법은 상기한 바와 같이 널리 알려져 있으나, 섹터 센서 시스템을 이용하는 경우에 대하여는 정확한 신호 도래각 추정 방법이 알려져 있지 않다.
본 발명의 목적은, 섹터 센서 또는 안테나 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 지향성을 가지는 복수의 섹터 센서를 포함하는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법에 있어서, 각각의 섹터 센서들에 의해 신호를 수신하는 수신단계; 상기 수신단계에서 각각의 상기 섹터 센서들에 의해 수신된 신호들 중 가장 수신강도가 큰 신호를 선택하는 제 1 선택단계; 상기 제 1 선택단계에서 선택된 신호를 제외한 나머지 신호들 중 가장 수신강도가 강한 신호를 선택하는 제 2 선택단계; 상기 제 1 선택단계 및 제 2 선택단계에서 각각 선택된 신호들에 근거하여 방향성 이득 차이에 따른 수신신호 크기의 차이를 구하는 신호강도 계산단계; 상기 신호강도 계산단계에서 구해진 방향성 이득 차이에 따른 수신신호 크기의 차이 및 인접한 섹터 센서간의 신호강도의 차이에 근거하여 신호 도래각을 추정하는 신호 도래각 추정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법이 제공된다.
여기서, 상기 신호강도 계산단계는, 총 N개의 섹터로 구성된 섹터 센서 시스템의 N개의 섹터 중에서 신호가 가장 강하게 검출되는 섹터를 Sn이라 하고, 상기 Sn을 제외한 나머지 섹터 중에서 가장 강한 강도로 신호가 검출되는 섹터를 Sm이라 하며, i번째 섹터 Si의 빔 패턴을 Gi라 하고, 신호의 입사각이 θ일 때 Si의 방향성 이득을 Gi(θ)라 하며, 상기 Sn과 상기 Sm의 빔 패턴을 각각 Gn과 Gm이라 하고, 신호의 입사각을 θ라 하며, 상기 Sn과 상기 Sm의 방향성 이득을 각각 Gn(θ) 및 Gm(θ)라 할 때, 이하의 수학식을 이용하여 상기 방향성 이득 차이에 따른 수신 신호 크기의 차이(Fnm(θ))를 구하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
Figure 112012103283486-pat00001

또한, 상기 신호 도래각 추정단계는, 서로 인접하는 섹터 Sn과 Sm에서 각각 측정된 신호 강도의 차이를 f라 하면, 상기 신호 강도의 차이(f)와 상기 방향성 이득 차이에 따른 수신 신호 크기의 차이(Fnm(θ)) 간의 차를 최소로 하는 값(θ)으로 상기 신호 도래각을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 신호 도래각 추정단계는, 이하의 수학식을 이용하여 상기 신호 도래각(Θ)을 추정하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112012103283486-pat00002

아울러, 상기 신호 도래각 추정 단계는, 자동 이득 조정기를 통하여 신호 수신이 이루어지는 경우, 상기 인접 섹터간의 신호 강도의 차이(f) 대신에, 수신 신호의 상대적인 신호대 잡음비(SNR)를 이용하여 상기 신호 도래각을 추정하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 신호 도래각 추정단계는, 상기 인접하는 섹터 Sn과 Sm에서 수신되는 신호의 신호대 잡음비를 각각 SNRn 및 SNRm이라 하면, 이하의 수학식을 이용하여 상기 신호 도래각(Θ)을 추정하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
Figure 112012103283486-pat00003

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법을 컴퓨터 또는 전용의 하드웨어에 실행시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체가 제공된다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법을 이용하여 수신 신호의 도래각을 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 통신 시스템에 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 지향성의 섹터 센서 시스템(sector sensor system)을 이용하여 신호의 도래각을 추정할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법에 적용되는 섹터 센서 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법의 전체적인 구성을 나타내는 플로차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 서로 다른 입사각 θ1 및 θ2에 대하여 상기한 바와 같이 방향성 이득 차이에 따른 수신 신호 크기의 차이 Fnm(θ)를 구하는 과정을 도식적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법에 적용되는 섹터 센서 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법에 적용되는 섹터 센서 시스템(10)은, 지향성을 가지는 섹터 센서(11)를 복수 개 포함하여 각각의 센서가 자신이 향한 방향의 신호만을 수신하도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따르면, 후술하는 바와 같이 하여, 각각의 섹터 센서(11) 중에서 수신된 신호의 신호 강도가 가장 높은 섹터 센서와 그 다음으로 높은 섹터 센서의 신호 강도의 상대적인 차이를 비교함으로써, 정확한 신호의 도래각을 추정할 수 있다.
여기서, 도 1에 나타낸 실시예에서는, 섹터 센서 시스템(10)이 4개의 섹터 센서(11)를 포함하여 4방향의 신호를 각각 수신하는 것으로 나타내었으나, 본 발명은 이러한 예로만 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명에 적용되는 섹터 센서 시스템(10)은, 예를 들면, 8개의 섹터 센서(11)를 포함하여 8방향의 신호를 감지하도록 구성될 수도 있고, 또는, 16개의 섹터 센서를 포함하여 16방향의 신호를 감지하도록 구성할 수도 있는 등, 섹터 센서 시스템(10)을 구성하는 섹터 센서(11)의 수는 필요에 따라 다양하게 구성할 수 있다.
계속해서, 상기한 바와 같은 섹터 센서 시스템(10)을 이용하여 신호의 도래각을 추정하는 방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법의 전체적인 구성을 나타내는 플로차트이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법은, 각각의 섹터 센서들에 의해 신호를 수신하는 수신단계(단계 S21), 상기 수신단계에서 각각의 섹터 센서들에 의해 수신된 신호들 중 가장 수신강도가 큰 신호를 선택하는 제 1 선택단계(단계 S22), 상기 제 1 선택단계에서 선택된 신호를 제외한 나머지 신호들 중 가장 수신강도가 강한 신호를 선택하는 제 2 선택단계(단계 S23), 상기 제 1 선택단계 및 제 2 선택단계에서 각각 선택된 신호들에 근거하여 방향성 이득 차이에 따른 수신신호 크기의 차이 Fnm(θ)를 구하는 신호강도 계산단계(단계 S24), 상기 신호강도 계산단계에서 구해진 방향성 이득 차이에 따른 수신신호 크기의 차이 Fnm(θ) 및 인접한 섹터 센서간의 신호강도의 차이에 근거하여 신호 도래각을 추정하는 신호도래각 추정단계(단계 S25)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 방법은, 만약, 자동 이득 조정기를 통하여 신호 수신이 이루어지는 경우는, 단순히 수신된 신호의 크기 차이로 상기한 바와 같은 인접하는 섹터 센서간 신호강도의 차이를 구할 수 없으므로, 이 경우는, 후술하는 바와 같이, 수신 신호의 상대적인 신호대 잡음비(SNR)를 이용하여 신호 도래각을 추정하는 것을 특징으로 한다.
계속해서, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법의 구체적인 내용에 대하여 보다 상세히 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에서는, 총 N개의 섹터로 구성된 섹터 센서 시스템을 고려하고, N개의 섹터 중에서 신호가 가장 강하게 검출되는 섹터를 Sn이라 하며, Sn을 제외한 나머지 섹터 중에서 가장 강한 강도로 신호가 검출되는 섹터를 Sm이라 하여 본 발명을 설명한다.
즉, 일반적으로, Sm은 Sn에 바로 인접한 섹터가 되며, 만약, 일정한 회전 방향에 대해서 순차적으로 섹터 번호가 인덱싱되었다고 가정하면, m은 n-1 또는 n+1이 된다.
또한, i번째 섹터 Si의 빔 패턴을 Gi라 하고, 신호의 입사각이 θ일 때 Si의 방향성 이득을 Gi(θ)라 하면, Sn과 Sm의 빔 패턴은 각각 Gn과 Gm이 되고, 신호의 입사각이 θ라면, Sn과 Sm은 각각 Gn(θ) 및 Gm(θ)의 방향성 이득을 가지고 신호를 수신하는 것이 된다.
이때, 방향성 이득 차이에 따른 수신 신호 크기의 차이 Fnm(θ)를 이하의 [수학식 1]과 같이 정의한다.
[수학식 1]
Figure 112012103283486-pat00004

즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 서로 다른 입사각 θ1 및 θ2에 대하여 상기한 바와 같이 방향성 이득 차이에 따른 수신 신호 크기의 차이 Fnm(θ)를 구하는 과정을 도식적으로 나타낸 도면이다.
여기서, 일반적으로, Gi는 측정을 통하여 정확한 값을 알 수 있으므로, Fnm(θ)의 값 역시 알 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 내용을 통해, 인접한 섹터의 신호 강도의 차이를 이용하면 신호 도래각 추정이 가능하다.
계속해서, 상기한 바와 같이 구해진 인접 섹터의 신호 강도의 차이를 이용하여 신호 도래각을 추정하는 방법의 상세한 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 서로 인접하는 섹터 Sn과 Sm에서 실제로 측정된 신호 강도의 차이를 f라 하면, 신호 도래각 Θ는 f와 Fnm(θ)의 차이를 최소로 하는 θ로 결정하면 되며, 즉, 이하의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112012103283486-pat00005

여기서, 만일, 자동 이득 조정기를 통하여 신호 수신이 이루어지는 경우를 고려하면, 이러한 경우는 단순히 수신된 신호 크기의 차이에 의해 상기한 f를 계산할 수 없고, 상대적인 신호대 잡음비(SNR)를 이용해야 한다.
즉, 더 상세하게는, Sn과 Sm에서 수신되는 신호대 잡음비를 각각 SNRn, SNRm이라 하면, SNRn, SNRm을 이용하여 상기한 [수학식 2]를 이하의 [수학식 3]과 같이 다시 쓸 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112012103283486-pat00006

따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법을 구현할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 섹터 센서 시스템 11. 섹터 센서

Claims (8)

  1. 지향성을 가지는 복수의 섹터 센서를 포함하는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정 방법에 있어서,
    각각의 섹터 센서들에 의해 신호를 수신하는 수신단계;
    상기 수신단계에서 각각의 상기 섹터 센서들에 의해 수신된 신호들 중 가장 수신강도가 큰 신호를 선택하는 제 1 선택단계;
    상기 제 1 선택단계에서 선택된 신호를 제외한 나머지 신호들 중 가장 수신강도가 강한 신호를 선택하는 제 2 선택단계;
    상기 제 1 선택단계 및 제 2 선택단계에서 각각 선택된 신호들에 근거하여 방향성 이득 차이에 따른 수신신호 크기의 차이를 구하는 신호강도 계산단계;
    상기 신호강도 계산단계에서 구해진 방향성 이득 차이에 따른 수신신호 크기의 차이 및 인접한 섹터 센서간의 신호강도의 차이에 근거하여 신호 도래각을 추정하는 신호 도래각 추정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 신호강도 계산단계는,
    총 N개의 섹터로 구성된 섹터 센서 시스템의 N개의 섹터 중에서 신호가 가장 강하게 검출되는 섹터를 Sn이라 하고, 상기 Sn을 제외한 나머지 섹터 중에서 가장 강한 강도로 신호가 검출되는 섹터를 Sm이라 하며, i번째 섹터 Si의 빔 패턴을 Gi라 하고, 신호의 입사각이 θ일 때 Si의 방향성 이득을 Gi(θ)라 하며, 상기 Sn과 상기 Sm의 빔 패턴을 각각 Gn과 Gm이라 하고, 신호의 입사각을 θ라 하며, 상기 Sn과 상기 Sm의 방향성 이득을 각각 Gn(θ) 및 Gm(θ)라 할 때,
    이하의 수학식을 이용하여 상기 방향성 이득 차이에 따른 수신 신호 크기의 차이(Fnm(θ))를 구하도록 구성된 것을 특징으로 하는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법.

    Figure 112012103283486-pat00007

  3. 제 2항에 있어서,
    상기 신호 도래각 추정단계는,
    서로 인접하는 섹터 Sn과 Sm에서 각각 측정된 신호 강도의 차이를 f라 하면, 상기 신호 강도의 차이(f)와 상기 방향성 이득 차이에 따른 수신 신호 크기의 차이(Fnm(θ)) 간의 차를 최소로 하는 값(θ)으로 상기 신호 도래각을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 신호 도래각 추정단계는,
    이하의 수학식을 이용하여 상기 신호 도래각(Θ)을 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법.


  5. 제 4항에 있어서,
    상기 신호 도래각 추정 단계는,
    자동 이득 조정기를 통하여 신호 수신이 이루어지는 경우, 상기 인접 섹터간의 신호 강도의 차이(f) 대신에, 수신 신호의 상대적인 신호대 잡음비(SNR)를 이용하여 상기 신호 도래각을 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 신호 도래각 추정단계는,
    상기 인접하는 섹터 Sn과 Sm에서 수신되는 신호의 신호대 잡음비를 각각 SNRn 및 SNRm이라 하면, 이하의 수학식을 이용하여 상기 신호 도래각(Θ)을 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법.

    Figure 112012103283486-pat00009

  7. 청구항 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 기재된 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법을 컴퓨터 또는 전용의 하드웨어에 실행시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
  8. 청구항 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 기재된 섹터 센서 시스템을 이용한 신호 도래각 추정방법을 이용하여 수신 신호의 도래각을 추정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
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