KR101498615B1 - 무선 신호의 방향을 추정하는 장치 및 그 방법 - Google Patents

무선 신호의 방향을 추정하는 장치 및 그 방법 Download PDF

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조희래
이재기
박희선
장진각
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황인호
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 무선 신호의 방향을 추정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 슬릿 안테나 또는 다중 안테나를 통해 무선 신호의 방향을 추정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 또한, 무선 신호의 방향을 추정하는 장치는 적어도 하나의 안테나로부터 무선 신호를 수신하는 단계, 적어도 하나의 안테나가 방향성 이득을 가지는 안테나에 해당하는지 여부에 따라 사전 보정을 수행하는 단계, 무선 신호 또는 사전 보정이 완료된 신호에 대하여 주파수 천이를 수행하여 아날로그 신호를 생성하는 단계, 아날로그 신호를 디지털 샘플로 변환하는 단계 및 디지털 샘플로부터 해당 안테나의 위상을 추출하고, 추출한 위상을 토대로 상기 무선 신호의 방향을 추정하는 단계를 포함한다.

Description

무선 신호의 방향을 추정하는 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING DIRECTION OF RELAYING RADIO SIGNAL}
본 발명은 무선 신호의 방향을 추정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 슬릿 안테나 또는 다중 안테나를 통해 무선 신호의 방향을 추정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
신호의 방향을 추정하는 방법은 지향성 안테나를 사용하는 방법과 다중 안테나 배열을 사용하는 방법 등이 있다.
지향성 안테나를 사용하는 방법은 안테나 자체가 특정 방향으로 이득 방향이 나타나는 특징을 이용하여, 자이로(gyro)나 나침반과 같이 사용하여 신호의 방향을 추정하는 기법이다. 지향성 안테나는 위성 안테나와 같은 접시형, 야기 안테나와 같이 배열형, 신호 집적을 위한 곡면형 등이 있다. 이러한 지향성 안테나를 사용하는 방법은 안테나의 이득을 특정 방향으로 증강시키는 방식을 이용하여 신호의 방향을 추정할 수 있다.
이와 달리, 다중 안테나에 대한 신호를 독립적으로 수신하고, 이를 조합하여 특정 신호의 크기가 최대가 되도록 웨이트(weight)를 주어서 각 안테나의 신호를 병합하는 기법을 빔포밍(beamforming) 기법이라고 한다.
빔포밍 기법은 각 안테나에 대한 웨이트(weight)를 조절함으로써 안테나의 방향을 직접 회전시키지 않고도 신호 수신 이득(gain)의 패턴(pattern)을 조절할 수 있는 장점이 있어 최근 많이 사용되는 기법이다.
빔포밍 기법과 유사하게 각 안테나의 신호를 독립적으로 수신하는 경우, 최근 이동통신에서는 공간 다중 방식(Spatial multiplexing)으로 다중 안테나(MIMO antenna) 형태를 구현하고, 이를 기반으로 더 많은 데이터를 송수신 할 수 있게 되었다. 또 다른 형태로는 신호의 다이버시티(diversity) 이득을 얻기 위해서 각 독립 신호를 고정된 웨이트(weight)로 조합하는 것도 사용된다.
예를 들어, 한국공개특허 제2012-0035907호 "신호도달방향 추정을 위한 소프트웨어 정의 라디오 단말 장치 및 소프트웨어 정의 라디오 단말 어플리케이션의 배포 및 설치 방법"에서는 신호도달방향 추정(DOA: DIRECTION OF ARRIVAL)을 위한 소프트웨어 정의 라디오(SDR: Software-Defined Radio) 다중 안테나 시스템의 소프트웨어 정의 라디오 단말 장치 및 소프트웨어 정의 라디오 단말 어플리케이션의 배포 및 설치 방법에 관하여 기재하고 있다.
다중 안테나를 사용하는 경우, 안테나 개수만큼의 RF 수신기를 갖는다. 따라서, 안테나 개수만큼 하드웨어 복잡도가 증가하는 단점을 갖는다. 이를 개선하기 위해서 제시된 기법 중에 하나는 각 안테나를 시간 상에서 분할하여 신호를 수집하는 것이다. 즉 각 안테나에서 수신되는 신호를 동시에 샘플링 하지 않고, 순차적으로 한 샘플씩 각 안테나로부터 수신하는 것이다. 이렇게 함으로써, 하드웨어의 복잡도를 올리는 대신에 안테나 개수에 해당하는 만큼 샘플링 속도를 증가시켜서 처리할 수 있다.
본 발명의 목적은 슬릿 안테나 또는 다중 안테나를 통해 무선 신호의 방향을 추정하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 신호의 방향을 추정하는 방법은
적어도 하나의 안테나로부터 무선 신호를 수신하는 단계; 상기 적어도 하나의 안테나가 방향성 이득을 가지는 안테나에 해당하는지 여부에 따라 사전 보정을 수행하는 단계; 상기 무선 신호 또는 사전 보정이 완료된 신호에 대하여 주파수 천이를 수행하여 아날로그 신호를 생성하는 단계; 상기 아날로그 신호를 디지털 샘플로 변환하는 단계; 및 상기 디지털 샘플로부터 해당 안테나의 위상을 추출하고, 추출한 위상을 토대로 상기 무선 신호의 방향을 추정하는 단계를 포함한다.
이 때, 상기 사전 보정을 수행하는 단계는 상기 적어도 하나의 안테나가 방향성 이득을 가지지 않는 다중 안테나인 경우, 각 안테나의 수신 신호의 주파수를 천이하거나 위상을 변환하고, 변환한 각 안테나의 수신 신호를 하나의 신호로 병합하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 사전 보정을 수행하는 단계는 상기 적어도 하나의 안테나가 방향성 이득을 가지는 슬릿 안테나인 경우, 상기 무선 신호에 대하여 어떠한 처리도 하지 않는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 슬릿 안테나는 외부 차폐를 위한 구조물을 포함하며, 상기 구조물 내면은 전파 흡수를 처리하고, 상기 구조물에 안테나와 정렬되어 있는 슬릿이 적어도 한 개 이상 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 디지털 샘플로 변환하는 단계는 상기 디지털 샘플로부터 주파수 천이된 각 안테나의 신호를 추출하고, 이를 통해 안테나 사이의 지연 시간을 추정하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 디지털 샘플로 변환하는 단계는 상기 아날로그 신호의 대역폭에 대응하게 설정된 샘플링 속도를 이용하여 상기 디지털 샘플로 변환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 신호의 방향을 추정하는 장치는
적어도 하나의 안테나로부터 무선 신호를 수신하는 안테나부; 상기 적어도 하나의 안테나가 방향성 이득을 가지는 안테나에 해당하는지 여부에 따라 사전 보정을 수행하는 사전 보정부; 상기 무선 신호 또는 사전 보정이 완료된 신호에 대하여 주파수 천이를 수행하여 아날로그 신호를 생성하는 신호 처리부; 상기 아날로그 신호를 디지털 샘플로 변환하는 변환부; 및 상기 디지털 샘플로부터 해당 안테나의 위상을 추출하고, 추출한 위상을 토대로 상기 무선 신호의 방향을 추정하는 신호 방향 추정부를 포함한다.
이 때, 상기 사전 보정부는 상기 안테나부가 방향성 이득을 가지지 않는 다중 안테나로부터 무선 신호를 수신한 경우, 각 안테나의 수신 신호의 주파수를 천이하거나 위상을 변환하고, 변환한 각 안테나의 수신 신호를 하나의 신호로 병합하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 사전 보정부는 상기 안테나부가 방향성 이득을 가지는 슬릿 안테나로부터 무선 신호를 수신한 경우, 상기 무선 신호에 대하여 어떠한 처리도 하지 않는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 슬릿 안테나는 외부 차폐를 위한 구조물을 포함하며, 상기 구조물 내면은 전파 흡수를 처리하고, 상기 구조물에 안테나와 정렬되어 있는 슬릿이 적어도 한 개 이상 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 변환부는 상기 디지털 샘플로부터 주파수 천이된 각 안테나의 신호를 추출하고, 이를 통해 안테나 사이의 지연 시간을 추정하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 변환부는 상기 아날로그 신호의 대역폭에 대응하게 설정된 샘플링 속도를 이용하여 상기 디지털 샘플로 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 무선 신호의 방향을 추정하는 장치 및 그 방법은 슬릿 기반의 단일 안테나를 사용하는 경우에 기존 지향성 안테나에 비해서 그 크기를 매우 작게 유지할 수 있다.
또한, 무선 신호의 방향을 추정하는 장치 및 그 방법은 다중 안테나를 사용하는 경우에 단일 수신기를 토대로 안테나 개수에 따라서 증가하는 RF 수신기 복잡도를 극복할 수 있으며, 스위칭에 따른 신호의 왜곡도 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 신호의 방향을 추정하는 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슬릿 안테나를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이를 기반으로 무선 신호의 방향을 추정하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이를 기반으로 무선 신호의 방향을 추정하는 과정에 적용되는 싱글 톤 신호의 주파수를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 위상 천이를 기반으로 무선 신호의 방향을 추정하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 위상 천이를 기반으로 무선 신호의 방향을 추정하는 과정에 적용되는 싱글 톤 신호의 주파수를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 4개의 다중 안테나를 사용하는 경우에 위상 천이 기반 합성신호를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 4개의 다중 안테나를 사용하는 경우에 위상 천이 기반 합성신호를 하나의 시간 위치에서 신호 크기를 0으로 만드는 구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 무선 신호의 방향을 추정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예 따른 무선 신호의 방향을 추정하는 장치 및 그 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 신호의 방향을 추정하는 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 1을 참고하면, 무선 신호의 방향을 추정하는 장치는 안테나부(110), 사전 보정부(120), 신호 처리부(130), 변환부(140) 및 신호 방향 추정부(150)를 포함한다.
안테나부(110)는 적어도 하나의 안테나를 포함하고, 적어도 하나의 안테나를 이용하여 RF 신호를 수신한다.
안테나가 하나인 경우는 안테나 자체로 방향성 이득 즉, 지향성을 가지고 있어야 한다.
지향성을 가지는 안테나 즉, 지향성 안테나는 일반적인 접시형 안테나나 야기 안테나 또는 곡면형 안테나 등, 신호 수신 이득이 안테나의 방향에 따라서 달라질 수 있어야 한다. 또한, 안테나의 방향을 알아내기 위해서는 안테나에 자이로나 나침반을 부착하여 각도를 잴 수 있어야 한다.
다중 안테나를 이용하는 경우에는 각 안테나는 지향성을 가지지 않는다. 모든 방향에서 신호를 수신할 수 있는 무지향성 안테나가 바람직하며, 안테나 개수에 따라서 신호의 방향 추정 결과가 정확해진다.
사전 보정부(120)는 안테나부(110)가 하나의 안테나로 구성된 경우 단순 바이패스 회로(bypass circuit) 역할을 수행한다. 반면에, 사전 보정부(120)는 안테나부(110)가 복수개의 안테나로 구성된 경우 각 안테나의 수신 신호의 주파수를 천이하거나 위상을 변환하고, 하나의 신호로 병합한다.
신호 처리부(130)는 일반적인 RF 신호 수신기에 해당하는 것으로, 헤테로다인(heterodyne) 형식이거나, 직접 변환(direct conversion) 형식과 같은 구조일 수 있다.
신호 처리부(130)는 입력된 RF 신호를 설정된 주파수 값에 목표 신호가 존재할 수 있도록 주파수 천이와 필터링(filtering)을 수행한다. 또한, 신호 처리부(130)는 입력된 RF 신호의 크기가 변환부(140)의 입력 범위 안에 속하도록, RF 신호의 이득을 조절한다.
변환부(140)는 신호 처리부(130)로부터 전달받은 신호 즉, 아날로그 신호를 디지털 샘플로 변환한다. 여기서, 디지털 샘플로 변환하는 과정에서 입력되는 아날로그 신호의 대역폭에 맞춰서 샘플링 속도가 정해져야 한다.
신호 방향 추정부(150)는 디지털 샘플로부터 해당 안테나의 위상을 추출하고, 추출한 위상을 토대로 신호의 방향을 추정한다.
다음, 안테나부(110)가 하나의 지향성 안테나로 구성된 경우에 적용되는 슬릿 안테나(Slit antenna)를 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슬릿 안테나를 나타내는 도면이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 무선 신호의 방향을 추정하는 장치는 안테나부(110)에서 슬릿 안테나를 이용하는 경우, 사전 보정부(120)는 사용되지 않는다. 또한, 변환부(140)는 지향성 안테나의 각도 정보와 해당 각도에서 수신되는 신호의 세기를 기반으로 수신 신호의 방향을 추정한다. 이러한 구조에서 사용하는 슬릿 안테나는 도 2와 같이 고안된다.
도 2를 참고하면, 슬릿 안테나 내부에서 사용되는 안테나는 무지향성 안테나(omni-directional antenna)(204)를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 슬릿 안테나 내부에서 지향성 안테나를 사용하는 경우에는 외부 실드(EM shield)(203)의 슬릿(201)과 방향이 일치해야 하므로 구현상에 어려움이 발생할 수 있다.
외부 실드(EM shield)(203)는 금속성 물질로 전자파가 투과되지 않아야 한다. 따라서, 내부 안테나를 모든 면에서 감싸는 형태로 제작된다. 그리고, 실드(shield)의 내벽은 전자파를 흡수할 수 있는 물질로 처리하여, 반사파가 안테나에 도달하지 못하게 해야 한다. 외부 실드(EM shield)(203)에는 특정 방향에서만 전자파카 입사되도록 슬릿(Slit)(201)을 열어둔다. 슬릿(201)을 통과하는 전자파는 산란과 회절을 겪게 되므로 정확하게 슬릿(201) 구멍과 안테나가 직선상으로 되는 파만 수신되는 것은 아니지만, 상대적인 강도가 차이 난다. 그리고 안테나 방향이 아닌 다른 각도로 입사하는 전자파는 실드(shield)의 내벽에 흡수되어서 안테나로 도달하는 신호가 매우 약해지게 된다.
이와 같은 원리로 슬릿 안테나는 특정 방향의 신호만을 수신할 수 있는 구조를 갖는다. 실드(shield) 기반으로 구현된 슬릿 안테나는 무지향성 안테나(omni-directional antenna)(204)의 크기에 의해서 전체 크기가 좌우된다. 슬릿(201)의 방향이 돌아가는 것을 감지할 수 있는 자이로나 나침반 또는 전위차계(potentiometer)를 부착하여, 그 값을 기반으로 신호 세기가 큰 방향의 각도를 얻어 낼 수 있다
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 무선 신호의 방향을 추정하는 장치에서는 무지향성 안테나(omni-directional antenna)(204)를 감싸는 외부 실드(EM shield)(203)를 추가하고, 외부 실드(203) 내면은 전파흡수를 할 수 있도록 전파 흡수체(202)로 처리한다. 그리고, 외부 실드(203)에 전파가 통과할 수 있는 슬릿(201)을 안테나와 방향이 일치하도록 배치한다. 그리고, 외부 실드(203)의 방향은 실드에 부착되어 있는 자이로나 나침반을 사용해서 구하도록 한다. 또는 안테나가 특정 부위에 고정되어 사용되는 경우에는 외부 실드(203)와 장비의 상대적인 방향을 알 수 있도록 전자장치 예를 들어, 전위차계(potentiometer)를 부착하여 장비에서 읽을 수 있도록 한다. 이러한 안테나 운용은 안테나 실드를 회전시키거나 안테나 자체를 회전 시키는 형태로 각 방향으로 신호를 수신할 수 있다.
다음, 안테나부(110)가 다중 안테나로 구성된 경우에 적용되는 무선 신호의 방향을 추정하는 과정을 도 3 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나를 사용하는 경우 주파수 천이를 기반으로 무선 신호의 방향을 추정하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하면, 다중 안테나(Antenna 1~ Antenna1 N)(310)는 각각 RF 신호를 수신한다.
본 발명의 실시예에 따른 사전 보정부(120)는 도 3의 LNA(low noise amplifier)(320), 혼합부(mixer)(330) 및 신호 병합부(340)를 포함하는 형태 일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
LNA(320)는 다중 안테나(Antenna 1~ Antenna1 N)(310)를 통해 수신한 RF 신호를 각각 증폭한다.
혼합부(330)는 LNA(320)에서 증폭된 신호 각각에 로컬 신호(local signal)에 해당하는 s1(t), s2(t),~sN(t)를 각각 곱한다. 이때, 곱해지는 로컬 신호는 주파수 천이를 위한 싱글 톤 신호(single tone signal)이다. 로컬 신호를 생성할 때, 동일한 레퍼런스 PLL로부터 생성된 신호와 같이 상호 주파수 및 위상 동기가 유지되는 것이 좋다.
각 싱글 톤 신호(single tone signal)의 주파수는 임의로 설정될 수 있으나, 도 4와 같이 스펙트럼이 서로 겹치지 않도록 충분히 주파수(Frequency) 간격을 주는 것이 바람직하다. 따라서, 각 싱글 톤 신호(single tone signal)는 적어도 신호의 대역폭만큼 서로 떨어진 주파수를 갖는 것이 바람직하다.
신호 병합부(340)에서는 각 안테나의 신호를 추출하기 위해서, 각 안테나 신호에 곱해줬던 로컬 신호(s1(t), s2(t),~ sN(t))의 켤레값(conjugate)을 곱해줘야한다. 하지만, 실제로 곱해진 로컬 신호의 정확한 위상(phase)을 알 수 없기 때문에, 디지털 도메인(digital domain)에서는 새로이 로컬 신호를 생성하되, 여전히 로컬 신호 상호간에 위상과 주파수 동기가 맞도록 생성한다.
신호 병합부(340)는 켤레값을 곱해준 것과 같이 더하기, 빼기, 곱하기 등을 통해 하나의 신호로 병합하고, 병합한 결과를 신호 처리부(130)의 입력으로 전달한다.
목표로 하는 신호 처리부(130)의 입력 즉, RF 신호를 w(t)라고 가정하면, 각 안테나(310)를 통해서 해당 LNA(320)를 거치고 난 다음 신호를 로컬 신호로 곱한 결과는 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112014026726316-pat00001
수학식 1을 참고하면, d k 는 k번째 안테나에 도달해서 LNA를 통과하는 데까지 시간차이다. f k 는 k번째 안테나 신호에 곱해지는 로컬 신호의 주파수이다. 위 신호를 복구 하려면, 디지털 도메인에서 수학식 2와 같이 수행해주면 된다.
[수학식 2]
Figure 112014026726316-pat00002
수학식 2를 참고하면, exp(jθ)는 모든 로컬 신호를 제거할 때 공통으로 사용되는 기준 위상 값이다. 복원된 신호에 해당하는 b k (t)를 각 안테나 신호 별로 비교함으로써, 신호 지연 시간을 추정할 수 있다. 변환부(140)의 샘플링 속도(rate)가 w(t)의 대역폭에 비해서 훨씬 높다고 가정하면, 신호에 보간법(interpolation)을 적용하여 지연(delay)을 추정할 수 있다. 우선, 샘플 단위로 지연 차이를 구했다고 가정하면, 부 샘플 레벨(sub-sample level)에서의 지연은 수학식 3과 같이 구할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112014026726316-pat00003
샘플 데이터의 길이가 길수록 수학식 3을 이용하여 정확한 값을 추정할 수 있다. 그리고, 추정하고자 하는 지연의 정확도에 따라서 τ i,j 의 검색 단위를 지정할 수 있다.
예를 들어, 두 안테나 사이를 연결하는 벡터와 수직인 방향을 0도로 설정하면, 신호의 수신 방향은 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure 112014026726316-pat00004
수학식 4를 참고하면,
Figure 112014026726316-pat00005
는 전파가 안테나 사이의 거리를 진행하는데 걸리는 최대 시간이다. 안테나가 2개 이상일 경우, 안테나를 배치하는 방법에 따라서 계산된
Figure 112014026726316-pat00006
를 조합하여 신호의 방향을 좀 더 정밀하게 추정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나를 사용하는 경우 위상 천이를 기반으로 무선 신호의 방향을 추정하는 과정을 나타내는 도면이다.
다중 안테나를 사용하면서 도 3에서 기술한 것과 같이 주파수 천이를 기반으로 무선 신호의 방향을 추정하는 경우에는 목표 신호 대역폭의 N배에 해당하는 주파수 스펙트럼이 필요하다. 실제 목표로 하는 신호의 주파수 위치에 따라서 주변 주파수 공간이 여의치 않을 수 있다. 이 경우에는 앞서 도 3과 같은 과정을 적용하게 되면, 신호의 간섭으로 인해서 성능이 감소될 수 있다. 따라서, 도 5에서는 주파수를 천이하지 않고, 위상을 변화시키는 방법을 제시한다.
도 5에서 제시하는 과정은 사용 대역폭의 변화를 최소화시키는 형태를 갖는다.
도 3에서 제시하는 주파수 천이를 기반으로 무선 신호의 방향을 추정하는 방법과의 차이점은 주파수 천이를 위해서 싱글 톤 신호(single tone signal)와 같은 로컬 신호를 곱하는 것이 아니라, 단순히 각 안테나 신호의 위상만을 변화시키는 것이다.
도 5를 참고하면, 위상 변이부(530)는 LNA(520)에서 증폭된 신호 각각의 위상을 변화시킨다. 위상 변이부(530)는 "Phase_k(t)"와 같은 함수로 나타낼 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
Phase_k(t)는 안테나 별로 서로 상이한 위상일 수도 있고 같은 위상일 수도 있다. 그러나 각 위상이 적용되는 시간은 모두 동기되어야 하며, phase_k(t)는 시간에 위상이 변하되, 안테나 개수와 같거나 많은 위상의 변이를 가질 수 있어야 한다. 위상만 변한 신호이므로 이 신호들을 모두 합한 결과는 도 6과 같이 동일한 주파수 위치에 각 안테나의 신호가 섞여있는 형태가 된다. 따라서, 처리해야 하는 주파수 대역폭이 본래 목표 신호인 w(t)보다 넓어지지 않는 장점이 생긴다.
따라서, 시간에 따라 수신되는 신호는 도 7과 같이 나타낼 수 있다. 일정한 시간 간격으로 각 안테나의 위상은 자동으로 다른 위상으로 변화하고 그 변화하는 시점은 모든 안테나에 똑같이 적용된다. 또한, 적어도 안테나의 개수에 맞는 수만큼 독립적인 시퀀스(sequence)가 구성될 수 있어야 한다.
반복되는 신호 구조에서 무선 신호의 방향을 추정하는 방법은 도 7과 같이 구현될 수 있으며, 이를 도 7을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 4개의 다중 안테나를 사용하는 경우에 위상 천이 기반 합성신호를 나타내는 도면이다.
도 7을 참고하면, w(t)는 싱글 톤 신호(single tone signal)라고 가정한다. (여기서, 실제 싱글 톤 신호(single tone signal)가 아니더라도 협대역으로 필터링하고, 짧은 시간 길이만을 관찰하면 싱글 톤 신호(single tone signal) 처럼 보이는 구간을 얻을 수 있다.) 그러면, 디지털 샘플(digital sample)로 기저대역에서 관찰하면 수학식 5와 같이 신호 a(n)을 획득할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112014026726316-pat00007
수학식 5를 참고하면, θ k 는 안테나까지 싱글 톤 신호 즉, w(t)가 도달하면서 발생한 위상(phase)값이며, 이는 시간에 따라 변하지 않는다. Pk(n)은 n번째 위치(time)에서 k번째 안테나 신호에 적용된 위상(phase) 변화값이다. 여러 개의 a(n)을 조합하면 수학식 6과 같은 위상을 획득할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112014026726316-pat00008
수학식 6을 참고하면, P(n)은 full rank이어야 한다. 여기서, full rank 조건에 대응하도록 phase_k(t)는 안테나 개수에 따라서 적절한 위상(phase) 값을 갖는 것이 좋다. 이러한 실시 예로써, P(n)은 고속 푸리에 변환 메트릭스(fast fourier transform matrix)가 되도록 phase_k(t)값을 정할 수 있다. 또 다른 실시예로 P(n)이 왈쉬 메트릭스(walsh matrix)가 되도록 정의할 수 있다. 이 경우는 안테나 개수가 2^n 개로 지정될 때이다. 이 외에도 full rank를 만들어 낼 수 있는 어떠한 위상 조합도 가능하다. 왈쉬 메트릭스(walsh matrix)는 수학식 7과 같이 사용된다.
[수학식 7]
Figure 112014026726316-pat00009
Full rank가 얻어지면 앞서 계산된 식에서 손쉽게
Figure 112014026726316-pat00010
를 얻어낼 수 있으며, 이로부터 w(t)의 주파수의 실제 값을 이용하여 위상을 시간차이로 역 환산할 수 있다. 안테나 사이의 시간차이가 주어지면, 신호의 상대적인 방향을 알아낼 수 있고 세 개 이상의 안테나를 사용하면, 유일한 2-D 방향을 추정할 수 있다.
위상 천이를 이용하여 방향을 추정하는 경우, 디지털단과 사용되는 위상간의 정보를 주고 받는 것이 필요하다. 즉, 현재 안테나 신호에 어떤 위상이 적용되고 있는지 파악할 수 있어야 하며, 이를 동기시킬 방법 중에 하나는 디지털단에서 직접 현재 적용된 위상에 대한 정보를 Phase_k(t)들로부터 받는 것이다. 이렇게 하지 않고 위상 정보를 얻기 위해서, phase_k(t)에 크기 0을 선택할 수 있도록 하는 것이다. 이 경우, 신호가 없는 구간에서 신호가 있는 구간으로 변화하는 시점이 phase_k(t)들이 위상을 적용하는 구간이 되는 시작 점이 된다. 이와 같이 하는 경우 디지털단에서 직접 phase_k(t)의 적용 위상에 대한 정보를 읽지 않아도 된다.
도 8은 하나의 시간 위치에서 신호 크기를 0으로 만드는 구조의 예를 보여주고 있다.
도 8을 참고하면, 신호의 존재 유무가 동기화 되어 있으므로, 방향 추정 알고리즘의 시작 위치를 손쉽게 파악할 수 있다.
또한, 위상천이의 경우는 목표 신호 w(t)가 변형되어서 수신되므로, 실제 w(t)를 이용한 신호처리를 하기에 곤란할 수 있다. 이를 극복하기 위해서 앞서 추정된 지연 정보를 보상해주는 방법을 사용할 수 있다. 이와 달리, 주파수 천이 방식처럼 두 개의 주파수 위치를 사용하여 처리할 수 있다. 즉, 기준이 되는 신호 하나는 그대로 주파수와 위상을 변경하지 않고 그대로 두고, 안테나의 조합 신호를 만드는 경우에만 주파수를 특정한 다른 위치로 천이시키고 동시에 위상을 변화시키면서 처리할 수 있다. 여기에서 주파수를 천이하는 것은 기준신호에 적용하고 안테나 조합신호에는 위상천이만 적용하는 방식도 가능하다. 이 때, 기준이 되는 신호를 얻는 방법은 외부에 따로 안테나를 둘 수 있으나, 특정 안테나에서 단순히 신호를 분리(split)해서 한쪽은 레퍼런스(reference)로 사용하고 다른 쪽은 안테나 신호 조합하는 용도로 사용할 수 있다.
다음, 무선 신호의 방향을 추정하는 방법을 도 9를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 무선 신호의 방향을 추정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9를 참고하면, 무선 신호의 방향을 추정하는 장치는 적어도 하나의 안테나를 이용하여 RF 신호를 수신한다(S910).
무선 신호의 방향을 추정하는 장치는 S910 단계에서 RF 신호를 수신한 안테나가 방향성 이득을 가지는 지향성 안테나 즉, 슬릿 안테나(Slit antenna)가 아닌지를 확인한다(S920).
무선 신호의 방향을 추정하는 장치는 지향성 안테나가 아닌 다중 안테나를 이용하여 RF 신호를 수신한 경우, 각 안테나의 수신 신호의 주파수를 천이하거나 위상을 변환하고, 이를 하나의 신호로 병합한다(S930).
무선 신호의 방향을 추정하는 장치는 S930 단계에서 병합된 신호 또는 S910 단계에서 슬릿 안테나를 통해 수신한 신호를 설정된 주파수 값에 존재할 수 있도록 주파수 천이와 필터링과 같은 신호 처리 과정을 수행한다(S940).
무선 신호의 방향을 추정하는 장치는 S940 단계에서 신호 처리 과정이 완료된 아날로그 신호를 디지털 샘플로 변환한다(S950). S950 단계와 같이, 디지털 샘플로 변환하는 과정에서 입력되는 아날로그 신호의 대역폭에 맞춰서 샘플링 속도가 정해져야 한다.
무선 신호의 방향을 추정하는 장치는 S950 단계에서 변환한 디지털 샘플로부터 해당 안테나의 위상을 추출하고, 추출한 위상을 토대로 신호의 방향을 추정한다(S960).
이와 같이, 본 발명은 각 안테나의 신호를 수신하기 위한 RF 신호 처리 단계, 기저대역이나 IF 대역으로 천이된 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계, 변환된 디지털 데이터의 신호처리 과정을 통해서 신호의 방향을 추정하는 단계를 포함한다.
전통적인 RF 신호처리 단계만을 가진 경우, 신호의 방향성을 알기 위해서는 안테나가 방향성을 가져야 하며, 이를 제공하기 위한 안테나 구조로써 슬릿 기반 안테나를 제시한다. 기존의 방향성 안테나는 특정 방향의 신호를 증강시키기 위해서 신호 모을 수 있는 구조를 가지고 있다. 반면 본 발명에서는 반대로 특정 방향의 신호가 아니면 신호를 감쇄시키는 방안을 제시한다. 이를 위해서 슬릿 안테나를 이용하여 신호 차단 및 흡수를 구현함으로써 안테나의 방향성을 구현할 수 있으며, 그 크기도 기존의 신호 증강을 위한 방법보다 매우 작게 만들 수 있다.
다중 안테나를 이용하여 방향을 추정하는 기법으로는 RF 신호처리 단계에 약간의 변형을 적용하여 신호를 수집할 수 있다. 각 안테나의 신호를 주파수 영역에서 동기화된 신호를 이용하여 주파수 천이를 수행하거나 위상 천이를 수행하고 각 안테나의 신호를 하나의 신호로 병합하여 하나의 신호 처리부(130)를 통해서 수신하는 방법이다. 이의 방법은 기존 방식에서 발생했던 고속 안테나 스위칭으로 인한 신호 왜곡이나, 다중 RF 신호처리 단계를 포함함으로써 발생하는 수신기의 복잡도를 증가를 피할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110; 안테나부
120; 사전 보정부
130; 신호 처리부
140; 변환부
150; 신호 방향 추정부

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 안테나로부터 무선 신호를 수신하는 단계;
    상기 적어도 하나의 안테나가 방향성 이득을 가지는 안테나에 해당하는지 여부에 따라 사전 보정을 수행하는 단계;
    상기 무선 신호 또는 사전 보정이 완료된 신호에 대하여 주파수 천이를 수행하여 아날로그 신호를 생성하는 단계;
    상기 아날로그 신호를 디지털 샘플로 변환하는 단계; 및
    상기 디지털 샘플로부터 해당 안테나의 위상을 추출하고, 추출한 위상을 토대로 상기 무선 신호의 방향을 추정하는 단계
    를 포함하는 무선 신호의 방향을 추정하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 사전 보정을 수행하는 단계는
    상기 적어도 하나의 안테나가 방향성 이득을 가지지 않는 다중 안테나인 경우, 각 안테나의 수신 신호의 주파수를 천이하거나 위상을 변환하고, 변환한 각 안테나의 수신 신호를 하나의 신호로 병합하는 것을 특징으로 하는 무선 신호의 방향을 추정하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 사전 보정을 수행하는 단계는
    상기 적어도 하나의 안테나가 방향성 이득을 가지는 슬릿 안테나인 경우, 상기 무선 신호에 대하여 어떠한 처리도 하지 않는 것을 특징으로 하는 무선 신호의 방향을 추정하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 슬릿 안테나는
    외부 차폐를 위한 구조물을 포함하며, 상기 구조물 내면은 전파 흡수를 처리하고, 상기 구조물에 안테나와 정렬되어 있는 슬릿이 적어도 한 개 이상 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 신호의 방향을 추정하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 디지털 샘플로 변환하는 단계는
    상기 디지털 샘플로부터 주파수 천이된 각 안테나의 신호를 추출하고, 이를 통해 안테나 사이의 지연 시간을 추정하는 것을 특징으로 하는 무선 신호의 방향을 추정하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 디지털 샘플로 변환하는 단계는
    상기 아날로그 신호의 대역폭에 대응하게 설정된 샘플링 속도를 이용하여 상기 디지털 샘플로 변환하는 것을 특징으로 하는 무선 신호의 방향을 추정하는 방법.
  7. 적어도 하나의 안테나로부터 무선 신호를 수신하는 안테나부;
    상기 적어도 하나의 안테나가 방향성 이득을 가지는 안테나에 해당하는지 여부에 따라 사전 보정을 수행하는 사전 보정부;
    상기 무선 신호 또는 사전 보정이 완료된 신호에 대하여 주파수 천이를 수행하여 아날로그 신호를 생성하는 신호 처리부;
    상기 아날로그 신호를 디지털 샘플로 변환하는 변환부; 및
    상기 디지털 샘플로부터 해당 안테나의 위상을 추출하고, 추출한 위상을 토대로 상기 무선 신호의 방향을 추정하는 신호 방향 추정부
    를 포함하는 무선 신호의 방향을 추정하는 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 사전 보정부는
    상기 안테나부가 방향성 이득을 가지지 않는 다중 안테나로부터 무선 신호를 수신한 경우, 각 안테나의 수신 신호의 주파수를 천이하거나 위상을 변환하고, 변환한 각 안테나의 수신 신호를 하나의 신호로 병합하는 것을 특징으로 하는 무선 신호의 방향을 추정하는 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 사전 보정부는
    상기 안테나부가 방향성 이득을 가지는 슬릿 안테나로부터 무선 신호를 수신한 경우, 상기 무선 신호에 대하여 어떠한 처리도 하지 않는 것을 특징으로 하는 무선 신호의 방향을 추정하는 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 슬릿 안테나는
    외부 차폐를 위한 구조물을 포함하며, 상기 구조물 내면은 전파 흡수를 처리하고, 상기 구조물에 안테나와 정렬되어 있는 슬릿이 적어도 한 개 이상 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 신호의 방향을 추정하는 장치.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 변환부는
    상기 디지털 샘플로부터 주파수 천이된 각 안테나의 신호를 추출하고, 이를 통해 안테나 사이의 지연 시간을 추정하는 것을 특징으로 하는 무선 신호의 방향을 추정하는 장치.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 변환부는
    상기 아날로그 신호의 대역폭에 대응하게 설정된 샘플링 속도를 이용하여 상기 디지털 샘플로 변환하는 것을 특징으로 하는 무선 신호의 방향을 추정하는 장치.
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