KR101525467B1 - Uwb 센서 시스템에서의 수신 안테나 선택방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 수신 안테나를 갖는 다중 레인지 게이트 기반의 UWB 센서 시스템에서의 수신 안테나 선택기법에 관한 것으로, 상기 복수의 안테나가 UWB 신호를 수신하는 단계; 각각의 레인지 게이트에서 수신된 신호를 추출하는 단계; 및 상기 추출된 신호를 이용하여 각각의 레인지 게이트에서 검출확률이 최대가 되는 하나의 수신 안테나를 선택하는 단계를 포함하며, 이를 통해 획기적으로 UWB 센서 시스템의 오보율을 줄이고 성능을 개선할 수 있다.

Description

UWB 센서 시스템에서의 수신 안테나 선택방법{METHOD FOR SELECTING RECEIVE ANTENNA IN UWB SENSORS SYSTEM}
본 발명은 UWB 센서 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 수신 안테나를 갖는 다중 레인지 게이트 기반의 UWB 센서 시스템에서의 수신 안테나 선택기법에 관한 것이다.
UWB(Ultra-wideband)는 무선통신시스템에서 매우 넓은 대역폭 사용으로 근거리에서 고속데이터 통신을 가능하게 한다. 또한, 센서 측면에서는 일반 협대역 마이크로 웨이브 센서에 비해 높은 투과력 및 거리분해능을 가진다는 장점이 있다. 일 예로 UWB 센서의 거리분해능은 응용범위에 따라 수 mm ~ 수 m 까지 구현 가능하다.
UWB 센서에서는 벽의 매질 특성을 파악하거나, 벽 뒤의 침입자 움직임을 검출하거나, 일반 실내에서 침입자의 위치 정보 획득을 위해 거리 별로 정보를 수신하는 레인지 게이트(range-gate) 기법을 사용한다. 이와 같은 레인지 게이트를 적용한 시스템에서의 오보율(false alarm)은 각 레인지 게이트의 신호처리 방식에 따라 결정된다.
종래기술에서는 각 거리별 레인지 게이트를 적용하는 방법이 소개되고 각 레인지 게이트에서의 신호처리 방법이 제안되었으나 오보율이 매우 높은 단점이 있다.
한편, 수신 안테나 선택(Receiver antenna selection) 기법은 다수 개의 수신 안테나에서 성능이 우수한 하나의 안테나를 선택하여 사용함으로써, 수신단의 신호처리 가능범위가 제한된 시스템에서 보다 우수한 성능을 확보할 수 있게 된다.
종래에 신호대 잡음비(SNR, signal to noise ratio)를 기준이로 수신 안테나를 선택하는 기법이 제안되었으나, 레인지 게이트 기반의 UWB 시스템에서는 각 레인지 게이트 별로 각 안테나의 채널 특성이 상이하여 이를 적용하는데 어려움이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 복수의 수신 안테나를 가진 다중 레인지 게이트 기반의 UWB 센서 시스템에서, 각각의 레인지 게이트에서 수신된 신호를 이용하여 레인지 게이트 별로 검출확률이 최대가 되는 하나의 수신 안테나를 선택하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 복수의 수신 안테나를 갖는 다중 레인지 게이트 기반의 UWB 센서 시스템에서의 수신안테나 선택방법은 상기 복수의 안테나가 UWB 신호를 수신하는 단계; 상기 UWB 센서의 감지영역을 일정한 거리에 따라 감지구간을 나누고 상기 수신된 UWB 신호 중에서 각각의 감지구간에서 반사되어 수신된 신호를 추출하는 단계; 및 상기 추출된 신호를 이용하여 각각의 감지구간에서 검출확률이 최대가 되는 하나의 수신 안테나를 선택하는 단계를 포함한다.
상기 신호를 추출하는 단계는 상기 감지구간에 대응하는 시간 폭 동안만 구동되는 레인지 게이트 펄스를 발생시키는 단계; 상기 수신 안테나로부터 수신된 신호와 상기 펄스를 곱하는 단계; 상기 곱하여져 출력된 신호를 샘플링하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 곱하여져 출력된 신호를 곱하여져 출력된 신호를 저역통과 필터를 통과시켜 필터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수신 안테나를 선택하는 단계는 각 수신 안테나의 각 감지구간에서 목표 오보확률을 만족하는 임계치를 계산하는 단계; 각 수신 안테나의 각 감지구간에서 검출확률을 계산하는 단계; 및 각 감지구간에서 검출확률이 최대가 되는 하나의 수신 안테나를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 각각의 레인지 게이트 별로 검출확률이 최대가 되는 하나의 수신 안테나를 선택함으로써, 획기적으로 UWB 센서 시스템의 오보율을 줄이고 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 레인지 게이트의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 UWB 센서 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 UWB 센서 시스템에서의 수신안테나 선택방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 UWB 센서 시스템에서의 수신안테나 선택방법을 적용한 모의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 레인지 게이트 기반 UWB 센서 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 레인지 게이트의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, UWB 센서(10)의 안테나 빔(beam) 패턴은 UWB 센서의 송신 신호가 도달하는 감지영역(20)을 나타낸 것으로, 여기서 레인지 게이트는 상기 감지영역을 임의의 감지구간(30)으로 나누고, 반사되어 수신되는 UWB 신호가 감지영역의 어느 구간에서 반사되었는지를 판단하여, 타겟(침입자나 물체 등)의 거리 정보를 획득할 수 있도록 한 것이다.
즉, 각 레인지 게이트들은 각각의 감지구간(30)에 대응하는 시간 폭을 갖는 레인지 게이트 펄스(40)가 동작하는 시간 동안만 반사된 신호를 수신하게 된다. 따라서, 전체 감지영역이 20m 이고 0.5m 간격으로 감지구간을 나눈 경우, 40개의 레인지 게이트 펄스가 요구된다.
한편, 각각의 레인지 게이트에서 수신되는 신호는 각기 다른 공간에서 반사되어 수신된 것으로서 서로 다른 특성을 가지므로, 신호처리는 개별적으로 수행된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 UWB 센서 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참고하면, UWB 센서 시스템은 크게 송신부(100), 수신부(200)로 나뉘며, 상기 수신부(200)는 복수의 수신 안테나(210), 제1 신호처리부(220), 수신 안테나 선택부(230) 및 제2 신호 처리부(240)를 포함한다.
상기 송신부(100)는 UWB 펄스 신호를 발생시킨 후, 아래 수학식 1과 같은 신호를 송신 안테나(110)를 통해 방사한다.
Figure 112014027780340-pat00001
여기서, p(t)는 UWB 펄스 발생 신호이고, Ts는 UWB 펄스 간 시간 차이이며, Tf는 UWB 펄스 프레임 시간을 나타낸다. 하나의 프레임은 전체 P개의 레인지 게이트로 구성되어 있다.
상기 복수의 수신 안테나(210)는 송신부(100)에서 방사되어 반사된 UWB 신호를 수신하여 상기 제1 신호처리부(220)로 출력한다. 본 실시 예에서는 Q개의 수신 안테나를 가정하며, 이 경우 각각의 수신 안테나에서 수신된 신호는 레인지 게이트 제어부의 선택에 따라 동시에 출력될 수 있으나, 여기서는 순차적으로 출력되는 것으로 한다.
제1 신호처리부(220)는 상기 수신된 UWB 신호 중에서 각각의 감지구간(30)에서 반사된 신호를 추출하여 상기 수신 안테나 선택부(230)로 출력하며, 펄스 발생부(221), 곱셈부(222), 필터부(223) 및 샘플링부(224)를 포함한다.
펄스 발생부(221)는 각각의 감지구간(30)에 대응하는 시간 폭 동안만 구동되는 레인지 게이트 펄스 신호를 발생하여 곱셈부(222)로 출력한다.
곱셈부(222)는 상기 수신 안테나를 통해 수신된 UWB 신호와 레인지 게이트로부터 전달된 펄스를 곱하여 필터부(223)로 출력한다. 이렇게 하면, 수신 안테나를 통해 수신된 UWB 신호 중에서 각각의 레인지 게이트의 시간 구간에 해당되는 UWB 신호만이 추출되어 필터부로 출력된다.
필터부(223)는 곱셈부의 출력 신호를 저역 통과 필터링하여 원하는 대역의 신호를 추출하여 샘플링부(224)로 출력한다.
상기 샘플링부(350)는 필터부의 출력신호를 샘플링하여 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환한다.
상기 수신 안테나 선택부(230)는 각 수신 안테나의 각 감지구간에서 목표 오보확률을 만족하는 임계치를 계산하는 제 1계산부(231), 각 수신 안테나의 각 감지구간에서 검출확률을 계산하는 제 2계산부(232) 및 각 감지구간에서 검출확률이 최대가 되는 하나의 수신 안테나를 선택하는 선택부(233)를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 UWB 센서 시스템에서의 수신안테나 선택방법에 대하여 첨부된 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 UWB 센서 시스템에서의 수신안테나 선택방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 UWB 센서 시스템은 Q개의 수신안테나를 가지며, 감지영역을 P개의 감지구간으로 나누어 각각의 감지구간에 대응하는 P개의 레인지 게이트 펄스가 구비된다.
먼저, 복수의 수신안테나는 송신안테나로부터 방사되어 반사된 UWB 신호를 수신한다.
제1 신호처리부는 수신안테나에 수신된 신호를 입력받고 레인지 게이트 펄스 신호를 생성하여 상기 두 신호를 곱하고 저역통과 필터를 통과시킨 후 샘플링을 수행한다.
이때, 제1 신호처리부에서 출력된 신호는 각각의 감지구간에서 반사되어 각각의 수신안테나로 수신된 신호, 즉 레인지 게이트에서 수신된 신호이며, 수신안테나 선택부로 전달된다.
수신안테나 선택부는 먼저, 각 레인지 게이트가 서로 다른 신호의 특성을 가지고 있기 때문에 개별적으로 채널 특성을 분석한 후, 아래 수학식 2와 같이 로그우도비율(Log likelihood ratio, LLR)을 각 레인지 게이트의 수신안테나 별 주어진 샘플 시간 인덱스에 대하여 계산한다.
Figure 112014027780340-pat00002
여기서,
Figure 112014027780340-pat00003
는 p번째 레인지 게이트의 q번째 수신안테나의 k번째 샘플시간 인덱스에 대한 로그우도비율이다.
Figure 112014027780340-pat00004
는 침입자가 없는 경우에 대한 가설 모델,
Figure 112014027780340-pat00005
는 침입자가 있는 경우에 대한 가설 모델이다.
Figure 112014027780340-pat00006
는 침입자가 없는 경우에 대한 p번째 레인지 게이트의 q번째 수신안테나의 k번째 샘플시간 인덱스에 대한 확률,
Figure 112014027780340-pat00007
는 침입자가 있는 경우에 대한 p번째 레인지 게이트의 q번째 수신안테나의 k번째 샘플시간 인덱스에 대한 확률을 나타낸다.
Figure 112014027780340-pat00008
는 목표 오보확률을 만족하는 p번째 레인지 게이트의 q번째 수신안테나의 임계값이다.
이때,
Figure 112014027780340-pat00009
및
Figure 112014027780340-pat00010
는 GMM(Gaussian mixture model)로 근사화 가능하고, 기본 확률분포 추정을 위해서는 직교시퀀스(Orthogonal sequence)를 훈련신호로 적절하게 사용할 수 있다.
다음으로, 아래의 수학식 3를 바탕으로 목표 오보확률(Target Pfa)을 위한 임계치를 계산할 수 있다.
Figure 112014027780340-pat00011
마지막으로, 주어진 레인지 게이트에 대한 임계치를 바탕으로 각 레인지게이트에서 각 수신안테나 별 검출확률을 계산하고, 아래의 수학식 4과 같이 검출확률이 최대가 되는 수신안테나를 선택한다.
Figure 112014027780340-pat00012
여기서,
Figure 112014027780340-pat00013
는 p 번째 레인지게이트의 q 번째 수신안테나에서의 검출확률을 말한다.
이와 같은 방법을 모든 레인지 게이트에 대해서 수행하며, 각 레인지 게이트에서 검출확률이 최대가 되는 안테나는 상이한 채널 특성으로 인해서 각기 다른 안테나가 선택될 수 있다. 예를 들어, 수신안테나가 3개이고 레인지 게이트의 수가 10개인 시스템에서, 제1 레인지 게이트에서는 제1 수신안테나, 제5 레인지 게이트 에서는 제2 수신안테나, 제10 레인지 게이트에서는 제3 수신안테나가 각각 선택될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 UWB 센서 시스템에서의 수신안테나 선택방법을 적용한 모의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 4에서는 송수신 안테나가 하나씩인 기존의 시스템과 본 발명의 실시예와 같이 수신안테나 선택기법을 적용한 시스템에 있어서, 검출확률을 비교한 것이다. 여기서 목표 오보확률 Pfa = 10-2 이고, 각 레인지 게이트에서의 임계치를 수학식 3을 통해 계산하였다.
이에 의하면, 본 발명의 수신 안테나 선택기법 적용시, 검출확률 Pd = 0.7 기준으로 기존 대비 약 10.0 dB의 성능 이득을 가질 수 있으며, 목표 검출확률 값이 증가 할수록 성능 이득이 증가함을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : UWB 센서 20 : 감지영역
30 : 감지 구간 40 : 레인지 게이트 펄스
100 : 송신부 200 : 수신부
210 : 수신 안테나 220 : 제1 신호처리부
230 : 수신 안테나 선택부 240 : 제2 신호처리부

Claims (4)

  1. 복수의 수신 안테나를 갖는 다중 레인지 게이트 기반의 UWB 센서 시스템에서 하나의 수신 안테나를 선택하는 방법으로,
    상기 복수의 안테나가 UWB 신호를 수신하는 단계;
    상기 UWB 센서의 감지영역을 일정한 거리에 따라 감지구간을 나누고 상기 수신된 UWB 신호 중에서 각각의 감지구간에서 반사되어 수신된 신호를 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 신호를 이용하여 각각의 감지구간에서 검출확률이 최대가 되는 하나의 수신 안테나를 선택하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 신호를 추출하는 단계는
    상기 감지구간에 대응하는 시간 폭 동안만 구동되는 레인지 게이트 펄스 신호를 발생시키는 단계;
    상기 수신 안테나로부터 수신된 신호와 상기 펄스 신호를 곱하는 단계; 및
    상기 곱하는 단계에서 출력된 신호를 샘플링하는 단계;
    를 포함하는 UWB 센서 시스템에서의 수신 안테나 선택방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 신호를 추출하는 단계는
    상기 곱하는 단계에서 출력된 신호를 저역통과 필터에 통과시켜 필터링하는 단계를 더 포함하는 UWB 센서 시스템에서의 수신 안테나 선택방법.
  3. 송신부를 통하여 방사되는 UWB 신호를 수신하여 타겟을 검출하는 UWB 센서 시스템에서,
    상기 송신부에서 방사되어 반사된 UWB 신호를 수신하는 복수의 수신 안테나;
    상기 UWB 센서의 감지영역을 일정한 거리에 따라 감지구간을 나누고 상기 수신된 UWB 신호 중에서 각각의 감지구간에서 반사된 신호를 추출하는 제1 신호처리부; 및
    상기 제1 신호처리부에서 출력된 신호를 이용하여 각각의 수신 안테나에서 검출확률을 계산하고 최대값을 갖는 하나의 수신 안테나를 선택하는 수신 안테나 선택부;
    를 포함하고,
    상기 제1 신호처리부는
    상기 감지구간에 대응하는 시간 폭 동안만 구동되는 레인지 게이트 펄스 신호를 발생하는 펄스 발생부;
    상기 수신 안테나로부터 수신된 신호와 상기 펄스 신호를 곱하는 곱셈부; 및
    상기 곱셈부로부터 출력된 신호를 샘플링하는 샘플링부;
    를 포함하는 UWB 센서 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 신호처리부는
    상기 곱셈부로부터 출력된 신호를 저역 통과시키는 필터부를 더 포함하는 UWB 센서 시스템.
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