KR102226200B1 - 도래각을 추정하기 위한 장치, 방법, 컴퓨터 판독 가능 기록매체, 및 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 도래각 추정 장치에 있어서, 복수의 안테나 소자와; 상기 복수의 안테나 소자 중 지정된 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 복수의 도래각 그룹을 결정하며, 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하도록 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

도래각을 추정하기 위한 장치, 방법, 컴퓨터 판독 가능 기록매체, 및 컴퓨터 프로그램{APPARATUS, METHOD, COMPUTER-READABLE STORAGE MEDIUM, AND COMPUTER PROGRAM FOR ESTIMATING ANGLE-OF-ARRIVAL}
본 발명의 다양한 실시 예는 도래각을 추정하기 위한 장치, 방법, 컴퓨터 판독 가능 기록매체, 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 플렉서블(flexible) 안테나 기반의 캐스케이드(cascade) 도래각(angle-of-arrival; AOA)을 추정하기 위한 장치, 방법, 컴퓨터 판독 가능 기록 매체, 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
종래에는 다양한 도래각 추정 알고리즘들이 연구/개발되어 왔으며, 종래의 대표적인 도래각 추정 알고리즘들은, 공간 스팩트럼을 기반으로 하는 바틀렛(barlett)과 카폰(CAPON) 알고리즘, 부 공간 기반의 MUSIC(multiple signal classification)와 ESPRIT(estimation of signal parameter via rotational invariance techniques) 알고리즘이 있다.
일반적으로 도래각 추정 알고리즘은, 안테나 소자들 간 배치 간격이 동일한 등간격 선형 안테나와 등간격 평면(사각, 원형) 안테나, 또는 안테나 소자들 간 배치 간격이 동일하지 않은 비균일 어레이 안테나 등에 적용되어, 다양한 분야, 예를 들어, 레이더, 위성, 내비게이션 기술 등에서 이용되고 있다.
한국등록특허 제10-1274554호(등록일: 2013. 06. 07.)
최근에는, 무선 통신 기술이 발달되고 더 많은 기술 분야에서 도래각 정보가 이용됨에 따라 더욱 정밀하고 정확한 도래각 추정 기술이 요구되고 있다. 또한, 최근에는 매우 큰 크기의 안테나 어레이를 이용하는 매시브(massive) 안테나 기술의 발달에 따라, 고정밀의 도래각 추정이 가능하게 되었으나, 종래에는 알고리즘 자체가 큰 복잡도를 갖는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 매시브형의 안테나에 적합한 고성능의 도래각을 추정하기 위한 방법, 컴퓨터 판독 가능 기록 매체, 및 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있다. 예를 들어, 매시브형의, 일부의 안테나 어레이 요소들을 선별적으로 이용할 수 있는 플렉서블(flexible(on/off)) 안테나에 적용할 수 있는 고성능의 도래각 추정을 위한 방법, 컴퓨터 판독 가능 기록 매체, 및 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
다양한 실시 예에 따르면, 도래각을 추정하기 위한 장치에 있어서, 복수의 안테나 소자와; 상기 복수의 안테나 소자 중 지정된 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 복수의 도래각 그룹을 결정하며, 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하도록 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 상기 제1 신호에 대해, 상기 카폰 알고리즘을 적용하여 생성된 제1 스펙트럼에서, 복수의 제1 피크를 확인하며, 상기 확인된 복수의 제1 피크를 기초로 상기 복수의 도래각 그룹을 결정하도록 제어할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 제2 스펙트럼을 생성하도록 제어할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 제2 스펙트럼에서, 하나 이상의 제2 피크를 확인하며, 상기 확인된 하나 이상의 제2 피크를 기초로, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 상기 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하도록 제어할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 도래각을 추정하기 위한 장치가 수행하는 방법에 있어서, 복수의 안테나 소자 중 지정된 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 복수의 도래각 그룹을 결정하는 동작, 및 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는, 도래각을 추정하기 위한 컴퓨터 판독 가능 기록매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 복수의 안테나 소자 중 지정된 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 복수의 도래각 그룹을 결정하는 동작, 및 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장되어 있는 도래각을 추정하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 복수의 안테나 소자 중 지정된 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 복수의 도래각 그룹을 결정하는 동작, 및 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 도래각을 추정하기 위한 방법, 컴퓨터 판독 가능 기록 매체, 및 컴퓨터 프로그램은, 종래의 정밀한 도래각 추정을 위해서 큰 크기의 안테나 어레이가 필요하고 이에 따라 많은 수의 안테나 요소들이 요구됨으로써, 도래각 추정을 위한 계산 복잡도가 기하 급수적으로 증가하게 되는 문제점을 해결할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 플렉서블 매시브 안테나 기반의 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘이 제공될 수 있다. 상기 알고리즘은, 적은 수의 안테나 요소들을 기초로 카폰 알고리즘을 이용하여 도래각 그룹을 찾고, 모든 안테나 요소들을 기초로 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘을 이용하여 추정된 도래각 그룹 각각의 상세한 신호 도래각을 추정할 수 있다. 상기의 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘은 추정된 도래각 그룹의 방위각 및 고도각 범위 내에서만 동작하므로, 모든 각도를 고려하는 종래의 일반적인 도래각 추정 알고리즘에 비해 월등히 효율적일 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 도래각 추정 알고리즘은, 위성, 레이더 등의 매시브 안테나를 기초로 하는 장치(시스템)에서 인접 다중 신호의 도래각을 정밀하게 추정하는데 효과적으로 활용될 수 있다.
도 1은 다양한 실시 예에 따른 도래각을 추정하기 위한 장치의 블록도이다.
도 2는 다양한 실시 예에 따른 도래각 추정을 위한 장치의 도래각 추정 동작의 흐름도이다.
도 3은 다양한 실시 예에 따른 장치의 동작의 흐름도이다.
도 4는 다양한 실시 예에 따른 장치의 동작의 흐름도이다.
도 5 내지 도 7은 다양한 실시 예에 따른 도래각 추정 동작의 성능 확인을 위한 컴퓨터 시물레이션 결과를 나타낸다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 다양한 실시 예에 따른 도래각을 추정하기 위한 장치(전자 장치라고도 함)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 상기 장치(101)는, 수신기(110), 프로세서(120), 및 빔 형성기(130)를 포함할 수 있다.
수신기(110)는, 외부의 전자 장치(미도시)로부터 다중 신호를 수신할 수 있다.
수신기(110)는, 복수의 안테나 소자(111)(M x N)(안테나 어레이 요소들이라고도 함)를 포함할 수 있다. 상기 안테나 소자들 중 일부는 선별적으로 이용될 수 있다.
프로세서(110)는, 예를 들면, 전자 장치(101)의 적어도 하나의 다른 구성 요소들(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성 요소)의 제어 및/또는 통신에 관한 연산이나 데이터 처리를 실행할 수 있다. 프로세서(110)(제어부, 제어 장치라고도 함)는, 중앙처리장치, 어플리케이션 프로세서, 또는 커뮤니케이션 프로세서(communication processor(CP)) 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
프로세서(120)는, 도래각 추정부(123)를 포함할 수 있다.
도래각 추정부(123)는 수신기(110)로부터 수신된 다양한 신호들의 도래각을 효율적으로 추정하기 위해, 카폰 알고리즘과 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘을 포함하는 캐스케이드 형 도래각 추정 알고리즘을 제공할 수 있다. 예를 들면, 도래각 추정부(123)는, 복수의 안테나 소자 중 일부 지정된 안테나 소자들(지정된 개수의 안테나 소자)을 통해 수신된 신호에 대해, 카폰 알고리즘을 적용하여, 복수의 도래각 그룹을 결정할 수 있다. 예컨대, 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹을 결정할 수 있다. 상기 도래각 추정부(123)는, 상기 결정된 복수의 도래각 그룹 각각에 포함된 하나 이상의 신호에 대한 도래각을 결정할 수 있다. 예컨대, 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각에 대응하는 서로 다른 N개 이상의 도래각을 결정할 수 있다.
상기 도래각 추정부(123)의 구체적인 도래각 추정 동작은, 후술하는 도면들을 통해 상세히 설명하였으므로, 생략한다.
빔 형성기(130)는, 도래각 추정부(123)로부터 결정된(추정된) 도래각을 기초로 빔을 형성할 수 있다.
어떤 실시 예에서는, 장치(101)의 상기의 구성 요소들 중 적어도 하나가 생략되거나 다른 구성 요소가 추가될 수 있다. 예를 들어, 도시되지는 않았으나, 장치(101)는 메모리를 더 포함할 수 있다. 상기 메모리는, 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 상기 메모리는, 예를 들면, 장치(101)의 적어도 하나의 다른 구성 요소에 관계된 명령 또는 데이터를 저장할 수 있다. 한 실시 예에 따르면, 상기 메모리는 소프트웨어 및/또는 프로그램을 저장할 수 있다.
한편, 상술한 도 1의 실시 예에서는 도래각 추정부(123)가 프로세서(120)에 포함된 것으로 설명하였으나, 다른 실시 예에 따르면, 도래각 추정부(123)는 상기 프로세서(120)와는 별도의 구성으로 구현될 수 있으며, 도래각 추정부(123)는 상기 프로세서(120)의 제어에 따라 동작될 수도 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 도래각을 추정하기 위한 장치(예: 장치101))에 있어서, 복수의 안테나 소자(예: 복수의 안테나 소자(111))와; 상기 복수의 안테나 소자 중 지정된 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 복수의 도래각 그룹을 결정하며, 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하도록 제어하는 프로세서(예: 프로세서(120))를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 상기 제1 신호에 대해, 상기 카폰 알고리즘을 적용하여 생성된 제1 스펙트럼에서, 복수의 제1 피크를 확인하며, 상기 확인된 복수의 제1 피크를 기초로 상기 복수의 도래각 그룹을 결정하도록 제어할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 제2 스펙트럼을 생성하도록 제어할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 제2 스펙트럼에서, 하나 이상의 제2 피크를 확인하며, 상기 확인된 하나 이상의 제2 피크를 기초로, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 상기 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하도록 제어할 수 있다.
도 2는 다양한 실시 예에 따른 도래각 추정을 위한 장치(예: 장치(101), 장치(101)의 프로세서(120))의 도래각 추정 동작의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 상기 장치는, 적은 수의 안테나 소자를 이용하여 수신된 신호(제1 신호)에 카폰(capon)알고리즘 적용하고, 상기 카폰 알고리즘의 적용에 따라 결정된(획득된) 도래각 그룹들에 포함된 각 신호에 대응하는 도래각을 결정(추정)할 수 있다.
210 동작에서 상기 장치는, 복수의 안테나 소자(예: 수신기(110)에 포함된 복수의 안테나 소자(111))) 중 지정된 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 복수의 도래각 그룹을 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 장치는, 상기 제1 신호에 대해, 상기 카폰 알고리즘을 적용하여 생성된 제1 스펙트럼에서, 복수의 제1 피크를 확인하며, 상기 확인된 복수의 제1 피크를 기초로 상기 복수의 도래각 그룹을 결정할 수 있다.
230 동작에서 상기 장치는, 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정(확인, 추정)할 수 있다.
예를 들어, 상기 장치는, 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 제2 스펙트럼을 생성할 수 있다.
예를 들어, 상기 장치는, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 제2 스펙트럼에서, 하나 이상의 제2 피크를 확인하며, 상기 확인된 하나 이상의 제2 피크를 기초로, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 상기 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정할 수 있다.
도 3은 다양한 실시 예에 따른 장치(예: 장치(101), 장치(101)의 프로세서(120))의 동작의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 상기 장치는, 복수의 안테나 소자를 포함하는 큰 크기의 플렉서블 기능을 갖는 메시브 형 안테나(안테나 장치라고도 함)를 포함할 수 있다. 상기 장치는, 상기 안테나를 기초로 하여, 다양한 신호들의 도래각을 효율적으로 추정하기 위해, 카폰 알고리즘과 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘을 포함하는 캐스케이드 형 도래각 추정 알고리즘을 제공할 수 있다.
310 동작에서 상기 장치는, 수신기(예: 수신기(110))에 포함된 지정된 개수(p 개)의 안테나 소자들(예: 안테나 소자(111))(지정된 안테나 소자들)을 통해 수신된, 제1 신호를 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 수신기는 복수의 안테나 소자, 크기 M×N(P=MN) 등간격 평면 사각 어레이 안테나를 포함할 수 일 수 있다. 예를 들면, 상기 지정된 개수의 안테나 소자들(지정된 안테나 소자들)은, 상기 수신기에 포함된 상기 복수의 안테나 소자 중 일부 안테나 소자들일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 장치는, 상기 제1 신호에 대해, 수신 신호 벡터를 생성할 수 있다. 예를 들어, 상기 수신기에 K 개의 신호가 입사된다고 가정할 경우, 상기 장치는, 상기 K 개의 신호에 대해, 다음의 수학식 1을 통해, 이산 샘플 인덱스 k에서의 수신 신호 벡터를 생성할 수 있다.
상기 이산 샘플 인덱스 k에서의 수신 신호 벡터는, 다음의 수학식 1과 같을 수 있다.
Figure 112019086303510-pat00001
(A는 P×K크기를 가지는 수신신호 어레이 응답 행렬, s(k)는 K×1 크기를 가지는 k번째 수신신호 벡터, n(k)는 평균 0과 분산
Figure 112019086303510-pat00002
의 독립 동일 분포(IID; independent identically distributed) 특성을 가지는 부가 백색 가우스 잡음(AWGN; additive white Gaussian noise) 벡터)
예를 들면, 상기 수신 신호 벡터 x(k)와 잡음 벡터 n(k)의 크기는, P×1일 수 있다.
320 동작에서 상기 장치는, 상기 제1 신호에 대해, 카폰 알고리즘을 적용하여 복수의 도래각 그룹을 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 장치는, 상기 수신기에 포함된 복수의 안테나 소자에서 일부 안테나 소자들을 이용하므로, 상세한 도래각 추정은 어렵지만, 빠르고 효과적으로 개별 신호들의 도래각들로 구성된 도래각 그룹들을 추정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 장치는, 다음의 수학식 2를 이용하여, 복수의 도래각 그룹을 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 장치는 다음의 수학식 2를 이용하여, 카폰 알고리즘에 대한 비용 함수(cost function)의 역을 계산할 수 있으며, 공간 스펙트럼(제1 스펙트럼)을 생성할 수 있다.
Figure 112019086303510-pat00003
(
Figure 112019086303510-pat00004
는 지정된 개수의 안테나 소자에 기초한 수신신호의 공분산 행렬,
Figure 112019086303510-pat00005
는
Figure 112019086303510-pat00006
개의 안테나 소자에 기반한 수신신호 벡터,
Figure 112019086303510-pat00007
는 특정 방위각(
Figure 112019086303510-pat00008
) 및 고도각(
Figure 112019086303510-pat00009
)에 대한 어레이 응답 벡터, H는 켤레 전치)
예를 들어, 상기 장치는 상기 생성된 공간 스펙트럼에서 하나 이상의 피크를 확인하여 도래각 그룹들을 결정(추정)할 수 있다. 예를 들어, 공간 스펙트럼에서 확인된 피크가 4개인 경우, 도래각 그룹을 4개로 결정할 수 있다.
330 동작에서 상기 장치는, 상기 수신기에 포함된 모든 안테나 소자들을 통해 수신된, 제2 신호를 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 모든 안테나 소자들은, 상기 수신기에 포함된 상기 복수의 안테나 소자일 수 있다.
340 동작에서 상기 장치는, 상기 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘을 적용하여 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 신호의 도래각을 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 장치는 후술하는 수학식들을 통해, 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 공간 스펙트럼(제2 스펙트럼)을 생성할 수 있으며, 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 상기 공간 스펙트럼의 피크를 기초로 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 신호의 도래각을 결정할 수 있다.
예를 들어, 특정 범위 내의 도래각 추정에 탁월한 성능을 가지는 상기 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘을 적용하기 위해, 상기 장치는 다음의 수학식 3을 통해, 빔 공간 변환 행렬(B)을 생성할 수 있다.
Figure 112019086303510-pat00010
(Bx 와 By는
Figure 112019086303510-pat00011
번째 도래각 그룹 (
Figure 112019086303510-pat00012
)의 중간빔(center beam)을 기준으로 하는 x축과 y축에 대한 1차원 이산 푸리에 변환(DFT; discrete fourier transform) 행렬들이고,
Figure 112019086303510-pat00013
는 크로네커(kronecker) 연산자)
예를 들어, 상기 장치는, 상기 수학식 3을 통해 생성된, 도래각 그룹들 각각의 빔 공간 변환 행렬을 이용하여, 도래각 그룹들 각각에 대해, 다음의 수학식 4와 같은, 빔 공간 출력(y(k))을 생성할 수 있다.
Figure 112019086303510-pat00014
(x(k): 수신 신호 벡터, H: 켤레 전치)
예를 들어, 상기 장치는, 상기 수학식 3 및 수학식 4를 통해 생성된 도래각 그룹들 각각의 빔 공간 변환 행렬(B) 및 빔 공간 출력(y(k))를 기초로, 다음의 수학식 5를 이용하여, 도래각 그룹들 각각의 도래각을 추정하기 위한, 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘에 대한 비용함수의 역을 구할 수 있다.
Figure 112019086303510-pat00015
(EBSN은 빔공간 잡음 부공간 고유 행렬로,
Figure 112019086303510-pat00016
의 고유치 분해를 통해 획득됨, y(k)는 빔 공간 출력, B는 빔 공간 변환 행렬, H는 켤레 전치,
Figure 112019086303510-pat00017
는 특정 방위각(
Figure 112019086303510-pat00018
) 및 고도각(
Figure 112019086303510-pat00019
)에 대한 어레이 응답 벡터)
예를 들어, 상기 장치는, 상기 수학식 5에 따라, 도래각 그룹들 각각의 공간 스펙트럼(제2 스펙트럼)을 생성할 수 있으며, 상기 도래각 그룹 각각의 상기 공간 스펙트럼에서 하나 이상의 피크를 확인할 수 있다. 상기 장치는 상기 도래각 그룹 각각의 상기 공간 스펙트럼에서의 하나 이상의 피크에 기초하여, 상기 도래각 그룹 각각의 도래각을 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 장치는 상기 도래각 그룹 각각의 상기 공간 스펙트럼에서 하나 이상의 피크에 대응하는 각도를 확인하고, 상기 확인된 각도를 도래각으로 결정할 수 있다.
350 동작에서 상기 장치는, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 신호의 도래각에 기초하여, 빔 포밍을 실행할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 장치는 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 상기 하나 이상의 신호의 도래각을 기초로, 빔을 형성하여, 빔 포밍을 실행할 수 있다.
도 4는 다양한 실시 예에 따른 장치(예: 장치(101), 장치(101)의 프로세서(120))의 동작의 흐름도이다.
410 동작에서 상기 장치는 상기 장치에 포함된 수신기의 안테나 소자들을 통해 신호를 수신할 수 있다.
420 동작에서 상기 장치는 상기 수신된 신호에서의 일부 신호에 대해, 카본 알고리즘을 적용하여, 복수의 도래각 그룹(N개)을 결정(생성)할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 안테나 소자들 중 지정된 안테나 소자들(지정된 개수의 안테나 소자들)을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 카본 알고리즘을 적용하여, 복수의 도래각 그룹을 결정(생성)할 수 있다.
상기 카몬 알고리즘을 적용하여 복수의 도래각 그룹을 결정하는 세부 실시 예는 상술한 도 3의 실시 예에서 상세히 설명하였으므로 생략한다.
430 동작에서 상기 장치는 레퍼런스 값 I=0으로 설정할 수 있다
440 동작에서 상기 장치는 I=I+1 연산을 실행할 수 있다.
450 동작에서 상기 장치는 I번째 그룹에 대해, 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘을 적용할 수 있다.
상기 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘을 적용하는 세부 실시 예는 상술한 도 3의 실시 예에서 상세히 설명하였으므로 생략한다.
460 동작에서는, 상기 장치는, I가 N과 동일한지 여부를 결정할 수 있다. 상기 장치는 상기 I가 N과 동일한 경우 470 동작을 실행하고, 그렇지 않은 경우 440 동작을 다시 실행할 수 있다.
470 동작에서 상기 장치는, 상술한 동작들에 의해 결정된 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 상기 하나 이상의 신호의 도래각을 기초로, 빔을 형성하여, 포밍을 실행할 수 있다.
상술한 실시 예에 따르면, 일반적인 MUSIC 알고리즘과는 다르게, 본 발명의 실시 예들은 모든 방위각 및 고도각을 스캔하지 않고, 먼저 추정된 도래각 그룹의 방위각 및 고도각 범위 내에서만 스캔을 시행하므로, 계산량이 월등히 줄어드는 효과를 가지며, 본 발명의 실시 예들은 특히 큰 사이즈의 매시브 형태의 안테나를 기반으로 한 정밀한 도래각 추정에 상당히 효율적일 수 있다.
도 5 내지 도 7은 다양한 실시 예에 따른 도래각 추정 동작의 성능 확인을 위한 컴퓨터 시물레이션 결과를 나타낸다.
컴퓨터 시뮬레이션을 위해 총 20x20의 안테나 요소들 중에 카폰 알고리즘에 대해서는, 4x4의 안테나 요소를 사용하고, 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘에 대해서는, 20x20의 전체 안테나 요소들을 사용한다고 가정하였다.
컴퓨터 시뮬레이션의 시나리오의 수신 신호는 한 개의 CW(continuous wave) 신호, 두 개의 FM(frequency modulated) 신호, 한 개의 WB(wideband) 잡음 신호, 두 개의 AM(amplitude modulated) 신호, AWGN 등을 포함한다. 컴퓨터 시뮬레이션의 시나리오에 대한, 각 신호들의 매개변수들은 다음의 표 1에 요약되어 있다.
신호 방위각 고도각 중심 주파수
FM -140, 127 -40 0.05, 0.28
CW -10 -40, -40 0.2
WB 48 -40 0.35
AM -137, 124 -40, -40 0.15, 0.44
컴퓨터 시뮬레이션의 시나리오를 위한 각 신호의 신호 대 잡음비(SNR; signal-to-noise ratio)는 20dB으로 가정하고, FM 신호의 변조 인덱스(modulation index) β는 0.08이며, 정규화(normalized)된 변조 주파수 fm은 0.001, AM 신호의 변조지수 α는 0.03으로 가정하였다. 명확한 결과 확인과 편의를 위해, 각 신호의 고도각은 -40°로 동일하다고 가정하였다.
도 5는 수신 신호의 스펙트럼으로, 한 개의 CW 신호, 두 개의 FM 신호, 한 개의 WB 신호, 두 개의 AM 신호를 확인할 수 있다.
도 6은 4x4 안테나 어레이 요소를 이용한 카폰 알고리즘의 적용에 따른 공간 스펙트럼으로, 도 4의 피크들(제1 피크(602), 제2 피크(604), 제3 피크(606), 제4 피크(608))로부터 총 4개의 도래각 그룹을 추정할 수 있다.
도 7은 20x20 안테나 어리이 요소를 이용한 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘의 적용에 따른 공간 스펙트럼이다.
도 7의 (a)는 상기 도 6의 제1 피크(602)에 대응하는 도래각 그룹 1의 공간 스펙트럼으로, 도 7의 (a)를 참조하면, 방위각이 -140 및 -137임을 확인할 수 있으며, 이러한 방위각에 기초하여 표 1을 참조하면 도래각 그룹 1에는 FM 신호(FM1 신호)와 AM 신호(AM1 신호)가 포함됨을 알 수 있다.
도 7의 (b)는 도 6의 제2 피크(604)에 대응하는 도래각 그룹 2의 공간 스펙트럼으로, 도 7의 (b)를 참조하면, 방위각이 -10임을 확인할 수 있으며, 이러한 방위각에 기초하여 표 1을 참조하면 도래각 그룹 2에는 CW 신호가 포함됨을 알 수 있다.
도 7의 (c)는 도 6의 제3 피크(606)에 대응하는 도래각 그룹 3의 공간 스펙트럼으로, 도 7의 (c)를 참조하면, 방위각이 48임을 확인할 수 있으며, 이러한 방위각에 기초하여 표 1을 참조하면 도래각 그룹 3에는 WB 잡음 신호가 포함됨을 알 수 있다.
도 7의 (d)는 도 6의 제4 피크(608)에 대응하는 도래각 그룹 4의 공간 스펙트럼으로, 도 7의 (d)를 참조하면, 방위각이 124, 127임을 확인할 수 있으며, 이러한 방위각에 기초하여 표 1을 참조하면 도래각 그룹 4에는 FM 신호(FM2 신호) 및 AM 신호(AM2 신호)가 포함됨을 알 수 있다.
상기의 컴퓨터 시물레이션 결과를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘을 통해, 모든 신호들의 도래각을 효과적으로 추정할 수 있음을 확인할 수 있다. 카폰 알고리즘을 이용하여, 도래각의 그룹들 및 범위를 확인할 수 있고, 그 추정된 범위 내에서 빔 공간 다중 신호 분류 알고리즘이 적용되므로, 모든 방위각 및 고도각을 고려하는 일반적인 도래각 추정 알고리즘과 비교해서 계산량이 월등히 낮고 효율적임을 알 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들은 기기(machine)(예: 컴퓨터)로 읽을 수 있는 저장 매체(machine-readable storage media)(예: 메모리(미도시))에 저장된 명령어를 포함하는 소프트웨어(프로그램)로 구현될 수 있다. 기기는, 저장 매체로부터 저장된 명령어를 호출하고, 호출된 명령어에 따라 동작이 가능한 장치로서, 개시된 실시 예들에 따른 전자 장치(예: 전자 장치(101))를 포함할 수 있다. 상기 명령이 프로세서(예: 프로세서(120))에 의해 실행될 경우, 프로세서가 직접, 또는 상기 프로세서의 제어 하에 다른 구성요소들을 이용하여 상기 명령에 해당하는 기능을 수행할 수 있다. 명령은 컴파일러 또는 인터프리터에 의해 생성 또는 실행되는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장매체는, 비일시적(non-transitory) 저장매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, ‘비일시적’은 저장매체가 신호(signal)를 포함하지 않으며 실재(tangible)한다는 것을 의미할 뿐 데이터가 저장매체에 반영구적 또는 임시적으로 저장됨을 구분하지 않는다.
다양한 실시 예에 따르면, 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는, 도래각을 추정하기 위한 컴퓨터 판독 가능 기록매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 복수의 안테나 소자 중 지정된 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 복수의 도래각 그룹을 결정하는 동작, 및 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장되어 있는 도래각을 추정하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 복수의 안테나 소자 중 지정된 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 복수의 도래각 그룹을 결정하는 동작, 및 상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 복수의 도래각 그룹 각각에 대응하는 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 등이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술되는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 복수의 안테나 소자와;
    상기 복수의 안테나 소자 중 지정된 일부 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 모든 방위각 및 모든 고도각에서 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 제1 도래각 내지 제N 도래각 그룹을 결정하며,
    상기 복수의 안테나 소자 전체를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 상기 모든 방위각 및 모든 고도각 중 상기 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각의 방위각 및 고도각 범위 내에서 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각에 대응하는 서로 다른 N개 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하도록 제어하는 프로세서를 포함하는 도래각을 추정하기 위한 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 제1 신호에 대해, 상기 카폰 알고리즘을 적용하여 생성된 제1 스펙트럼에서, 복수의 제1 피크를 확인하며, 상기 확인된 복수의 제1 피크를 기초로 상기 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹을 결정하도록 제어하는 도래각을 추정하기 위한 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 복수의 안테나 소자를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각에 대응하는 제2 스펙트럼을 생성하도록 제어하는 도래각을 추정하기 위한 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각에 대응하는 제2 스펙트럼에서, 하나 이상의 제2 피크를 확인하며,
    상기 확인된 하나 이상의 제2 피크를 기초로, 상기 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각에 대응하는 상기 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하도록 제어하는 도래각을 추정하기 위한 장치.
  5. 도래각을 추정하기 위한 장치가 수행하는 방법에 있어서,
    복수의 안테나 소자 중 지정된 일부 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 모든 방위각 및 모든 고도각에서 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹을 결정하는 동작, 및
    상기 복수의 안테나 소자 전체를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 상기 모든 방위각 및 모든 고도각 중 상기 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각의 방위각 및 고도각 범위 내에서 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각에 대응하는 서로 다른 N개 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하는 동작을 포함하는 도래각을 추정하기 위한 장치가 수행하는 방법.
  6. 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는, 도래각을 추정하기 위한 컴퓨터 판독 가능 기록매체로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면,
    복수의 안테나 소자 중 지정된 일부 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 모든 방위각 및 모든 고도각에서 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹을 결정하는 동작, 및
    상기 복수의 안테나 소자 전체를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 상기 모든 방위각 및 모든 고도각 중 상기 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각의 방위각 및 고도각 범위 내에서 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각에 대응하는 서로 다른 N개 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 도래각을 추정하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  7. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장되어 있는 도래각을 추정하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면,
    복수의 안테나 소자 중 지정된 일부 안테나 소자들을 통해 수신된 제1 신호에 대해, 모든 방위각 및 모든 고도각에서 카폰(capon) 알고리즘을 적용하여 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹을 결정하는 동작, 및
    상기 복수의 안테나 소자 전체를 통해 수신된 제2 신호를 기초로, 상기 모든 방위각 및 모든 고도각 중 상기 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각의 방위각 및 고도각 범위 내에서 빔 공간 다중 신호 분류(beamspace multiple signal classification) 알고리즘을 적용하여, 상기 제1 도래각 그룹 내지 제N 도래각 그룹 각각에 대응하는 서로 다른 N개 하나 이상의 제3 신호의 도래각을 결정하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는 도래각을 추정하기 위한 컴퓨터 프로그램.
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