KR102296923B1 - 레이더 신호 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이더 신호 검출 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 레이더 신호 검출 방법은, 레이더 대역에 대한 인지 무선 기술에 있어서, 수신 전력이나 전력 변화를 특정한 값과 비교하지 않는 일반화된 방식의 레이더 신호 검출 방법으로서, 관측창 내에 레이더 펄스가 포함된 경우에 해당 신호의 변화를 DC(direct current) 수준 변화로 모델링하고, 이에 대하여 순서 통계를 기초로 GLRT(generalized likelihood ratio test, 일반화된 최대 우도 검출 비율 테스트) 기반의 스펙트럼 센싱 기법을 적용한, 레이더 신호 검출 방법을 제공한다.

Description

레이더 신호 검출 방법{Radar Signal Detection Method}
본 발명은 레이더 신호 검출 방법에 관한 것으로서, 특히, 레이더 대역에 인지 무선 기술을 도입하기 위한 일반화된 방식의 레이더 신호 검출 방법에 관한 것이다.
최근 레이더 대역이 인지 무선 기술을 적용할 대상으로 떠오르고 있다. 이는 레이더 대역이 대역폭이 넓은 반면 이용 효율이 낮아 주파수 공유로 이득이 상당할 것으로 예상되기 때문이다. 레이더 대역을 공유하려는 시도는 이미 2003년 DFS(dynamic frequency selection) 기술을 통해 실현된 바 있다. DFS는 무선랜 장치가 레이더 신호 존재 여부를 판단하여 레이더 신호가 존재하지 않는 경우에 해당 대역을 사용할 수 있도록 하는 방법이다. 레이더 대역에 인지 무선 기술을 도입함에 있어 핵심적인 요소 기술은 해당 대역의 우선 사용자 신호인 레이더 신호를 검출하는 스펙트럼 센싱 기술이다. 지금까지 발표된 레이다 신호 검출 방식은 DFS에 이미 포함된 것을 포함하여 대부분 전력 수준이나 전력 변화를 기반으로 펄스 존재 여부를 판단하고, 여기에 검출된 펄스들이 주기성을 갖는지 여부를 확인하는 형태로 발전해왔다. 이 방법들은 기본적으로 전력 수준을 임계값과 비교하는 과정을 포함하고 있기 때문에 에너지 검파 방식의 범주에 속한다고 볼 수 있다. 따라서 잡음 전력 불확실성에 취약하고, 수신 전력 수준이나 전력 변화를 비교하는 기준이 특정값으로 정해져 있어 일반적이지 않다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 레이더 대역에 대한 인지 무선 기술에 있어서, 수신 전력이나 전력 변화를 특정한 값과 비교하지 않는 일반화된 방식의 레이더 신호 검출 방법으로서, 관측창 내에 레이더 펄스가 포함된 경우에 해당 신호의 변화를 DC(direct current) 수준 변화로 모델링하고, 이에 대하여 순서 통계와 GLRT(generalized likelihood ratio test, 일반화된 최대 우도 검출 비율 테스트) 적용한 레이더 신호 검출 방법을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 검출장치에서 레이더 신호 검출 방법은, 무선 RF 신호를 수신하여 관측창 동안 소정의 주기로 각각의 시간(n)에 신호 샘플링을 수행하여 크기 순서로 배열한 샘플값들 {r1(n), (n=1,2,..,N)}을 생성하는 단계; 신호 샘플값들의 제곱의 평균값과 연관된 제1 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00001
및 신호 샘플값과 추정된 레이더 펄스값의 차이의 제곱에 대한 평균값과 연관된 제2 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00002
을 계산하는 단계; 및 제1 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00003
및 제2 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00004
을 이용하여, 관측창 내에 레이더 신호가 존재하는 지 여부를 판별하기 위한 검정 통계량 L을 계산하는 단계를 포함한다.
상기 제1 및 제2 최대 유사도 추정값을 계산하는 단계는, 다음의 수학식을 이용하되,
Figure 112019077836825-pat00005
Figure 112019077836825-pat00006
Figure 112019077836825-pat00007
여기서, n0는 n=1,2,..,N 중 오름차순으로 배열된 신호 샘플값들이 잡음을 유지한다고 여겨지는 소정의 구간의 종료 시점이며,
Figure 112019077836825-pat00008
는 레이더 펄스가 존재한다고 여겨지는 소정의 구간(n0+1 ~ N)의 신호 샘플값들을 이용하여 계산된 레이더 펄스값에 대한 최대 유사도 추정값이다.
상기 검정 통계량 L을 계산하는 단계는, 다음의 수학식을 이용하되,
Figure 112019077836825-pat00009
상기 검정 통계량 L을 검파 임계값과 비교하여 레이더 신호의 존재여부를 판단할 수 있다. 상기 수학식에 따른 L을 결정하는 과정에서 모든 가능한 n0를 검토해야 함으로 인해 계산량이 많을 수 있는데, 이를 줄이기 위한 방법으로, 상기 제1 및 제2 최대 유사도 추정값을 계산하는 단계 전에, 오름차순으로 배열한 결과인 신호 샘플값들 {r1(n), (n=1,2,..,N)}로부터 이웃한 신호 샘플의 절대값들 간의 크기 차이를 계산한 후, 이중에서 가장 큰 차이를 갖는 2개의 샘플값 중의 배열 인덱스가 작은 샘플값의 배열 인덱스를 n0로 설정할 수 있고, 이에 따라 상기 제1 및 제2 최대 유사도 추정값을 계산하는 단계에서, n=1,2,..,N 중 오름차순으로 배열된 신호 샘플값들이 잡음을 유지한다고 여겨지는 소정의 구간에 대한 종료 시점 n0, 및 레이더 펄스가 존재한다고 여겨지는 소정의 구간(n0+1 ~ N)에 대한 신호 샘플값들을 이용하여 계산된 레이더 펄스값에 대한 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00010
를 이용하여 상기 제1 및 제2 최대 유사도 추정값을 계산할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 검출장치에서 레이더 신호 검출 방법은, 무선 RF 신호를 수신하여 복수의 관측창에 대하여 소정의 주기로 각각의 시간(n)에 신호 샘플링을 수행하여 신호 샘플값들 {r(n), (n=1,2,..,N)}을 추출하는 단계; 신호 샘플값들의 제곱의 평균값과 연관된 제1 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00011
, 및 신호 샘플값과 추정된 레이더 펄스값의 차이의 제곱에 대한 평균값과 연관된 제2 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00012
을 계산하는 단계; 및 제1 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00013
및 제2 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00014
을 이용하여, 각각의 관측창에 대한 검정 통계량 L을 계산하고, 상기 복수의 관측창에 대한 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln)을 합산한 통합된 검정 통계량
Figure 112019077836825-pat00015
를 기초로 상기 복수의 관측창 내에 레이더 신호가 존재하는 지 여부를 판별하는 단계를 포함한다.
상기 제1 및 제2 최대 유사도 추정값을 계산하는 단계는, 다음의 수학식을 이용하되,
Figure 112019077836825-pat00016
Figure 112019077836825-pat00017
Figure 112019077836825-pat00018
Figure 112019077836825-pat00019
여기서, n0와 n1는 각각 잡음 및 레이더 펄스 중 어느 하나씩을 유지한다고 여겨지는 소정의 각 구간의 종료 시점을 나타내고,
Figure 112019077836825-pat00020
와
Figure 112019077836825-pat00021
는 각각 잡음 및 레이더 펄스 중 어느 하나씩을 유지한다고 여겨지는 소정의 각 구간의 신호 샘플값들을 이용하여 계산된 해당 잡음 및 레이더 펄스의 평균에 대한 최대 유사도 추정값이다.
상기 검정 통계량 L을 계산하는 단계는, 다음의 수학식을 이용하되,
Figure 112019077836825-pat00022
상기 통합된 검정 통계량
Figure 112019077836825-pat00023
를 검파 임계값과 비교하여 레이더 신호의 존재 여부를 판별한다.
상기 복수의 관측창에 대한 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln) 중 미리 정한 수 k 이상 검파 임계값 보다 큰지 여부로 레이더 신호의 존재 여부를 판별할 수도 있다.
본 발명에 따른 레이더 대역에 대한 인지 무선 기술을 위한 레이더 신호 검출 방법은, 종래의 기술과 같이 수신 전력이나 전력 변화를 특정한 값과 비교하지 않는 일반화된 방식의 레이더 신호 검출 방법으로서, 관측창 내에 레이더 펄스가 포함된 경우에 해당 신호의 변화를 DC(direct current) 수준 변화로 모델링하고, 이에 대하여 순서 통계와 GLRT(generalized likelihood ratio test, 일반화된 최대 우도 검출 비율 테스트)를 적용한다. 또한, 본 발명에서는 시간적으로 이웃한 복수개의 관측창(T1, T2,..,Tn)에 대한 검정 통계량을 합산하여 통합된 검정 통계량을 검파 임계값과 비교하는 방식을 제안하였으며, 이때 개별 관측창 단위(T1, T2,..,Tn)로 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln)을 검파 임계값과 비교하여 소정의 수 이상 검파 임계값 보다 크게 나오면 해당 관측창들 내에 레이더 펄스가 존재하는 것으로 판단하는 방식을 적용할 수도 있으며, 이에 따라 관측창의 길이를 한 개의 레이더 펄스 일부 또는 전부가 포함될 정도로 설정한 경우에도 일반화된 레이더 신호 검출 방법을 제공할 수 있다. 종래의 기술은 관측 기간 내에 한 개의 레이더 펄스가 포함되는 경우에 적용할 수 있는 다소 제한적인 방법이었지만, 반면 본 발명은 관측 기간 내에 다수의 레이더 펄스가 포함되는 경우에 적용할 수 있으며 관측 시간에 대한 제한이 없어 적용 범위가 넓다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 일반적인 펄스 레이더 신호의 한 형태를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 레이더 대역에 대한 인지 무선 기술을 위한 레이더 신호 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명과 종래 기술의 잡음 불확실성 대비 오경보 확률에 대한 실험 결과의 예이다.
도 4는 본 발명과 종래 기술의 오경보 확률 대비 검파 확률에 대한 실험 결과의 예이다.
도 5는 본 발명과 종래 기술의 SNR별 오경보율 대비 검파 확률에 대한 실험 결과의 예이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이더 대역에 대한 인지 무선 기술을 위한 레이더 신호 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 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. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
펄스 압축(pulse compression) 기술을 사용하지 않는 펄스 레이더는 사각 펄스(rectangular pulse) 신호를 방사하고, 임의의 표적으로부터 반사된 신호를 검출하여 표적까지의 위치 등을 추정한다. 이러한 펄스 레이더 신호를 관측하면, 관측 시간 내에서 시간적으로 중복되지 않는 여러 개의 펄스 신호가 존재할 수 있다. 이때 펄스 신호의 형태는 레이더가 방사한 사각 펄스에 무선 채널의 페이딩 영향과 잡음이 반영된 결과이다. 이 관측 신호를 그 크기에 따라 크기 순서대로 배열하면 관측 창 내에서 DC(direct current) 값이 한 번 변하는 형태로 근사화할 수 있다. 만약 관측 시간 내에 레이더 신호가 존재하지 않는다면 잡음만 존재하는 형태가 되므로, 이를 크기에 따라 배열하면 DC 값의 변화가 없는 것으로 근사화할 수 있다. 이에 착안하여 따라서 본 발명에서는 관측 시간에 포함되어 있는 신호 값을 크기 순서대로 배열한 후에, 그 결과 신호가 DC 값의 변화에 가까운지 아니면 단일 값으로 근사화하는 것에 가까운지 여부에 따라 펄스 레이더 신호의 존재 여부를 판단하고자 한다.
도 1은 일반적인 펄스 레이더 신호의 한 형태를 나타낸다.
레이더 송신기는 주어진 방향으로 주기적인 펄스를 내보내고 다시 방위각 방향을 변경하여 주기적인 펄스를 송신하는 형태를 반복적으로 수행하기 때문에, 특정 방향으로 송신되는 레이더 신호의 변화를 시간에 따라 표현하면 도 1에 나타낸 바와 같다. 도 1에서 일련의 펄스 주기 간격으로 나타나는 펄스 군을 버스트(burst)라고 한다. 탐색 레이더 등에서는 레이더 송신기가 주기적으로 360도 방위각을 한 바퀴 회전하는 형태로 운영하기 때문에 버스트 또한 주기적으로 발생하며 버스트 주기는 레이더 송신 안테나의 방위각 방향의 회전 주기와 일치한다.
펄스 레이더 신호 존재 여부를 파악하는 장치 입장에서는 일정 시간 수신된 신호를 토대로 레이더 신호 존재 여부를 결정한다. 관측창 내에 레이더 펄스가 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우를 각각 가설 H1와 H0이라고 하고, 관측창 내에 있는 신호 샘플을 오름차순으로 배열한 결과를 {r(n), (n=1,2,..,N)} (N은 관측창의 시간 길이)이라 한다. 그러면 가설 H0인 경우에 r(n)은 잡음만으로 구성되고 DC 값의 변화가 없을 가능성이 크다. 반면에 가설 H1이 유효한 경우에는 r(n)의 형태가 마치 DC 값의 변화가 있는 계단 모양의 신호 형태가 될 것이다. 이러한 현상은 SNR(Signal to Noise Ratio)이 높을수록 뚜렷하다.
이에 착안하여, 본 발명에서는 관측창 내의 신호가 이 중 어느 경우에 해당하는 가를 판단하여, 결과적으로 레이더 신호의 존재 여부를 결정하고자 한다.
이하 도 2의 흐름도를 참조하여 본 발명의 레이더 신호 검출 방법을 좀 더 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 레이더 대역에 대한 인지 무선 기술을 위한 레이더 신호 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 소정의 검출 장치를 통하여 무선 RF(Radio Frequency) 신호를 수신하고(S100), 위와 같이 소정의 관측창 동안 소정의 주기로 각각의 시간(n)에 신호 샘플링을 수행하여 그 결과인 신호 샘플값들 {r(n), (n=1,2,..,N)}을 생성하되, 크기 순서, 예를 들어, 오름차순으로 배열한다(S200). 이와 같이 크기 순서로 배열한 신호 샘플값들을 여기서는 {r1(n), (n=1,2,..,N)}(N은 2이상의 정수)과 같이 나타내기로 한다. 신호 샘플링은 관측창마다 연이어서 진행될 수도 있고, 설계에 따라 미리 정해진 시간마다 관측창 동안 진행될 수도 있다. 또한, 여기서, 크기 순서는 오름차순일 수도 있고 내림차순일 수도 있으나, 설명의 편의상 오름차순으로 설명하지만, 내림차순에 대하여도 유사하게 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 다음에, 검출 장치는 각각의 관측창에 대한 위와 같은 가설 H1와 H0 중 어느 가설이 유효한 지 여부를 판단하기 위해, 먼저, 관측창 내의 신호 샘플들 {r1(n), (n=1,2,..,N)}에 대하여, 신호 샘플값들 r1(n)의 제곱의 평균값과 연관된 제1 최대 유사도 추정값(maximum likelihood estimate)
Figure 112019077836825-pat00024
, 신호 샘플값 r1(n)과 추정된 레이더 펄스값(예,
Figure 112019077836825-pat00025
)의 차이의 제곱에 대한 평균값과 연관된 제2 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00026
을, [수학식1]과 같이 계산한다(S300).
[수학식1]
Figure 112019077836825-pat00027
Figure 112019077836825-pat00028
Figure 112019077836825-pat00029
[수학식1]에서, n0는 n=1,2,..,N 중 오름차순으로 배열된 신호 샘플값들이 레이더 신호 없이 잡음(AWGN:Additive White Gaussian Noise)을 유지한다고 여겨지는 소정의 구간의 종료 시점이며,
Figure 112020126609594-pat00030
는 잡음(AWGN)과 레이더 펄스가 존재한다고 여겨지는 소정의 구간(n0+1 ~ N)의 신호 샘플값들을 이용하여 계산함으로써 획득된 상기 추정된 레이더 펄스값이다.
다음에, 검출 장치는 제1 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00031
및 제2 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00032
을 이용하여, GLRT(generalized likelihood ratio test, 일반화된 최대 우도 검출 비율 테스트) 기반 검정 통계량 L을, [수학식2]와 같이 산출한다(S400).
[수학식2]
Figure 112019077836825-pat00033
검출 장치는 이와 같은 각각의 관측창에서 검정 통계량 L(해당값이 최대인 n0에서의 값)을 검파 임계값 λ와 비교하면서(S500), L의 값이 λ 이상이 되는 경우에 레이더 신호가 존재하는 것으로 판단하고(S600), 그렇지 않은 경우에는 레이더 신호가 존재하지 않는 것으로 판단한다(S700). λ는 레이더 신호의 존재 여부를 판단하는 기준 값으로, 그 값은 목표로 하는 오경보 확률(false alarm rate)를 만족하도록 실험을 참조로 소정의 값으로 설정될 수 있다.
컴퓨터 실험을 통해 본 발명의 방식을 사용하여 레이더 펄스 검출 성능을 도출해 보았다. 실험 환경으로는 PRF(Pulse Repetition Frequency)가 10 kHz인 레이더 신호를 가정하고, 레이더 신호를 레일리(rayleigh) 채널을 통해 수신한다고 가정하였다. 샘플링 주파수로는 5 MHz를 사용하고, 관측 시간은 0.5ms로 설정하였다. 몬테 카를로 방식의 컴퓨터 실험을 실시하였으며, 실험 횟수는 1000번을 사용하였다.
도 3은 본 발명과 종래 기술의 잡음 불확실성 대비 오경보 확률에 대한 실험 결과의 예이다.
도 3과 같이, 본 발명의 레이더 신호 검출 방법은, 잡음 전력 불확실성(0~2dB)에 관계없이 종래의 에너지 검파 기반 방식(예, 0 ~ 0.58내지0.62)에 비해 일정한 오경보 확률(예, 0 ~ 0.1)을 유지한다는 장점을 가짐을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명과 종래 기술의 오경보 확률 대비 검파 확률에 대한 실험 결과의 예이다.
도 4와 같이, 본 발명의 레이더 신호 검출 방법은, 잡음 전력 불확실성이 존재할 때(예, 2dB) 종래의 에너지 검파 기반 방식(예, 67% 검파확률)에 비해 높은 검파확률(예, 98% 검파확률)로 우수하게 나타났음을 확인하였다.
이와 같은 본 발명의 레이더 신호 검출 방법에 따르면, 레이더 검출 신호를 검출하기 위해서는 [수학식2]의 검정 통계량 L을 계산하고 이를 검파 임계값 λ와 비교해야 한다. 이때 검출 통계량 L을 계산하는 과정에서 [수학식2]와 같이 n에 대해 스캔하면서 검정 통계량 L이 최대가 되는 n0를 결정하기 위한 계산을 수행해야 하기 때문에 관측창의 길이가 커지면 계산량이 매우 많아질 수 있다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 도 2의 S200 단계 다음 S300 단계 이전에, n0를 먼저 추정하고 이에 대하여 검정 통계량 L을 계산하여 검출 통계량 L로 사용하는 방법(fast OS 방식)을 더 포함한다.
관측창 내에 있는 신호 샘플값들을 오름차순으로 배열한 결과인 {r1(n), (n=1,2,..,N)}으로부터 이웃한 신호 샘플의 절대값들 간의 크기 차이를 계산한 후, 이중에서 가장 큰 차이를 갖는 2개의 샘플값(예, r(n0), r(n0+1)) 중의 배열 인덱스가 작은 샘플값 r(n0)의 배열 인덱스를 n0로 설정한다. 이렇게 한 이유는 레이더 펄스 신호를 담고 있는 신호 샘플 중에서 펄스 신호에 해당하는 부분은 오름차순 배열에서 n0+1번째에서 시작될 가능성이 크다라고 볼 수 있기 때문이다. 이 방식(fast OS 방식)을 사용한 경우에 위에서 기술한 본 발명의 방식과 종래의 에너지 검파 방식에 따른 성능을 비교하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명과 종래 기술의 SNR별 오경보율 대비 검파 확률에 대한 실험 결과의 예이다.
도 3과 도 4의 결과를 얻는 환경과 동일한 조건에서 계산량을 줄인 방식(fast OS 방식)과 원래의 도 3/도 4의 방식(OS 방식)의 검출 성능을 SNR 별로 구분해서 나타낸 것이 도 5이다. 도 5에서 보듯이 SNR이 -10dB 정도로 낮은 경우에는 fast OS 방식의 성능이 다소 떨어지지만 SNR이 -5dB 정도로 증가하면 그 차이가 매우 줄어들어 원래 방식과 거의 대등한 레이더 신호 검출 성능을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 이하에서는 레이더 신호 검출 방법의 또 다른 실시예를 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이더 대역에 대한 인지 무선 기술을 위한 레이더 신호 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 여기서는, 복수의 관측창(T1, T2,..,Tn)에 대한 검정 통계량을 통합하여 레이더 신호 존재 여부를 파악하는 방식으로서, 각 관측창의 길이를 한 개의 레이더 펄스 일부 또는 전부가 포함될 정도로 설정하고, 시간적으로 이웃한 복수개의 관측창(T1, T2,..,Tn)에 포함된 데이터에 대하여, 각 관측창(T1, T2,..,Tn)에 대한 검정 통계량을 L1, L 2,..,Ln이라고 하면, 이들 값을 합산하여
Figure 112019077836825-pat00034
을 계산하고 통합된 검정 통계량
Figure 112019077836825-pat00035
를 검파 임계값과 비교하여 해당 관측창들 내에 레이더 펄스 존재 여부를 판단하는 방식을 설명한다. 또한, 여기서 개별 관측창 단위(T1, T2,..,Tn)로 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln)을 검파 임계값과 비교하여 레이더 펄스 존재 여부를 판단한 후, n 중 미리 정한 수 k 이상 검파 임계값 보다 크게 나오면 해당 관측창들 내에 레이더 펄스가 존재하는 것으로 판단할 수도 있다.
예를 들어, 먼저, 도 2의 S100에서와 같이 검출 장치는 무선 RF 신호를 수신하면, 도 6과 같이 각각의 관측창(T1, T2,..,Tn) 동안 소정의 주기로 각각의 시간(n)에 신호 샘플링을 수행하여 신호 샘플값들 {r(n), (n=1,2,..,N)}을 추출한다.
다음에, 검출 장치는 관측창들을 통합하여 위와 같은 가설 H1와 H0 중 어느 가설이 유효한 지 여부를 판단하기 위해, 먼저, 각각의 관측창 내의 신호 샘플들 {r(n), (n=1,2,..,N)}에 대하여, 신호 샘플값들 r(n)의 제곱의 평균값과 연관된 제1 최대 유사도 추정값(maximum likelihood estimate)
Figure 112019077836825-pat00036
, 신호 샘플값 r(n)과 추정된 레이더 펄스값(예,
Figure 112019077836825-pat00037
혹은
Figure 112019077836825-pat00038
)의 차이의 제곱에 대한 평균값과 연관된 제2 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00039
을, [수학식3]과 같이 계산한다. 제2 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00040
은, 신호 샘플값 r(n)과 추정된 잡음값(예,
Figure 112019077836825-pat00041
혹은
Figure 112019077836825-pat00042
)의 차이의 제곱에 대한 평균값과도 연관된다.
[수학식3]
Figure 112019077836825-pat00043
Figure 112019077836825-pat00044
Figure 112019077836825-pat00045
Figure 112019077836825-pat00046
[수학식3]에서, n0와 n1는 각각 잡음 및 레이더 펄스 중 어느 하나씩을 유지한다고 여겨지는 소정의 각 구간의 종료 시점을 나타내고,
Figure 112020126609594-pat00047
와
Figure 112020126609594-pat00048
는 각각 잡음 및 레이더 펄스 중 어느 하나씩을 유지한다고 여겨지는 소정의 각 구간의 신호 샘플값들을 이용하여 계산함으로써 획득된 상기 추정된 잡음값 또는 상기 추정된 레이더 펄스값이다.
여기서, n0는 잡음을 유지한다고 여겨지는 소정의 구간의 종료 시점을 나타낼 때, n1은 레이더 펄스를 유지한다고 여겨지는 소정의 구간의 종료 시점을 나타낼 수 있고, 이와는 반대로 n1은 잡음을 유지한다고 여겨지는 소정의 구간의 종료 시점을 나타낼 때, n0는 레이더 펄스를 유지한다고 여겨지는 소정의 구간의 종료 시점을 나타낼 수도 있다.
또한,
Figure 112019077836825-pat00049
는 잡음을 유지한다고 여겨지는 소정의 구간의 신호 샘플값들을 이용하여 계산된 잡음의 평균에 대한 최대 유사도 추정값일 때,
Figure 112019077836825-pat00050
는 레이더 펄스를 유지한다고 여겨지는 소정의 구간의 신호 샘플값들을 이용하여 계산된 잡음의 평균에 대한 최대 유사도 추정값일 수 있고, 이와는 반대로
Figure 112019077836825-pat00051
은 잡음을 유지한다고 여겨지는 소정의 구간의 신호 샘플값들을 이용하여 계산된 잡음의 평균에 대한 최대 유사도 추정값일 때,
Figure 112019077836825-pat00052
는 레이더 펄스를 유지한다고 여겨지는 소정의 구간의 신호 샘플값들을 이용하여 계산된 잡음의 평균에 대한 최대 유사도 추정값일 수 있다.
다만, n0(n1)가 잡음(레이더 펄스)에 대한 것이면,
Figure 112019077836825-pat00053
(
Figure 112019077836825-pat00054
)가 잡음(레이더 펄스)에 대한 것을 나타내고, n1(n0)가 잡음(레이더 펄스)에 대한 것이면,
Figure 112019077836825-pat00055
(
Figure 112019077836825-pat00056
)가 잡음(레이더 펄스)에 대한 것을 나타낸다.
다음에, 검출 장치는 제1 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00057
및 제2 최대 유사도 추정값
Figure 112019077836825-pat00058
을 이용하여, GLRT(generalized likelihood ratio test, 일반화된 최대 우도 검출 비율 테스트) 기반 검정 통계량 L을, [수학식4]와 같이 산출한다.
[수학식4]
Figure 112019077836825-pat00059
검출 장치는 이와 같이 시간적으로 이웃한 복수개의 관측창(T1, T2,..,Tn)(n은 자연수)에 포함된 신호 샘플값들에 대하여, 각 관측창(T1, T2,..,Tn)에서 [수학식4]를 기초로 검정 통계량 L1, L 2,..,Ln산출한다. 검출 장치는 이들 검정 통계량들을 합산하여
Figure 112019077836825-pat00060
을 계산하고 통합된 검정 통계량
Figure 112019077836825-pat00061
를 검파 임계값과 비교하여 해당 관측창들 내에 레이더 펄스 존재 여부를 판단할 수 있다. 또한, 여기서 개별 관측창 단위(T1, T2,..,Tn)로 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln)을 검파 임계값과 비교함으로써, n개 중 미리 정한 수 k 이상 검파 임계값 보다 크게 나오면 해당 관측창들 내에 레이더 펄스가 존재하는 것으로 판단할 수도 있다. 여기서의 검파 임계값 역시 목표로 한 오경보 확률을 달성할 수 있도록 시뮬레이션 등을 기초로 소정의 값으로 설정될 수 있다.
위에서, 개별 관측창 단위(T1, T2,..,Tn)로 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln)은, [수학식3], [수학식4]를 기초로 산출되는 것을 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln)은, [수학식1], [수학식2]를 기초로 산출될 수도 있다는 것은, 당업자에게 자명하다. 즉, RF 신호를 수신하고 해당 신호 샘플값들을 크기 순서로 배열한 신호 샘플값들에 대하여, [수학식1], [수학식2]에서의 n0와
Figure 112019077836825-pat00062
를 기초로 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln)을 산출할 수 있다. 이때에도, 예를 들어, 오름차순으로 배열한 결과인 신호 샘플값들로부터 이웃한 신호 샘플의 절대값들 간의 크기 차이를 계산한 후, 이중에서 가장 큰 차이를 갖는 2개의 샘플값 중의 배열 인덱스가 작은 샘플값의 배열 인덱스를 n0로 설정하는 것 등이 그대로 적용된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이더 대역에 대한 인지 무선 기술을 위한 레이더 신호 검출 방법은, 종래의 기술과 같이 수신 전력이나 전력 변화를 특정한 값과 비교하지 않는 일반화된 방식의 레이더 신호 검출 방법으로서, 관측창 내에 레이더 펄스가 포함된 경우에 해당 신호의 변화를 DC(direct current) 수준 변화로 모델링하고, 이에 대하여 순서 통계와 GLRT(generalized likelihood ratio test, 일반화된 최대 우도 검출 비율 테스트) 기법을 적용한다. 또한, 본 발명에서는 시간적으로 이웃한 복수개의 관측창(T1, T2,..,Tn)에 대한 검정 통계량을 합산하여 통합된 검정 통계량을 검파 임계값과 비교하는 방식을 제안하였으며, 이때 개별 관측창 단위(T1, T2,..,Tn)로 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln)을 검파 임계값과 비교하여 소정의 수 이상 검파 임계값 보다 크게 나오면 해당 관측창들 내에 레이더 펄스가 존재하는 것으로 판단하는 방식을 적용할 수도 있으며, 이에 따라 관측창의 길이를 한 개의 레이더 펄스 일부 또는 전부가 포함될 정도로 설정한 경우에도 일반화된 레이더 신호 검출 방법을 제공할 수 있다. 종래의 기술은 관측 기간 내에 한 개의 레이더 펄스가 포함되는 경우에 적용할 수 있는 다소 제한적인 방법이었지만, 반면 본 발명은 관측 기간 내에 다수의 레이더 펄스가 포함되는 경우에 적용할 수 있으며 관측 시간에 대한 제한이 없어 적용 범위가 넓다.
또한, 본 발명의 레이더 검출장치의 레이더 신호 검출 방법은, 레이더 신호 존재 여부를 판단하여 레이더 신호가 존재하지 않는 경우에 해당 대역을 사용하기 위한, 이동 통신 분야의 무선랜 장치 등에 활용될 수 있다. 즉, 레이더 대역이 대역폭이 넓은 반면 대역 이용 효율이 낮은 상황이나, 본 발명을 무선랜 장치의 DFS(dynamic frequency selection) 수단 등으로 활용함으로써, 이동 통신 등의 본래의 주파수를 사용하면서 레이더 대역의 주파수를 공유함으로써, 주파수 이용 효율을 높이고 고품질의 데이터 통신에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
위에서 기술한 바와 같은 본 발명의 레이더 신호를 검출하기 위한 검출 장치는, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 결합으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 위와 같은 기능들을 수행하기 위한 적어도 하나의 프로세서를 갖는 컴퓨팅 시스템으로 구현될 수 있다. 이와 같은 컴퓨팅 시스템은 버스를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서, 메모리, 사용자 인터페이스 입력 장치, 사용자 인터페이스 출력 장치, 스토리지, 및 네트워크 인터페이스를 포함할 수 있다. 프로세서는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리 및/또는 스토리지에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리 및 스토리지는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 위와 같은 프로세서에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리 및/또는 스토리지)에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서에 커플링되며, 그 프로세서는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 검출장치에서 레이더 신호 검출 방법에 있어서,
    무선 RF 신호를 수신하여 관측창 동안 소정의 주기로 각각의 시간(n)에 신호 샘플링을 수행하여 크기 순서로 배열한 신호 샘플값들 {r1(n), (n=1,2,..,N)}을 생성하는 단계;
    신호 샘플값들의 제곱의 평균값과 연관된 제1 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00096
    , 및 상기 크기 순서로 배열한 신호 샘플값들 중 소정의 신호 크기 보다 큰 위치에 배열된 신호 샘플값들에 대하여 신호 샘플값과 추정된 레이더 펄스값의 차이의 제곱과, 상기 소정의 신호 크기 이하의 신호 샘플값들의 제곱의 합에 대한 평균값과 연관된 제2 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00097
    을 계산하는 단계; 및
    제1 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00065
    및 제2 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00066
    을 이용하여, 관측창 내에 레이더 신호가 존재하는 지 여부를 판별하기 위한 검정 통계량 L을 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 신호 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 최대 유사도 추정값을 계산하는 단계는, 다음의 수학식을 이용하되,
    Figure 112020126609594-pat00067

    Figure 112020126609594-pat00068

    Figure 112020126609594-pat00069

    여기서, n0는 n=1,2,..,N 중 오름차순으로 배열된 신호 샘플값들이 잡음을 유지하는 소정의 구간에 대한 종료 시점이며,
    Figure 112020126609594-pat00070
    는 레이더 펄스가 존재하는 소정의 구간(n0+1 ~ N)에 대한 신호 샘플값들을 이용하여 획득된 상기 추정된 레이더 펄스값인 것을 특징으로 하는 레이더 신호 검출 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 검정 통계량 L을 계산하는 단계는, 다음의 수학식을 이용하되,
    Figure 112019077836825-pat00071

    상기 검정 통계량 L을 검파 임계값과 비교하여 레이더 펄스의 존재 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 레이더 신호 검출 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 최대 유사도 추정값을 계산하는 단계 전에, 오름차순으로 배열한 결과인 신호 샘플값들 {r1(n), (n=1,2,..,N)}로부터 이웃한 신호 샘플의 절대값들 간의 크기 차이를 계산한 후, 이중에서 가장 큰 차이를 갖는 2개의 샘플값 중의 배열 인덱스가 작은 샘플값의 배열 인덱스를 n0로 설정하고,
    상기 제1 및 제2 최대 유사도 추정값을 계산하는 단계에서, n=1,2,..,N 중 오름차순으로 배열된 신호 샘플값들이 잡음을 유지하는 소정의 구간에 대한 종료 시점 n0, 및 레이더 펄스가 존재하는 소정의 구간(n0+1 ~ N)에 대한 신호 샘플값들을 이용하여 계산된 상기 추정된 레이더 펄스값으로서
    Figure 112020126609594-pat00072
    를 이용하여 상기 제1 및 제2 최대 유사도 추정값을 계산하는 것을 특징으로 하는 레이더 신호 검출 방법.
  5. 검출장치에서 레이더 신호 검출 방법에 있어서,
    무선 RF 신호를 수신하여 복수의 관측창에 대하여 소정의 주기로 각각의 시간(n)에 신호 샘플링을 수행하여 신호 샘플값들 {r(n), (n=1,2,..,N)}을 추출하는 단계;
    신호 샘플값들의 제곱의 평균값과 연관된 제1 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00098
    , 및 상기 신호 샘플값들 중 레이더 펄스 유지 구간의 신호 샘플값들에 대하여 신호 샘플값과 추정된 레이더 펄스값의 차이의 제곱과, 상기 신호 샘플값들 중 잡음 유지 구간의 신호 샘플값들에 대하여 신호 샘플값과 추정된 잡음값의 차이의 제곱의 합에 대한 평균값과 연관된 제2 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00074
    을 계산하는 단계; 및
    제1 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00075
    및 제2 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00076
    을 이용하여, 각각의 관측창에 대한 검정 통계량 L을 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 신호 검출 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 최대 유사도 추정값을 계산하는 단계는, 다음의 수학식을 이용하되,
    Figure 112021036892027-pat00078

    Figure 112021036892027-pat00079

    Figure 112021036892027-pat00080

    Figure 112021036892027-pat00081

    여기서, n0와 n1는 각각 잡음 및 레이더 펄스 중 어느 하나씩을 유지한다고 여겨지는 소정의 각 구간의 종료 시점을 나타내고,
    Figure 112021036892027-pat00082
    와
    Figure 112021036892027-pat00083
    는 각각 잡음 및 레이더 펄스 중 어느 하나씩을 유지하는 소정의 각 구간의 신호 샘플값들을 이용하여 획득된 상기 추정된 잡음값 또는 추정된 레이더 펄스값인 것을 특징으로 하는 레이더 신호 검출 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 검정 통계량 L을 계산하는 단계는, 다음의 수학식
    Figure 112020126609594-pat00084

    을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이더 신호 검출 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 레이더 신호 검출 방법은,
    상기 복수의 관측창에 대한 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln)을 합산한 통합된 검정 통계량
    Figure 112021036892027-pat00099
    를 검파 임계값과 비교하여 상기 복수의 관측창 내에 레이더 신호가 존재하는 지 여부를 판별하거나,
    상기 복수의 관측창에 대한 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln) 중 미리 정한 수 k 이상 검파 임계값 보다 큰지 여부로 레이더 신호의 존재 여부를 판별하기 위한 것을 특징으로 하는 레이더 신호 검출 방법.
  9. 검출장치에서 레이더 신호 검출 방법에 있어서,
    무선 RF 신호를 수신하여 복수의 관측창에 대하여 소정의 주기로 각각의 시간(n)에 신호 샘플링을 수행하여 크기 순서로 배열한 신호 샘플값들 {r(n), (n=1,2,..,N)}을 추출하는 단계;
    신호 샘플값들의 제곱의 평균값과 연관된 제1 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00100
    , 및 상기 신호 샘플값들 중 레이더 펄스 유지 구간의 신호 샘플값들에 대하여 신호 샘플값과 추정된 레이더 펄스값의 차이의 제곱과, 상기 신호 샘플값들 중 잡음 유지 구간의 신호 샘플값들의 제곱의 합에 대한 평균값과 연관된 제2 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00101
    을 계산하는 단계; 및
    제1 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00102
    및 제2 최대 유사도 추정값
    Figure 112020126609594-pat00103
    을 이용하여, 각각의 관측창에 대한 검정 통계량 L을 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 최대 유사도 추정값을 계산하는 단계는, 다음의 수학식을 이용하되,
    Figure 112020126609594-pat00086

    Figure 112020126609594-pat00087

    Figure 112020126609594-pat00088

    여기서, n0는 n=1,2,..,N 중 오름차순으로 배열된 신호 샘플값들 {r1(n), (n=1,2,..,N)}이 잡음을 유지하는 소정의 구간에 대한 종료 시점이며,
    Figure 112020126609594-pat00089
    는 레이더 펄스가 존재하는 소정의 구간(n0+1 ~ N)에 대한 신호 샘플값들을 이용하여 획득된 추정된 레이더 펄스값인 것을 특징으로 하는 레이더 신호 검출 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 레이더 신호 검출 방법은,
    상기 복수의 관측창에 대한 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln)을 합산한 통합된 검정 통계량
    Figure 112021036892027-pat00104
    를 검파 임계값과 비교하여 상기 복수의 관측창 내에 레이더 신호가 존재하는 지 여부를 판별하거나,
    상기 복수의 관측창에 대한 각각의 검정 통계량(L1, L 2,..,Ln) 중 미리 정한 수 k 이상 검파 임계값 보다 큰지 여부로 레이더 신호의 존재 여부를 판별하기 위한 것을 특징으로 하는 레이더 신호 검출 방법.
KR1020190091971A 2019-07-29 2019-07-29 레이더 신호 검출 방법 KR102296923B1 (ko)

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