KR102311970B1 - Apparatus for tracking direction-of-arrival of received signal and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수신 신호의 도래각을 추적하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 어레이 안테나 시스템에 입사하는 신호원들의 도래각(direction-of-arrival, DOA)을 추적하는 기술적 사상에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for tracking the angle of arrival of a received signal, and more particularly, to a technical idea of tracking the direction-of-arrival (DOA) of signal sources incident on an array antenna system. will be.
안테나에 입사하는 신호의 도래각 추정(또는 추적)은 이동 통신, 수중 음파 탐지, 스마트 안테나, 레이다 등 여러 다양한 분야에서 활용되고 있다. Estimation (or tracking) of the angle of arrival of a signal incident on an antenna is used in various fields such as mobile communication, sonar, smart antenna, and radar.
이와 같은 신호의 도래각 추정 기법은 지난 수십년간 빔형성 기법과 부공간 기법을 중심으로 연구가 진행되어 왔으며, 이는 기존의 빔포밍 기법과는 다르게 고차원의 선형대수학적 기법을 적용하여 같은 상황 조건하에서 도래각 추정 해상도를 향상시킬 수 있다. Such methods of estimating the angle of arrival of signals have been studied for the past several decades, focusing on the beamforming method and the subspatial method. It is possible to improve the angle of arrival estimation resolution.
구체적으로, 도래각 추정 기법으로는 MUSIC(multiple signal classification), root-MUSIC, min-Norm, ESPRIT(estimation of signal parameter via rotational invariance technique) 등과 같은 다양한 기법들이 제안되어 왔으나, 이와 같은 부공간 기법은 신호 또는 잡음 부공간 형성을 위한 특이값 또는 고유치 분해과정으로 인하여 복잡도가 증가한다는 문제가 있다. Specifically, various techniques such as multiple signal classification (MUSIC), root-MUSIC, min-Norm, and estimation of signal parameter via rotational invariance technique (ESPRIT) have been proposed as an angle of arrival estimation technique. There is a problem in that complexity increases due to a singular value or eigenvalue decomposition process for forming a signal or noise subspace.
이에, 최근에는 연산의 복잡도를 개선하기 위해 효율적인 부공간(subspace) 기술과 기 공지된 추적 알고리즘을 결합한 도래각 추적 알고리즘이 연구되고 있다. Accordingly, recently, an angle of arrival tracking algorithm combining an efficient subspace technique and a known tracking algorithm has been studied in order to improve computational complexity.
상술한 도래각 추적 알고리즘으로서 PASTd(projection approximation subspace tracking based deation) 알고리즘과 칼만 필터링(kalman ltering) 기법이 결합된 새로운 알고리즘(이하, PASTd kalman)이 제안된 바 있다. As the above-mentioned angle of arrival tracking algorithm, a new algorithm (hereinafter, PASTd kalman) in which a projection approximation subspace tracking based deation (PASTd) algorithm and a Kalman filtering technique are combined has been proposed.
PASTd kalman은 RLS(recursive least square, 순환최소자승) 기법으로 ED와 SVD를 회피함으로써 부공간을 구성할 때 연산의 복잡도를 줄일 수 있었으나, 칼만 필터를 사용한다는 점에서 여전히 높은 복잡도를 요구한다는 문제가 있다. PASTd kalman was able to reduce the computational complexity when constructing subspaces by avoiding ED and SVD with RLS (recursive least squares) technique. have.
보다 최근에는 도래각 추적 알고리즘으로서 칼만 필터를 루엔버거 옵저버(luenberger observer)로 대체하는 새로운 알고리즘(이하, AMEND)이 제안된 바 있으나, AMEND는 부공간의 생성을 위해 상대적으로 복잡도가 높은 SUMWE(subspace-based method without eigendecomposition) 알고리즘을 적용하는 점에서, 여전히 적은 복잡도를 구현하지 못한다는 문제가 있다.More recently, a new algorithm (hereinafter referred to as AMEND) that replaces the Kalman filter with a luenberger observer as an angle of arrival tracking algorithm has been proposed. In terms of applying the -based method without eigendecomposition) algorithm, there is still a problem that low complexity cannot be implemented.
본 발명은 수신 신호의 신호 분해 가능 여부에 기초하여 적응적으로 도래각을 추정할 수 있는 도래각 추적 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for tracking an angle of arrival capable of adaptively estimating an angle of arrival based on whether a received signal can be resolved.
본 발명은 도래각의 추정 및 필터링을 위해 칼만 필터 대신 루엔버거 옵저버를 이용하여 매우 낮은 연산 복잡도를 구현할 수 있는 도래각 추적 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide an angle of arrival tracking apparatus and method capable of implementing very low computational complexity by using a Luenburger observer instead of a Kalman filter for estimating and filtering the angle of arrival.
본 발명은 루엔버거 옵저버에서 옵저버 이득을 최적화하여 추가적으로 성능을 개선할 수 있는 도래각 추적 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for tracking an angle of arrival that can further improve performance by optimizing an observer gain in a Luenburger observer.
일실시예에 따른 도래각 추적 장치는 임의의 시간 nT(여기서 n은 임의의 정수, T는 기설정된 값의 주기)에 수신되는 수신 신호로부터 추정 상태 벡터를 산출하고, 산출된 추정 상태 벡터를 통해 추정 도래각을 결정하는 초기 도래각 결정부와, 임의의 시간 nT에 대응되는 예측 상태 벡터를 통해 예측 도래각을 결정하는 예측 도래각 결정부 및 결정된 예측 도래각에 기초하여 수신 신호의 분해 가능 여부를 판단하고, 판단 결과에 기초하여 추정 도래각을 재결정하는 도래각 재결정부를 포함할 수 있다. The apparatus for tracking an angle of arrival according to an embodiment calculates an estimated state vector from a received signal received at an arbitrary time nT (where n is an arbitrary integer and T is a period of a preset value), and through the calculated estimated state vector An initial angle of arrival determiner that determines the estimated angle of arrival, a predicted angle of arrival determiner that determines a predicted angle of arrival through a predicted state vector corresponding to an arbitrary time nT, and whether the received signal can be decomposed based on the determined predicted angle of arrival and a recrystallization unit for determining the angle of arrival and recrystallizing the estimated angle of arrival based on the determination result.
일측에 따르면, 수신 신호는 기설정된 간격으로 배치된 복수의 수신 안테나들이 임의의 시간 nT에 적어도 하나의 신호원으로부터 수신하는 신호일 수 있다.According to one side, the reception signal may be a signal received from at least one signal source at an arbitrary time nT by a plurality of reception antennas disposed at a predetermined interval.
일측에 따르면, 초기 도래각 산출부는 MUSIC(multiple signal classification) 알고리즘, ESPRIT(estimation of signal parameter via rotational invariance techniques) 알고리즘 및 DSPCM(direct signal space construction method) 알고리즘 중 적어도 하나의 부공간(subspace) 기반의 기법 또는 빔포밍 기법에 기초하여 추정 상태 벡터를 산출할 수 있다. According to one side, the initial angle of arrival calculation unit is based on at least one subspace of a multiple signal classification (MUSIC) algorithm, an estimation of signal parameter via rotational invariance techniques (ESPRIT) algorithm, and a direct signal space construction method (DSPCM) algorithm. The estimated state vector may be calculated based on the technique or the beamforming technique.
일측에 따르면, 임의의 시간 nT에 대응되는 예측 상태 벡터는 이전 시간 (n-1)T의 시점에서 임의의 시간 nT에 수신될 것으로 예상되는 수신 예측 신호에 기초하여 산출하는 벡터일 수 있다. According to one side, the prediction state vector corresponding to the arbitrary time nT may be a vector calculated based on the received prediction signal expected to be received at the arbitrary time nT at the time of the previous time (n-1)T.
일측에 따르면, 예측 도래각 결정부는 초기 도래각 결정부를 통해 산출된 이전 시간 (n-1)T에 대응되는 추정 상태 벡터에 기설정된 동적 행렬(dynamic matrix)을 곱하여 예측 상태 벡터를 산출할 수 있다. According to one side, the predicted angle of arrival determiner may calculate the predicted state vector by multiplying the estimated state vector corresponding to the previous time (n-1)T calculated through the initial angle of arrival determiner by a preset dynamic matrix. .
일측에 따르면, 예측 도래각 결정부는 기설정된 값의 주기(T)가 반복될 때마다 다음 주기에 대응되는 예측 상태 벡터를 산출할 수 있다. According to one side, the predicted angle of arrival determiner may calculate the predicted state vector corresponding to the next period whenever the period T of the preset value is repeated.
일측에 따르면, 예측 도래각 결정부는 복수의 신호들 각각에 대응되는 복수의 예측 도래각을 결정하고, 복수의 예측 도래각간의 거리를 산출할 수 있다. According to one side, the predicted angle of arrival determiner may determine a plurality of predicted angles of arrival corresponding to each of the plurality of signals, and may calculate distances between the plurality of predicted angles of arrival.
일측에 따르면, 도래각 재결정부는 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리를 기설정된 임계값과 비교하고, 비교 결과에 기초하여 수신 신호의 분해 가능 여부를 판단할 수 있다. According to one side, the angle of arrival recrystallization unit may compare the calculated distances between the plurality of predicted angles of arrival with a preset threshold value, and determine whether the received signal can be decomposed based on the comparison result.
일측에 따르면, 도래각 재결정부는 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리가 기설정된 임계값 보다 작으면 수신 신호의 분해가 불가능한 것으로 판단하여, 임의의 시간 nT 이전에 결정된 p개(여기서, p는 n 보다 작은 정수)의 이전 추정 도래각에 기반한 QLS 회귀(quadratic least square regression)를 통해 추정 상태 벡터를 재산출하고, 재산출된 추정 상태 벡터를 통해 추정 도래각을 재결정할 수 있다. According to one side, the angle of arrival recrystallization unit determines that the decomposition of the received signal is impossible when the distance between the calculated plurality of predicted angles of arrival is less than a preset threshold value, and determines that the received signal cannot be decomposed, and p determined before an arbitrary time nT (where p is n). The estimated state vector may be recalculated through QLS regression (quadratic least square regression) based on the previously estimated angle of arrival of a smaller integer), and the estimated angle of arrival may be re-determined through the recalculated estimated state vector.
일측에 따르면, 도래각 재결정부는 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리가 기설정된 임계값 보다 크면 수신 신호의 분해가 가능한 것으로 판단하여, 루엔버거 옵저버(luenberger observer)를 통해 추정 상태 벡터를 재산출하고, 재산출된 추정 상태 벡터를 통해 추정 도래각을 재결정할 수 있다. According to one side, the angle of arrival recrystallization unit determines that the decomposition of the received signal is possible when the distance between the calculated plurality of predicted angles of arrival is greater than a preset threshold value, and recalculates the estimated state vector through the luenberger observer. , the estimated angle of arrival can be re-determined through the recalculated estimated state vector.
일측에 따르면, 도래각 재결정부는 k번째(여기서, k는 양의 정수) 수신 안테나에 대응되는 도래각의 평균 제곱근 오차(Root-Mean-Square-Error; RMSEk)를 연산하고, 연산된 RMSEk의 값을 최소가 되게 하는 제1 내지 제3 요소 파라미터 값을 결정하며, 결정된 제1 내지 제3 요소 파라미터 값의 연산을 통해 루엔버거 옵저버에 따른 옵저버 이득(observer gain)을 최적화할 수 있다. According to one side, the angle of arrival recrystallization unit calculates the root-mean-square-error (RMSE k ) of the angle of arrival corresponding to the k-th (here, k is a positive integer) receiving antenna, and the calculated RMSE k It is possible to determine first to third element parameter values that minimize the value of , and optimize an observer gain according to the Luenburger observer through calculation of the determined first to third element parameter values.
일실시예에 따른 도래각 추적 방법은 예측 도래각 결정부에서, 임의의 시간 nT(여기서 n은 임의의 정수, T는 기설정된 값의 주기)에 대응되는 예측 상태 벡터를 통해 예측 도래각을 결정하는 단계와, 초기 도래각 결정부에서, 임의의 시간 nT에 수신되는 수신 신호로부터 추정 상태 벡터를 산출하고, 산출된 추정 상태 벡터를 통해 추정 도래각을 결정하는 단계 및 도래각 재결정부에서, 결정된 예측 도래각에 기초하여 수신 신호의 분해 가능 여부를 판단하고, 판단 결과에 기초하여 추정 도래각을 재결정하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of tracking the angle of arrival according to an embodiment, the predicted angle of arrival is determined by the predicted angle of arrival determining unit through a predicted state vector corresponding to a predetermined time nT (where n is an arbitrary integer and T is a period of a preset value) calculating an estimated state vector from the received signal received at an arbitrary time nT in the initial angle of arrival determining unit, determining the estimated angle of arrival through the calculated estimated state vector, and in the angle of arrival recrystallization unit, the determined The method may include determining whether the received signal can be decomposed based on the predicted angle of arrival and recrystallizing the estimated angle of arrival based on the determination result.
일실시예에 따르면, 수신 신호의 신호 분해 가능 여부에 기초하여 적응적으로 도래각을 추정할 수 있다. According to an embodiment, the angle of arrival may be adaptively estimated based on whether the received signal can be decomposed.
일실시예에 따르면, 도래각의 추정 및 필터링을 위해 칼만 필터 대신 루엔버거 옵저버를 이용하여 매우 낮은 연산 복잡도를 구현할 수 있다.According to an embodiment, very low computational complexity may be implemented by using the Luenburger observer instead of the Kalman filter for estimating and filtering the angle of arrival.
일실시예에 따르면, 루엔버거 옵저버에서 옵저버 이득을 최적화하여 추가적으로 성능을 개선할 수 있다.According to an embodiment, the performance may be further improved by optimizing the observer gain in the Luenburger observer.
도 1은 일실시예에 따른 도래각 추적 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 일실시예에 따른 도래각 추적 장치에서 옵저버 이득을 최적화하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 일실시예에 따른 도래각 추적 장치와 기존의 추정 알고리즘 간의 도래각 추정 성능의 비교 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 도래각 추적 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining an apparatus for tracking an angle of arrival according to an embodiment.
2A to 2C are diagrams for explaining an example of optimizing an observer gain in an apparatus for tracking an angle of arrival according to an embodiment.
3A to 3D are diagrams for explaining a comparison result of the angle of arrival estimation performance between the apparatus for tracking the angle of arrival according to an exemplary embodiment and a conventional estimation algorithm.
4 is a view for explaining a method of tracking an angle of arrival according to an exemplary embodiment.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the concept of the present invention disclosed herein are only exemplified for the purpose of explaining the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiment according to the concept of the present invention These may be embodied in various forms and are not limited to the embodiments described herein.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Since the embodiments according to the concept of the present invention may have various changes and may have various forms, the embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosed forms, and includes changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one element from another element, for example, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, a first element may be named as a second element, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it is understood that the other component may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that no other element is present in the middle. Expressions describing the relationship between elements, for example, “between” and “between” or “directly adjacent to”, etc. should be interpreted similarly.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is used only to describe specific embodiments, and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, and includes one or more other features or numbers, It should be understood that the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts or combinations thereof is not precluded in advance.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present specification. does not
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the patent application is not limited or limited by these examples. Like reference numerals in each figure indicate like elements.
도 1은 일실시예에 따른 도래각 추적 장치를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining an apparatus for tracking an angle of arrival according to an embodiment.
이하에서는, 행렬 A의 켤레행렬(complex conjugation matrix)은 으로 표기하고, 행렬 A의 전치행렬(transpose matrix)은 으로 표기하며, 행렬 A의 에르미트 전치행렬(Hermitian transpose matrix 혹은 conjugate transpose matrix)은 로 표기하고, M x N 영행렬(zero matrix)은 으로 표기하며, N x N 항등행렬(identity matrix)은 으로 표기하기로 한다. In the following, the complex conjugation matrix of matrix A is , and the transpose matrix of matrix A is and the Hermitian transpose matrix (or conjugate transpose matrix) of matrix A is denoted as , and the M x N zero matrix is It is denoted as , and the N x N identity matrix is to be denoted as
또한, 일실시예에 따른 도래각 추적 장치는 간격이 d인 N개(여기서, d는 양의 실수, N은 2이상의 양의 정수)의 수신 안테나(센서 요소)를 포함하는 등간격 선형 어레이(Uniform Linear Array) 안테나 시스템에 적용되어 각 수신 안테나에서의 도래각을 추정하는 장치일 수 있다. In addition, the angle-of-arrival tracking apparatus according to an embodiment is an equally spaced linear array ( It may be a device applied to a Uniform Linear Array) antenna system to estimate an angle of arrival at each reception antenna.
구체적으로, 파장이 인 K개(단, K는 양의 정수)의 원거리 신호 가 서로 다른 각도 에서 선형어레이에 도달한다고 가정할 수 있다. 그리고, 선형어레이를 구성하는 N개의 수신 안테나 각각에 수신 신호는 로 표기할 수 있다. Specifically, the wavelength K distant signals (where K is a positive integer) are different angles It can be assumed that a linear array is reached at And, the reception signal to each of the N reception antennas constituting the linear array is can be denoted as
이 때, 스티어링 벡터(steering vector)(단, 여기서 ) 를 정의하면 수신 신호는 하기 수학식1과 같이 주어질 수 있다.At this time, the steering vector (steering vector) (However, here ), the received signal can be given as in
[수학식1][Equation 1]
여기서, 이고, 이며, 이고, 는 수신 안테나 각각에 대응되는 노이즈(noise)를 성분으로 하는 벡터를 나타낸다. here, ego, is, ego, denotes a vector having noise corresponding to each reception antenna as a component.
예를 들면, 안테나 시스템에서 기설정된 파장 은 선험적으로 알려져 있는 값으로 설정될 수 있고, 수신 안테나 간의 간격 d는 /2로 설정될 수 있다. 또한 충돌 신호의 수(number of impinging signals) K 역시 기존의 방법으로 설정될 수 있다. For example, a preset wavelength in the antenna system can be set to a value known a priori, and the spacing d between receiving antennas is It can be set to /2. In addition, the number of impinging signals, K, may also be set by the conventional method.
벡터 및 는 하기의 수학식2의 조건을 만족하는 확률벡터(random vector)일 수 있다. 평균적으로 제로(zero, '0')를 만족하며, 하기 수학식2의 조건을 만족하도록 설정될 수 있다. vector and may be a random vector satisfying the condition of
[수학식2] [Equation 2]
E[s(t)] = O Kx1 , E[n(t)] = O Kx1, E [ s (t)] = O Kx1 , E [ n (t)] = O Kx1 ,
여기서, 는 크로네커 델타 함수를 나타내고, P는 대각선 원소의 값으로 음아닌 실수 값 를 갖는 대각 행렬(diagonal matrix)을 나타내며, 는 수신 안테나에 더해지는 노이즈의 세기를 나타내는 값으로 관측을 통해 그 추정값을 얻어낼 수도 있다. here, denotes the Kronecker delta function, and P is the value of the diagonal element, a nonnegative real value. Represents a diagonal matrix with is a value indicating the intensity of noise added to the receiving antenna, and the estimated value may be obtained through observation.
한편, 일실시예에 따른 도래각 추적 장치는 복수의 수신 안테나에서 관측되는 신호들을 이용하여 시간 t = ..., 0, T, 2T, 3T, ..., nT (여기서, n은 정수, T는 양의 실수)에서의 각도 추정치(angle estimates)를 얻어 냄으로써 신호원들의 경로를 추적해 나갈 수 있다. Meanwhile, the angle-of-arrival tracking apparatus according to an embodiment uses signals observed from a plurality of reception antennas for time t = ..., 0, T, 2T, 3T, ..., nT (where n is an integer, T can be traced the path of the signal sources by taking angle estimates in a positive real number.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 도래각 추적 장치(100)는 수신 신호의 신호 분해 가능 여부에 기초하여 적응적으로 도래각을 추정할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the
또한, 도래각의 추정 및 필터링을 위해 칼만 필터(kalman filter) 대신 루엔버거 옵저버(luenberger observer)를 이용하여 매우 낮은 연산 복잡도를 구현할 수 있다. In addition, very low computational complexity may be implemented by using a luenberger observer instead of a kalman filter for estimating and filtering the angle of arrival.
또한, 도래각 추적 장치(100)는 지연에 따른 움직임 보정을 통해 성능을 개선할 수 있다. Also, the
또한, 도래각 추적 장치(100)는 루엔버거 옵저버에서 옵저버 이득(observer gain)을 최적화하여 추가적으로 성능을 개선할 수 있다.Also, the angle of
이를 위해, 일실시예에 따른 도래각 추적 장치(100)는 초기 도래각 결정부(110), 예측 도래각 결정부(120) 및 도래각 재결정부(130)를 포함할 수 있다. To this end, the angle of
이하에서는, 임의의 시간 t = nT(여기서 n은 임의의 정수, T는 기설정된 값의 주기)에서 실제 도래각 에 대한 추정 상태 벡터를 로 표기하고, 추정 상태 벡터 를 통해 결정되는 추정 도래각은 으로 표기하며, 임의의 시간 t = nT에 대응되는 예측 상태 벡터를 로 표기하고, 예측 상태 벡터 를 통해 결정되는 예측 도래각은 으로 표기하기로 한다.Hereinafter, the actual angle of arrival at an arbitrary time t = nT (where n is an arbitrary integer and T is a period of a predetermined value) the estimated state vector for denoted as , and the estimated state vector The estimated angle of arrival determined through denoted as , and a predicted state vector corresponding to an arbitrary time t = nT denoted by , and the predicted state vector The predicted angle of arrival determined through to be denoted as
구체적으로, 일실시예에 따른 초기 도래각 결정부(110)는 임의의 시간 nT에 수신되는 수신 신호로부터 추정 상태 벡터()를 산출하고, 산출된 추정 상태 벡터()를 통해 추정 도래각()을 결정할 수 있다.Specifically, the initial angle of
일측에 따르면, 추정 상태 벡터()의 첫번째 요소(first component)는 도래각을 나타내고, 두번째 요소(second component)는 도래각 속도를 나타내며, 세번째 요소(third component)는 도래각 가속도를 나타낼 수 있다. According to one side, the estimated state vector ( ), a first component may indicate an angle of arrival, a second component may indicate a velocity of an angle of arrival, and a third component may indicate an acceleration of the angle of arrival.
다시 말해, 초기 도래각 결정부(110)는 추정 상태 벡터()를 산출하여, 산출된 추정 상태 벡터()의 첫번째 요소로부터 추정 도래각()을 결정할 수 있다.In other words, the initial angle of
또한, 수신 신호는 기설정된 간격으로 배치된 복수의 수신 안테나들이 임의의 시간 nT에 적어도 하나의 신호원으로부터 수신하는 신호일 수 있다.In addition, the reception signal may be a signal received from at least one signal source at an arbitrary time nT by a plurality of reception antennas disposed at a predetermined interval.
일측에 따르면, 초기 도래각 산출부(110)는 MUSIC(multiple signal classification) 알고리즘, ESPRIT(estimation of signal parameter via rotational invariance techniques) 알고리즘 및 DSPCM(direct signal space construction method) 알고리즘 중 적어도 하나의 부공간(subspace) 기반의 기법 또는 빔포빙 기법에 기초하여 추정 상태 벡터()를 산출할 수 있다.According to one side, the initial angle of
다시 말해, 초기 도래각 산출부(110)는 MUSIC 알고리즘, ESPRIT 알고리즘, ESPRIT 알고리즘 및 DSPCM과 같은 부공간 기반의 기법이나 빔포빙 기법 등 주어진 상황에 가장 적합하다고 여겨지는 도래각 추정 기법에 기초하여 추정 상태 벡터()를 산출할 수 있다.In other words, the initial angle of
보다 구체적으로, 초기 도래각 산출부(110)는 현재 시간 t = 0인 경우, 적절한 도래각 추정 기법을 통해 에 대한 시간 t = -2T, t = -T 및 t = 0에서의 실제 도래각 , 및 의 추정치 , 및 을 획득할 수 있다. More specifically, when the current time t = 0, the initial angle of
보다 구체적인 예를 들면, 초기 도래각 산출부(110)는 임의의 시간 t = 0에서, 추정 상태 벡터 를 하기 수학식3을 통해 산출할 수도 있다. As a more specific example, the initial angle of
[수학식3][Equation 3]
여기서, 초기 추정 상태 벡터 의 세번째 요소는 기공지된 알고리즘인 AMEND 및 PASTd Kalman와 같이 '0'으로 설정될 수 있다. Here, the initial estimated state vector The third element of can be set to '0' as in the well-known algorithms AMEND and PASTd Kalman.
일실시예에 따른 예측 도래각 결정부(120)는 임의의 시간 nT에 대응되는 예측 상태 벡터()를 통해 예측 도래각()을 결정할 수 있다. The predicted angle of
일측에 따르면, 임의의 시간 nT에 대응되는 예측 상태 벡터()는 이전 시간 (n-1)T의 시점에서 임의의 시간 nT에 수신될 것으로 예상되는 수신 예측 신호에 기초하여 산출하는 벡터일 수 있다. According to one side, the predicted state vector ( ) may be a vector calculated based on a reception prediction signal expected to be received at an arbitrary time nT at the time of the previous time (n-1)T.
또한, 도래각 결정부(120)는 산출된 예측 상태 벡터()의 첫번째 요소로부터 예측 도래각()을 결정할 수 있다. In addition, the angle of
일측에 따르면, 예측 도래각 결정부(120)는 초기 도래각 결정부(110)를 통해 산출된 이전 시간 (n-1)T에 대응되는 추정 상태 벡터()에 기설정된 동적 행렬(dynamic matrix)이라 불리는 행렬 F를 곱하여 예측 상태 벡터()를 산출할 수 있다.According to one side, the predicted angle of
다시 말해, 초기 도래각 결정부(110)는 이전 시간 (n-1)T에서 이전 시간 (n-1)T에 대응되는 추정 상태 벡터()를 산출할 수 있고, 예측 도래각 결정부(120)는 이전 시간 (n-1)T에 대응되는 추정 상태 벡터()를 이용하여 예측 상태 벡터()를 산출할 수 있다.In other words, the initial angle of
보다 구체적으로, 예측 도래각 결정부(120)는 하기 수학식4를 통해 예측 상태 벡터()를 산출할 수 있으며, 이때 동적 행렬 F는 하기 수학식5와 같이 설정될 수 있다.More specifically, the predicted angle of
[수학식4][Equation 4]
[수학식5][Equation 5]
여기서, 예측 상태 벡터()의 첫번째 요소, 두번째 요소 및 세번째 요소 각각은 , 및 에 대한 예측 값을 의미하고, 는 임의의 시간 nT에서의 실제의 도래각, 는 임의의 시간 nT에서의 실제 도래각의 1차 미분 값, 는 임의의 시간 nT에서의 실제 도래각의 2차 미분 값을 의미할 수 있다. Here, the predicted state vector ( ), the first element, the second element, and the third element are each , and means the predicted value for is the actual angle of arrival at any time nT, is the first derivative of the actual angle of arrival at any time nT, may mean a second derivative value of the actual angle of arrival at an arbitrary time nT.
일측에 따르면, 예측 도래각 결정부(120)는 기설정된 값의 주기(T)가 반복될 때마다 다음 주기에 대응되는 예측 상태 벡터를 산출할 수 있다. According to one side, the predicted angle of
다시 말해, 예측 도래각 결정부(120)는 시간 t = 0, T, 2T, 3T, ..., nT 각각에서 다음 주기인 t+1 = T, 2T, 3T, 4T, ..., (n+1)T 각각에 대응되는 예측 상태 벡터를 산출할 수 있다. In other words, the predicted angle of
일측에 따르면, 예측 도래각 결정부(120)는 복수의 신호들 각각에 대응되는 복수의 예측 도래각을 결정하고, 복수의 예측 도래각간의 거리()를 산출할 수 있다.According to one side, the predicted angle of
보다 구체적으로, 복수의 예측 도래각간의 거리()는 하기 수학식6을 통해 도출될 수 있으며, 여기서, 을 만족하는 실수 값일 수 있다.More specifically, the distance between the plurality of predicted angles of arrival ( ) can be derived through Equation 6 below, where It may be a real value that satisfies .
[수학식6][Equation 6]
일실시예에 따른 도래각 재결정부(130)는 예측 도래각 결정부(120)를 통해 결정된 예측 도래각()에 기초하여 수신 신호들의 분해 가능 여부를 판단하고, 판단 결과에 기초하여 추정 도래각()을 재결정할 수 있다. 즉, 둘 이상의 도래각 간의 거리()가 지나치게 가까워져 관측 분해능 범위 밖으로 벗어날 경우 발생할 수 있는 성능 저하를 방지하기 위하여, 도래각 간의 거리()가 특정 수치 미만으로 작아질 경우 도래각 재결정부(130)가 추정 도래각을 재설정함으로써 도래각 추정 성능을 향상시킬 수도 있다.The angle of
일실시예에 따른 도래각 재결정부(130)는 수신 신호가 관측되는 시각들과 도래각(또는 위치)을 추정하려는 시각 간의 차잇값에 해당하는 실효지연시간을 산출하고, 산출된 실효지연시간 동안 발생되는 도래각의 변화량을 추정한 후, 추정된 도래각의 변화량에 기초하는 움직임 보정을 통해 산출되는 움직임 보정된 도래각()을 이용하여 추정 도래각을 재결정할 수도 있다.The angle of
다시 말해, 도래각 재결정부(130)는 실효지연시간 동안 일어나는 도래각(또는 위치)의 변화량을 추정한 후, 이 추정값만큼을 관측값들로부터 추정 또는 예측해 낸 도래각(또는 위치) 값에 보정해 줌으로써 추정 도래각을 재결정할 수 있다.In other words, the angle of
일측에 따르면, 도래각 재결정부(130)는 움직임 보정된 도래각()과 임의의 시간 nT에 대응되는 예측 상태 벡터()에 기초하여 추정 도래각을 재결정할 수 있다.According to one side, the angle of
일측에 따르면, 도래각 재결정부(130)는 수신 신호의 분해 가능 여부를 판단하고, 수신 신호의 분해가 가능한 것으로 판단하면 루엔버거 옵저버에 기반하는 움직임 보정을 통해 추정 상태 벡터()를 재산출할 수 있다.According to one side, the angle of
구체적으로, 도래각 재결정부(130)는 예측 도래각 결정부(120)를 통해 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리()를 기설정된 임계값과 비교하고, 비교 결과에 기초하여 수신 신호의 분해 가능 여부를 판단할 수 있다. Specifically, the angle of
보다 구체적으로, 도래각 재결정부(130)는 수학식6을 통해 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리() 값 중 및 의 조건을 만족하면서 최소 값을 갖는 거리() 값을 기설정된 임계값과 비교하여 수신 신호의 분해 가능 여부를 판단할 수 있다. More specifically, the angle of
일측에 따르면, 도래각 재결정부(130)는 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리()가 기설정된 임계값 보다 작으면 수신 신호의 분해가 불가능한 것으로 판단하여, 임의의 시간 nT 이전에 결정된 p개(여기서, p는 양의 정수)의 이전 추정 도래각(, 여기서 )에 기반한 QLS 회귀(quadratic least square regression)를 통해 추정 상태 벡터()를 재산출하고, 재산출된 추정 상태 벡터()를 통해 추정 도래각()을 재결정할 수 있다. According to one side, the angle of
보다 구체적으로, 도래각 재결정부(130)는 수신 신호의 분해가 불가능한 것으로 판단되면, 이전 p개의 실제 도래각 값들이 하기 수학식7을 만족한다고 가정하고, QLS 회기에 이전 p개의 추정 도래각 , 을 활용하여 하기 수학식8과 같이 상수 a, b, 및 c를 결정할 수 있다.More specifically, if the angle of
[수학식7][Equation 7]
[수학식8][Equation 8]
수학식8을 통해 상수 a, b 및 c가 산출되면, 도래각 재결정부(130)는 추정 상태 벡터()를 하기 수학식9를 통해 재산출할 수 있다. When the constants a , b and c are calculated through Equation 8, the angle of
[수학식9][Equation 9]
여기서, 재산출된 추정 상태 벡터()의 두번째 성분 및 세번째 성분은 m = n인 조건에서 수학식7의 1차 미분과 2차 미분을 통해 산출될 수 있다. Here, the recalculated estimated state vector ( ) and the third component may be calculated through the first and second differentiation of Equation 7 under the condition that m = n.
일측에 따르면, 도래각 재결정부(130)는 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리가 기설정된 임계값 보다 크면 수신 신호의 분해가 가능한 것으로 판단하여, 루엔버거 옵저버(luenberger observer)를 통해 추정 상태 벡터()를 재산출하고, 재산출된 추정 상태 벡터()를 통해 추정 도래각()을 재결정할 수 있다. According to one side, the angle of
일측에 따르면, 도래각 재결정부(130)는 루엔버거 옵저버에 따른 옵저버 이득(observer gain, )과 움직임 보정된 도래각() 및 임의의 시간 nT에 대응되는 예측 상태 벡터()를 연산하여 추정 상태 벡터()를 재산출할 수 있다. According to one side, the angle of
보다 구체적으로, 예측 도래각 결정부(120)에서는 (n-1)T 내지 nT의 시간 구간에서 수집된 수신 신호를 고려하지 않고, 이전 시간 (n-1)T에 대응되는 추정 상태 벡터()에 기설정된 동적 행렬 F를 곱하는 동작으로만 예측 상태 벡터()를 산출하였으나, 도래각 재결정부(130)에서는 (n-1)T 내지 nT의 시간 구간에서 수집된 수신 신호를 고려하여 추정 도래각()을 재결정(update)할 수 있다. More specifically, the predicted angle of
보다 구체적인 예를 들면, 도래각 재결정부(130)는 하기 수학식10을 통해 추정 도래각()을 재결정할 수 있다.As a more specific example, the angle of
[수학식10][Equation 10]
여기서, 옵저버 이득()은 3차원 열벡터(3-dimensional column vector)일 수 있고, 움직임 보정된 도래각()은 특정 알고리즘에 의해 얻어지는 임의의 시간 nT에 대응되는 도래각의 추정치일 수 있다. Here, the observer gain ( ) may be a 3-dimensional column vector, and the motion-corrected angle of arrival ( ) may be an estimate of the angle of arrival corresponding to any time nT obtained by a specific algorithm.
이하에서는, 움직임 보정된 도래각()을 산출하는 알고리즘을 DCDSPCMNE(delay comensated direct signal space construction method newton estimation)이라 명명하기로 한다. In the following, the motion-corrected angle of arrival ( ) will be named DCDSPCMNE (delay comensated direct signal space construction method newton estimation).
일측에 따르면, 움직임 보정된 도래각()은 뉴턴의 방법(Newton's method)을 통해 산출되는 도래각()에서 지연 시간에 따른 움직임 보정하여 산출될 수 있다. According to one side, the motion-corrected angle of arrival ( ) is the angle of arrival ( ) can be calculated by correcting the motion according to the delay time.
다시 말해, 도래각 재결정부(130)는 뉴턴의 방법에 기반하는 알고리즘을 이용하여 임의의 시간 nT에 대응되는 도래각()을 산출하고, 뉴턴의 방법을 통해 산출되는 도래각()에 대하여 지연 시간에 따른 움직임의 변화를 추적 및 보정함으로써 움직임 보정된 도래각()을 산출할 수 있다. In other words, the angle of
일측에 따르면, 뉴턴의 방법을 통해 산출되는 도래각()은 임의의 시간 nT에 대응되는 예측 도래각()과 수신 신호에 대응되는 잡음 부공간의 직교정사영 행렬()을 연산하여 산출될 수 있다.According to one side, the angle of arrival ( ) is the predicted angle of arrival ( ) and the orthogonal projection matrix of the noise subspace corresponding to the received signal ( ) can be calculated.
이하에서는, 뉴턴의 방법에 기반하는 알고리즘을 DSPCMNE(direct signal space construction method newton estimation)이라 명명하기로 한다. Hereinafter, an algorithm based on Newton's method will be referred to as direct signal space construction method newton estimation (DSPCMNE).
구체적으로, DSPCMNE는 하기 수학식11을 통해 비용 함수()가 최소가 되는 지점을 추정할 수 있다. Specifically, DSPCMNE is a cost function ( ) can be estimated at the point at which it is minimized.
[수학식11] [Equation 11]
여기서, 는 잡음 부공간의 직교정사영 행렬을 의미하고, 는 각도 에 대한 스티어링 벡터를 의미할 수 있다. here, is the orthogonal projection matrix of the noise subspace, is the angle may mean a steering vector for .
또한, DSPCMNE는 수학식11의 비용 함수()에 대하여 뉴턴 반복 법(Newton's iteration method)에 기반한 제로 서치(zero search)를 수행하여 뉴턴의 방법을 통해 재정의된 각도 를 산출할 수 있다.In addition, DSPCMNE is the cost function ( ), the angle redefined through Newton's method by performing a zero search based on Newton's iteration method. can be calculated.
보다 구체적으로, 재정의된 각도 는 하기 수학식12를 통해 산출될 수 있다. More specifically, the overridden angle can be calculated through Equation 12 below.
[수학식12][Equation 12]
여기서, 는 의 실수부분(real part)을 나타내고, 각도 는 비용 함수의 미분 값()에 대한 제로 서치에 따른 대략적인 추정(coarse estimate) 값을 나타낸다. here, Is represents the real part of is the derivative of the cost function ( ) represents a coarse estimate value according to the zero search.
또한, 수학식12에서 분모의 첫번째 항은 으로 인해 무시될 수 있으며, 분모의 첫번째 항이 무시되므로, 뉴턴의 방법을 통해 산출되는 도래각()은 하기 수학식13을 통해 산출될 수 있다. Also, in Equation 12, the first term of the denominator is can be neglected due to , and since the first term in the denominator is ignored, the angle of arrival ( ) can be calculated through Equation 13 below.
[수학식13][Equation 13]
또한, 수학식13에서 및 는 하기 수학식14를 통해 정의되는 벡터일 수 있다. Also, in Equation 13 and may be a vector defined through Equation 14 below.
[수학식14] [Equation 14]
또한, 수학식13에서 행렬 는 프로파게이터(propagator)의 추정값으로서 하기 수학식15를 통해 산출될 수 있다. Also, in Equation 13, the matrix is an estimated value of a propagator and may be calculated through
[수학식15][Equation 15]
여기서, 은 L×L 크기의 단위행렬(Identity matrix)을 의미하고, 는 LХ1 크기의 정규 직교 벡터들(othonomal vectors)을 의미할 수 있으며, 하기 수학식15-1 및 수학식15-2로부터 얻어지는 신호 벡터에 그람-슈미트 과정(Gram-Schmidt Process)을 적용하여 구할 수도 있다. here, denotes an identity matrix of L × L size, may mean orthonormal vectors of LХ1 size, and may be obtained by applying the Gram-Schmidt Process to the signal vector obtained from Equations 15-1 and 15-2 below. have.
[수학식15-1][Equation 15-1]
, m=1, 2, 3, ..., M-1 , m=1, 2, 3, ..., M-1
[수학식15-2][Equation 15-2]
, m=M, M+1, ..., N , m=M, M+1, ..., N
여기서, M은 N을 넘지 않는 2이상의 양의 정수를, 는 신호 벡터의 추정치를, (0 < < 1)는 forgetting factor를 의미할 수 있다. Here, M is a positive integer of 2 or more that does not exceed N, is the estimate of the signal vector, (0 < < 1) may mean a forgetting factor.
일측에 따르면, 움직임 보정된 도래각()은 뉴턴의 방법을 통해 산출되는 도래각()과, 이전 시간 (n-1)T에 대응되는 추정 상태 벡터() 및 기설정된 값의 주기(T) 내에 얻어지는 총 데이터의 수 (Ns)를 연산하여 산출될 수 있다. According to one side, the motion-corrected angle of arrival ( ) is the angle of arrival ( ) and the estimated state vector corresponding to the previous time (n-1)T( ) and the total number of data (Ns) obtained within the period (T) of the preset value.
구체적으로, 잡음 부공간의 직교정사영 행렬()은 (n-1)T와 nT사이의 시간 구간(time interval) 동안 수집된 데이터를 이용하여 획득될 수 있다. 따라서 뉴턴의 방법을 통해 산출되는 도래각()은 시간 t = nT에서의 도래각의 추정치라기 보다는 시간 (n-1)T와 nT사이의 어느 순간의 도래각의 추정치라 볼 수 있다.Specifically, the orthogonal projection matrix of the noise subspace ( ) may be obtained using data collected during a time interval between (n-1)T and nT. Therefore, the angle of arrival calculated through Newton's method ( ) can be viewed as an estimate of the angle of arrival at any instant between time (n-1)T and nT rather than an estimate of the angle of arrival at time t = nT.
이에, 일실시예에 따른 도래각 재결정부(130)는 를 특정 시간 t = (n-)T(여기서 는 실효 지연률)에서의 도래각의 추정치로 간주하고, 실효지연시간 T 동안의 움직임을 보정함으로써 움직임 보정된 도래각()을 산출할 수 있다. Accordingly, the angle of
보다 구체적으로, 각속도가 시간 (n-1)T과 nT 사이의 구간 동안 변하지 않는다고 가정하면 시간 t = (n-1)T와 시간 nT의 시간 구간에서의 각도 변화는 하기 수학식16를 통해 도출할 수 있다.More specifically, assuming that the angular velocity does not change during the interval between time (n-1)T and nT, the angular change in the time interval of time t = (n-1)T and time nT is derived through Equation 16 below can do.
[수학식16][Equation 16]
또한, 움직임 보정된 도래각()은 수학식16에 기초하는 하기 수학식17을 통해 산출할 수 있다. Also, the motion-corrected angle of arrival ( ) can be calculated through Equation 17 below based on Equation 16.
[수학식17][Equation 17]
수학식 17은 루엔버거 추정기법을 이용한 한 실시예에 대하여 어떻게 움직임 보정을 할 수 있는지를 나타내 주는 수식이다. 그러나, 이 식은 적절히 해석하면 칼만필터를 포함한 기타의 기법을 이용하여 도래각 또는 위치를 추정하는 경우에도 적용할 수 있음을 어렵지 않게 알 수 있다. 이를 위해, 시각 nT 이전에 관측된 데이터를 바탕으로 추정 또는 예측한 k번째 물체의 위치(도래각 등의 위치정보)를 라 두고, 시각 (n-1)T에서의 해당 물체의 추정된 위치의 값을 이라 두면, k번째 물체의 움직임이 보정된 시각 nT에서의 위치값 은 하기 수학식18과 같이 산출될 수 있다. Equation 17 is an equation indicating how motion compensation can be performed with respect to an embodiment using the Luenburger estimation technique. However, if properly interpreted, it is not difficult to see that this equation can be applied to the case of estimating the angle of arrival or position using other techniques including the Kalman filter. For this, the position of the k-th object (position information such as angle of arrival) estimated or predicted based on data observed before time nT Let , the value of the estimated position of the object at time (n-1)T If , the position value at time nT at which the motion of the k-th object is corrected can be calculated as in Equation 18 below.
[수학식18][Equation 18]
수학식 18에서 는 경우에 따라서는 시각 (n-1)T에서의 보정된 위치 추정값 의 값을 사용할 수도 있고 이외의 다른 위치 추정값을 사용할 수도 있다.in Equation 18 is the corrected position estimate at time (n-1)T in some cases You can use the value of , or you can use other location estimates.
다음으로, 실효지연률을 나타내는 의 값은 데이터들이 관측되는 시각, 즉, t = T0, t = T0 + , t = T0 + 2 , ..., t = T0 + (NS - 1)을 forgetting factor 에 따라 가중평균한 값, 즉, 하기 수학식19가 나타내는 값을 (n-)T라 둠으로써 산출할 수도 있다. 단, 여기서 T0는 최초 관측 시각, 는 관측 시간 간격을 T로 나눈 값, NS는 관측하는 총 데이터 수를 의미한다.Next, the effective delay rate The value of is the time at which the data are observed, that is, t = T 0 , t = T 0 + , t = T 0 + 2 , ..., t = T 0 + (N S - 1) the forgetting factor The weighted average value according to (n- ) can also be calculated by setting T. However, where T 0 is the first observation time, is the value obtained by dividing the observation time interval by T, and N S is the total number of data observed.
[수학식19][Equation 19]
상술한 바와 같이, 수학식19가 나타내는 값을 (n-)T라 하면, 의 값은 하기 수학식20에 의해 산출될 수 있다. As described above, the value represented by Equation 19 is (n- ) T, then The value of can be calculated by
[수학식20][Equation 20]
다음으로, 수학식20을 이용하여 구한 실효지연률 를 수학식17 또는 수학식18에 적용하면, 움직임 보정된 도래각() 또는 위치()의 값을 구할 수 있다. Next, the effective delay rate obtained using
일측에 따르면, 도래각 재결정부(130)는 k번째(여기서, k는 양의 정수의 값) 수신 안테나에 대응되는 도래각의 평균 제곱근 오차(Root-Mean-Square-Error; RMSEk)를 연산하고, 연산된 RMSEk의 값을 최소가 되게 하는 제1 내지 제3 요소 파라미터 값(k1, k2, )을 결정하며, 결정된 제1 내지 제3 요소 파라미터 값(k1, k2, )의 연산을 통해 루엔버거 옵저버에 따른 옵저버 이득(observer gain)을 최적화할 수 있다. According to one side, the angle of
일반적으로, 옵저버 이득은 추적 성능에 영향을 크게 미치는 파라미터로 기 공지된 AMEND에서는 실험을 통해 최적의 값을 결정하였다. 그러나, AMEND에서의 실험에서는 안테나 개수, 신호원의 개수, 신호의 궤적, SNRdB등 시뮬레이션 환경에 따라 값이 달라져 실험을 수행할 때마다 옵저버 이득을 결정해 주어야 하는 어려움이 따른다.In general, the observer gain is a parameter that greatly affects the tracking performance, and the optimal value was determined through an experiment in the well-known AMEND. However, in the experiment in AMEND, the values vary depending on the simulation environment, such as the number of antennas, the number of signal sources, the trajectory of the signal, and the SNRdB, so it is difficult to determine the observer gain every time an experiment is performed.
이에, 일실시예에 따른 도래각 재결정부(130)는 상태 오차를 이용하여 최적의 옵저버 이득에 대한 성능을 검증하고 검증 결과에 기초하는 보다 효과적이고 신뢰도 높은 방법으로 최적의 옵저버 이득을 결정할 수 있다. Accordingly, the angle of
구체적으로, 상태 추정 오류()는 하기 수학식21과 같이 정의될 수 있다. Specifically, the state estimation error ( ) may be defined as in Equation 21 below.
[수학식21] [Equation 21]
여기서, 는 로 정의되는 상태 벡터를 의미할 수 있다. here, Is It may mean a state vector defined as .
또한, 시간 t = nT에서 state evolution mismatch로 불리는 벡터 는 하기 수학식22과 같이 정의 될 수 있다. Also, a vector called state evolution mismatch at time t = nT can be defined as in Equation 22 below.
[수학식22] [Equation 22]
여기서, (n-1)T와 nT 사이의 시간 구간동안 각 가속도가 변하지 않으면, 벡터 는 제로 벡터와 동일할 수 있다. Here, if the angular acceleration does not change during the time interval between (n-1)T and nT, the vector may be equal to the zero vector.
또한, 각도 측정 오차()는 하기 수학식20과 같이 정의될 수 있다.Also, the angle measurement error ( ) may be defined as in
[수학식23][Equation 23]
또한, 수학식4, 11 및 23에 기초하여 하기 수학식24를 도출할 수 있다. In addition, the following Equation 24 can be derived based on Equations 4, 11 and 23.
[수학식24] [Equation 24]
다음으로, 수학식21, 22 및 24에 기초하여 하기 수학식25를 도출할 수 있다. Next, the following Equation 25 can be derived based on Equations 21, 22 and 24.
[수학식25] [Equation 25]
또한, 수학식25에서 및 이므로 하기 수학식26을 도출할 수 있다. Also, in Equation 25 and Therefore, the following Equation 26 can be derived.
[수학식26] [Equation 26]
상태 추정 오류()에 관한 수학식26을 재정렬하면, 하기 수학식27과 같이 표현될 수 있다. state estimation error ( ), by rearranging Equation 26, it can be expressed as Equation 27 below.
[수학식27] [Equation 27]
한편, k번째 신호에 대응되는 도래각의 RMSEk는 상태 추정 오류() 및 수신 신호의 총 관측 간격 수(total number of observation intervals, NT)에 기반하여 하기 수학식 28을 통해 산출될 수 있다. On the other hand, the RMSE k of the angle of arrival corresponding to the k-th signal is the state estimation error ( ) and the total number of observation intervals (N T ) of the received signal may be calculated through Equation 28 below.
[수학식28] [Equation 28]
또한, 수학식27의 첫 번째 항에 포함되어 있는 행렬 를 로 대각선화(diagonalize)하면, 옵저버 이득()은 하기 수학식29의 우변과 같이 표현될 수 있다.Also, the matrix included in the first term of Equation 27 cast If we diagonalize to , the observer gain ( ) can be expressed as the right side of Equation 29 below.
[수학식29] [Equation 29]
여기서, 는 대각선 요소가 행렬 의 고유값인 대각 행렬이다.here, is a matrix with diagonal elements It is a diagonal matrix that is the eigenvalue of .
즉, 옵저버 이득()은 고유 값인 대각 행렬 의 대각성분에 의해 결정될 수 있다. That is, the observer gain ( ) is the diagonal matrix with eigenvalues can be determined by the diagonal component of
보다 구체적으로, 대각 행렬 의 대각성분을 , 및 으로 두면(단, 여기서 제1 요소 파라미터(k1) 및 제2 요소 파라미터(k2)는 음이 아닌 실수 값이고 제3 요소 파라미터()는 실수), 옵저버 이득()의 제1 내지 제3 요소는 하기 수학식30을 통해 산출될 수 있다.More specifically, the diagonal matrix the diagonal component of , and (provided that the first element parameter (k 1 ) and the second element parameter (k 2 ) are non-negative real values and the third element parameter ( ) is real), observer gain ( ) of the first to third elements can be calculated through the following
[수학식30] [Equation 30]
여기서, 는 옵저버 이득()의 i번째 요소를 의미한다.here, is the observer gain ( ) means the i-th element.
한편, 상태 추정 오류()에 관한 수학식27은 수학식29를 통해 하기 수학식31과 같이 표현될 수 있다. On the other hand, the state estimation error ( Equation 27 for ) can be expressed as Equation 31 below through Equation 29.
[수학식31][Equation 31]
수학식31을 반복 연산하면, 초기 값(), 각도 측정 오류() 및 state evolution mismatch()를 기준으로 상태 추정 오류()를 하기 수학식32와 같이 표현할 수 있다.If Equation 31 is repeatedly calculated, the initial value ( ), angle measurement error ( ) and state evolution mismatch( ) based on the state estimation error ( ) can be expressed as Equation 32 below.
[수학식32][Equation 32]
수학식32에서, 두번째 및 세번째 항은 m=1 에서 m=n까지의 합산과 관련이 있으며, N이 증가함에 따라, 두번째 및 세번째 항은 커질 수 있다. In Equation 32, the second and third terms are related to the summation from m=1 to m=n, and as N increases, the second and third terms may become large.
그러나, 의 모든 대각선 요소의 크기를 1 보다 작게 선택하면, n에 가까운 m과의 각도 측정 오류()와 state evolution mismatch()가 상태 추정 오류()의 값에 영향을 미치므로, 는 k가 커짐에 따라 제로 행렬로 수렴할 수 있다.But, If the size of all diagonal elements of is chosen to be less than 1, then the angle measurement error with m close to n ( ) and state evolution mismatch( ) is the state estimation error ( ), as it affects the value of may converge to the zero matrix as k increases.
또한, 기설정된 값의 주기(T)이 매우 크게 선택되지 않는 이상, state evolution mismatch()의 크기(magnitude)는 각도 측정 오류() 보다 작은 크기의 차수로 판단할 수 있다. In addition, unless the period (T) of the preset value is selected to be very large, state evolution mismatch ( ) is the magnitude of the angle measurement error ( ) can be judged as a smaller order of magnitude.
따라서, 의 모든 대각선 요소의 크기를 1에 비해 충분히 작게 선택하면, 수학식32의 세번째 항은 일반적인 상황에서 무시할 수 있을 정도로 작은 값으로 설정될 수 있으므로, 상태 추정 오류()는 하기 수학식33으로 표현될 수 있다. thus, If the size of all the diagonal elements of is selected to be sufficiently small compared to 1, the third term of Equation 32 can be set to a value small enough to be neglected in a general situation, so the state estimation error ( ) can be expressed by the following Equation 33.
[수학식33] [Equation 33]
한편, 평균 제곱근 오차(RMSEk)에 관한 수학식28은 이고 라 가정하면 하기 수학식34와 같이 표현될 수 있으며, 수학식34에서 행렬 는 하기 수학식35와 같이 표현될 수 있다.On the other hand, Equation 28 regarding the root mean square error (RMSE k ) is ego Assuming that , it can be expressed as Equation 34 below, and in Equation 34 can be expressed as Equation 35 below.
[수학식34] [Equation 34]
[수학식35][Equation 35]
여기서, 파라미터는 기설정된 값의 주기를 의미한다.Here, the parameter denotes a period of a preset value.
더 나아가 모든 n에 대하여 이 되는 양의 실수 가 존재하면 수학식34 및 수학식35는 하기 수학식36 및 수학식37로 각각 표현될 수 있다. Furthermore, for every n a positive real number If is present, Equations 34 and 35 can be expressed by Equations 36 and 37, respectively.
[수학식36] [Equation 36]
[수학식37][Equation 37]
즉, 일실시예에 따른 도래각 재결정부(130)는 대각 행렬()의 대각성분 값의 선택에 따른 RMSEk를 위의 수학식34 내지 37을 이용하여 모니터링함으로써 최적의 옵저버 이득()을 결정할 수도 있다. That is, the angle of
즉, 실제적인 시스템의 관측이나 시뮬레이션을 통하면 최적값을 얻는 작업이 매우 힘든데 반하여, 위의 수학식34 내지 37을 이용하면 비교적 어렵지 않게 제1 요소 파라미터(k1), 제2 요소 파라미터(k2), 및 제3 요소 파라미터(k3)에 따라 RMSEk의 값이 어떻게 변화하는지 수치적으로 파악할 수 있다. 이와 같은 수치적 데이터를 이용하면, 최적의 RMSEk 값을 주는 제1, 제2, 제3 요소 파라미터 값을 구할 수 있으며, 세 개의 값들을 수학식30에 대입하면 최적의 옵저버 이득()을 결정할 수 있다.That is, it is very difficult to obtain the optimum value through observation or simulation of the actual system, whereas the first element parameter (k 1 ) and the second element parameter (k) are relatively easy using Equations 34 to 37 above. 2 ), and how the value of RMSE k changes according to the third element parameter (k 3 ) may be numerically grasped. Using such numerical data, it is possible to obtain the values of the first, second, and third element parameters giving the optimal RMSE k value, and by substituting the three values into Equation 30, the optimal observer gain ) can be determined.
보다 구체적인 예를 들면, 도래각 재결정부(130)는 제1 요소 파라미터(k1) 및 제2 요소 파라미터(k2)의 후보 값으로 0.05, 0.10, ..., 0.95을 선택하고, 제3 요소 파라미터(k3)의 후보 값으로 0, 5, ..., 175을 선택한 후, 이러한 후보 값들의 조합을 수학식34 내지 37에 대입하여 RMSEk의 값을 계산한 후 RMSEk가 최소가 되도록 하는 제1 요소 파라미터(k1) 값, 제2 요소 파라미터(k2) 값 및 제3 요소 파라미터() 의 값을 수학식30에 대입하여 최적의 옵저버 이득()을 구할 수 있다.As a more specific example, the angle of
도 2a 내지 도 2c는 일실시예에 따른 도래각 추적 장치에서 옵저버 이득을 최적화하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.2A to 2C are diagrams for explaining an example of optimizing an observer gain in an apparatus for tracking an angle of arrival according to an embodiment.
다시 말해, 도 2a 내지 도 2c는 도 1을 통해 설명한 일실시예에 따른 도래각 추적 장치에 관한 예시를 설명하는 도면으로, 등고선으로 표현된 RMSEk 수치값은 를 단위로 하여 표현되어 있다. 이후 도 2a 내지 도 2c를 통해 설명하는 내용 중 일실시예에 따른 도래각 추적 장치를 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다. In other words, FIGS. 2A to 2C are views for explaining an example of the apparatus for tracking the angle of arrival according to the embodiment described with reference to FIG. 1 . The numerical value of RMSE k expressed as a contour line is It is expressed in units of . Hereinafter, descriptions that overlap with those described through the apparatus for tracking the angle of arrival according to an embodiment among the contents described with reference to FIGS. 2A to 2C will be omitted.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 참조부호 210은 제3 요소 파라미터()가 35°일 때의 평균 제곱근 오차(RMSEk) 값이 제1 요소 파라미터(k1) 및 제2 파라미터(k2)의 값에 따라 어떻게 변하는지 보여주고 있다. 2A to 2C,
도 2a 내지 도 2c의 그래프의 값들을 얻기 위해, 제1 요소 파라미터(k1) 및 제2 요소 파라미터(k2)의 후보 값으로 0.05, 0.10, ..., 0.95이, 제3 요소 파라미터(k3)의 후보 값으로 0, 5, ..., 175이 선택되었다.To obtain the values of the graphs of FIGS. 2A to 2C , 0.05, 0.10, ..., 0.95 as candidate values of the first element parameter (k 1 ) and the second element parameter (
또한, 참조부호 220은 제3 요소 파라미터()가 15°일 때의 RMSEk 값을 제1 요소 파라미터(k1) 및 제2 파라미터(k2)의 함수로 표현하는 그래프를 나타낸다. In addition,
또한, 참조부호 230은 제3 요소 파라미터()가 55°일 때의 RMSEk 값을 제1 요소 파라미터(k1) 및 제2 파라미터(k2)의 함수로 표현하는 그래프를 나타낸다.In addition,
참조부호 210 내지 230에 따르면, 참조부호 210에서 제1 요소 파라미터(k1) 및 제2 파라미터(k2)가 (0.7, 0.5)에서 멀어짐에 따라 RMSEk 값이 상승하는 것을 확인할 수 있다. Referring to reference
또한, 제1 요소 파라미터(k1) 및 제2 파라미터(k2)가 1에 가까워질수록 RMSEk 값이 현저히 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 제3 요소 파라미터()의 값이 35°에서 멀어질수록 RMSEk 값이 느리게 상승하는 것을 확인할 수 있다. In addition, it can be seen that the RMSE k value significantly increases as the first element parameter (k 1 ) and the second parameter (k 2 )
제3 요소 파라미터()의 값을 더 다양하게 변화시켜가며 참조부호 210 내지 참조부호 230의 그래프와 유사한 그래프를 그려 관찰해 보면 제1 요소 파라미터(k1)의 값이 0.7, 제2 요소 파라미터(k2)의 값이 0.5, 제3 요소 파라미터()의 값이 35일 때, RMSEk의 값이 최솟값을 갖는데, 이 값들을 수학식 27에 대입하면 이에 대응되는 최적의 옵저버 이득() 값을 구할 수 있다.The third element parameter ( ) by drawing and observing a graph similar to the graph of
도 3a 내지 도 3d는 일실시예에 따른 도래각 추적 장치와 기존의 추정 알고리즘 간의 도래각 추정 성능의 비교 결과를 설명하기 위한 도면이다. 3A to 3D are diagrams for explaining a comparison result of the angle of arrival estimation performance between the apparatus for tracking the angle of arrival according to an exemplary embodiment and a conventional estimation algorithm.
다시 말해, 도 3a 내지 도 3d는 도 1 내지 도 2c를 통해 설명한 일실시예에 따른 도래각 추적 장치에 관한 예시를 설명하는 도면으로, 이후 도 3a 내지 도 3d를 통해 설명하는 내용 중 일실시예에 따른 도래각 추적 장치를 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.In other words, FIGS. 3A to 3D are views for explaining an example of the apparatus for tracking an angle of arrival according to an embodiment described with reference to FIGS. 1 to 2C , and an embodiment of the contents described later with reference to FIGS. 3A to 3D . A description that overlaps with the content described through the apparatus for tracking the angle of arrival according to the above will be omitted.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 참조부호 310은 시뮬레이션을 위한 도래각의 궤적을 설명하는 그래프를 나타내고, 참조부호 320은 변수 N = 12, K = 3일때 일실시예에 따른 도래각 추적 장치(DSPCLT)와 기 공지된 추정 알고리즘(AMEND 및 PASTd Kalman)에서 시간 변화에 따른 평균 제곱근 오차(RMSEk) 값의 변화를 설명하는 그래프를 나타낸다. 3A to 3D ,
또한, 참조부호 330은 일실시예에 따른 도래각 추적 장치(DSPCLT)와 기 공지된 추정 알고리즘(AMEND 및 PASTd Kalman)에서 각도 의 변화에 따른 비용 함수()의 변화를 설명하는 그래프를 나타내고, 참조부호 340은 변수 N = 12, K = 5일 때 일실시예에 따른 도래각 추적 장치(DSPCLT)와 기 공지된 추정 알고리즘(AMEND 및 PASTd Kalman)에서 RMSEk 값의 변화를 설명하는 그래프를 나타낸다.In addition,
참조부호 310 내지 340에 따르면, AMEND, PASTd Kalman 및 DSPCLT을 이용한 시뮬레이션은 시변 방향(time-varying directions)으로 실제 도래각 , 및 으로부터 성능을 비교하기 위해 K = 3인 신호가 반 파장으로 분리된 N = 12개의 수신 안테나로 충돌하는 상황을 고려할 수 있다. According to
또한, 상술한 시뮬레이션을 통해 도출되는 실패 확률(failure probability, PF)와 평균 제곱근 오차(RMSE)는 하기 표1과 같이 도출될 수 있다.Further, the probability of failure is derived from the above-described simulation (failure probability, P F) and the mean square error (RMSE) may be derived as shown in Table 1 below.
표1에 따르면, AMEND는 어떤 값을 선택해도 실패하지 않기 때문에 가장 안정적인 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있으나, RMSEk 측면에서는 최악의 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있다. According to Table 1, AMEND Since it does not fail even if a value is selected, it can be seen that the most stable performance is shown, but in terms of RMSE k , it can be confirmed that the worst result is shown.
반면, DSPCLT와 PASTd Kalman은, 적절한 값을 설정하면 제로 오류(zero failures)를 달성할 수 있으며 AMEND보다 더 나은 RMSEk 값을 보여줌을 확인할 수 있으며, DSPCLT가 가장 우수한 RMSE 성능을 달성할 수 있는 것을 확인할 수 있다. On the other hand, DSPCLT and PASTd Kalman It can be seen that setting the value achieves zero failures and shows a better RMSE k value than AMEND, confirming that DSPCLT can achieve the best RMSE performance.
DSPCLT가 전반적인 성능의 우위에 있는 주된 이유는 동일한 수의 수신 안테나(센서 요소)로 비교적 큰 실효 애퍼처 크기(effective aperture size)를 갖기 때문으로 볼 수 있다. The main reason DSPCLT has an overall performance advantage is that it has a relatively large effective aperture size with the same number of receive antennas (sensor elements).
구체적으로, 참조부호 330에 따르면, 비용 함수()가 AMEND 및 PASTd Kalman보다 DSPCLT에서 훨씬 더 선명하다는 것을 확인할 수 있다. 이에 DSPCLT는 훨씬 정교한 Kalman 필터 알고리즘을 사용하는 PASTd Kalman 및 PASTd Kalman의 성능을 능가하는 AMEND 대비, RMSEk 성능 측면에서 보다 향상된 성능을 나타낼 수 있다. Specifically, according to
또한, 참조부호 330에 따르면, 실제 신호원이 70°, 80°및 150°에 있는 경우 DSPCLT 및 PASTd Kalman는 신호 분해가 가능하나, AMEND는 그래프가 뭉그러지며 신호 분해가 불가능함을 확인할 수 있다.Further, according to
보다 구체적으로, 신호 분해는 SNRdB, 안테나의 개수 등 영향을 받을 수 있다. 즉, DSPCLT는 snrdB가 5dB일 때, 10개의 안테나로는 약 180/(10×2) = 9° 정도의 분해능을 보일 수 있고, 20개의 안테나로는 180/(20×2)=4.5° 정도의 분해능을 보일 수 있다. More specifically, signal decomposition may be affected by SNRdB, the number of antennas, and the like. That is, DSPCLT can show a resolution of about 180/(10×2) = 9° with 10 antennas when snrdB is 5dB, and about 180/(20×2)=4.5° with 20 antennas. resolution can be seen.
다시 말해, 참조부호 330에서 DSPCLT는 신호원이 60°및 65°에 존재할 때, 안테나 개수가 10개일 때는 신호 분해가 불가능 상태가 되고, 안테나의 개수가 20개일 때는 신호 분해가 가능한 상태가 될 수 있다. In other words, DSPCLT at
한편, 객체의 수를 K = 5로 증가시켜 시뮬레이션을 하면, 시뮬레이션에 따른 실패 확률(failure probability, PF)와 평균 제곱근 오차(RMSEk)는 하기 표2와 같이 도출될 수 있다.On the other hand, by increasing the number of objects to the K = 5 when the simulation, the failure probability of the simulation (failure probability, P F) and the mean square error for the (k RMSE) can be obtained as shown in Table 2.
표2에 따르면, 객체의 수를 증가시키는 경우에도 DSPCLT가 PASTd Kalman 및 AMEND 보다 더 PF 및 RMSEk 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. According to Table 2, can, even when increasing the number of objects DSPCLT is confirmed that the more excellent characteristics than k P F and RMSE PASTd Kalman and AMEND.
한편, DSPCLT는 PASTd Kalman 및 AMEND과 비교하여 연산 복잡도가 크게 낮은데, 구체적인 예를 들어 N=20, M=K=5, Ns=20일 때에 대해 실수 연수의 수를 추정하여 비교해 보면 표3과 같다.On the other hand, DSPCLT has significantly lower computational complexity compared to PASTd Kalman and AMEND. For example, when N=20, M=K=5, Ns=20, the number of real numbers is estimated and compared as shown in Table 3. .
표3에 따르면, 부공간 구성에 연산 복잡도가 상당 부분 필요한 것을 확인할 수 있다. 특히, AMEND는 DSPCLT와 비교하여 부공간 구성에서 특히 많은 수의 연산을 필요로 하는 것을 확인할 수 있다. 또한, PASTdKalman는 칼만 필터를 적용하기 때문에 DSPCLT 및 AMEND 대비 더 많은 연산량이 필요함을 확인할 수 있다. According to Table 3, it can be seen that a significant portion of computational complexity is required for subspace configuration. In particular, it can be seen that AMEND requires a particularly large number of operations in the subspace configuration compared to DSPCLT. In addition, it can be seen that PASTdKalman requires more computation than DSPCLT and AMEND because Kalman filter is applied.
또한, DSPCLT는 프로젝터 구성 및 필터링 과정에서 AMEND 대비 비교적 많은 연산량이 필요한 것으로 나타났으나, 부공간 구성에서의 연산량이 매우 적으므로, 결과적으로 총 연산량이 AMEND 보다 적은 것을 확인할 수 있다. In addition, DSPCLT was found to require a relatively large amount of computation compared to AMEND in the projector configuration and filtering process, but since the amount of computation in the subspace configuration is very small, as a result, it can be confirmed that the total amount of computation is smaller than that of AMEND.
결과적으로, DSPCLT는 연산 복잡도 측면에서도 기 공지된 PASTdKalman 및 AMEND 대비 우수한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다. As a result, it can be confirmed that DSPCLT exhibits superior performance compared to the previously known PASTdKalman and AMEND in terms of computational complexity.
도 4는 일실시예에 따른 도래각 추적 방법을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining a method of tracking an angle of arrival according to an embodiment.
다시 말해, 도 4는 도 1 내지 도 3d를 통해 설명한 일실시예에 따른 도래각 추적 장치의 동작 방법에 관한 도면으로, 이후 도 4를 통해 설명하는 내용 중 일실시예에 따른 도래각 추적 장치를 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다. In other words, FIG. 4 is a view of an operating method of the apparatus for tracking an angle of arrival according to an embodiment described with reference to FIGS. 1 to 3D . The apparatus for tracking an angle of arrival according to an embodiment of the contents described later with reference to FIG. 4 is shown. A description that overlaps with the content described above will be omitted.
도 4를 참조하면, 410 단계에서 일실시예에 따른 도래각 추적 방법은 예측 도래각 결정부에서, 임의의 시간 nT(여기서 n은 임의의 정수, T는 기설정된 값의 주기)에 대응되는 예측 상태 벡터를 통해 예측 도래각을 결정할 수 있다. Referring to FIG. 4 , in
다음으로, 420 단계에서 일실시예에 따른 도래각 추적 방법은 초기 도래각 결정부에서 임의의 시간 nT에 수신되는 수신 신호로부터 추정 상태 벡터를 산출하고, 산출된 추정 상태 벡터를 통해 추정 도래각을 결정할 수 있다.Next, in
다음으로, 430 단계에서 일실시예에 따른 도래각 추적 방법은 도래각 재결정부에서 결정된 예측 도래각에 기초하여 수신 신호의 분해 가능 여부를 판단하고, 판단 결과에 기초하여 추정 도래각을 재결정할 수 있다. Next, in
결국, 본 발명을 이용하면, 수신 신호의 신호 분해 가능 여부에 기초하여 적응적으로 도래각을 추정할 수 있다.After all, using the present invention, it is possible to adaptively estimate the angle of arrival based on whether the received signal can be decomposed.
또한, 본 발명을 이용하면, 도래각의 추정 및 필터링을 위해 칼만 필터(kalman filter) 대신 루엔버거 옵저버(luenberger observer)를 이용하여 매우 낮은 연산 복잡도를 구현할 수 있다.In addition, using the present invention, very low computational complexity can be implemented by using a luenberger observer instead of a kalman filter for estimating and filtering the angle of arrival.
또한, 본 발명을 이용하면, 지연에 따른 움직임 보정을 통해 도래각 추정 성능을 개선할 수 있다.In addition, using the present invention, it is possible to improve the performance of estimating the angle of arrival through motion compensation according to the delay.
또한, 본 발명을 이용하면, 루엔버거 옵저버에서 옵저버 이득(observer gain)을 최적화하여 추가적으로 도래각 추정 성능을 개선할 수 있다.In addition, by using the present invention, it is possible to further improve the angle of arrival estimation performance by optimizing the observer gain in the Luenburger observer.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
100: 도래각 추적 장치 110: 초기 도래각 결정부
120: 예측 도래각 결정부 130: 도래각 재결정부100: angle of arrival tracking device 110: initial angle of arrival determination unit
120: predicted angle of arrival determining unit 130: angle of arrival recrystallization unit
Claims (12)
상기 임의의 시간 nT에 대응되는 예측 상태 벡터를 통해 복수의 신호들 각각에 대응되는 복수의 예측 도래각을 결정하고, 상기 복수의 예측 도래각간의 거리를 산출하는 예측 도래각 결정부 및
상기 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리에 기초하여 상기 수신 신호의 분해 가능 여부를 판단하고, 상기 판단 결과에 기초하여 상기 추정 도래각을 재결정하는 도래각 재결정부
를 포함하고,
상기 복수의 예측 도래각간의 거리는,
상기 복수의 예측 도래각 중 어느 하나의 예측 도래각과, 상기 복수의 예측 도래각 중 상기 어느 하나의 예측 도래각을 제외한 나머지 예측 도래각간의 차이값인
도래각 추적 장치.An initial angle of arrival at which an estimated state vector is calculated from a received signal received at an arbitrary time nT (where n is an arbitrary integer and T is a period of a predetermined value), and an estimated angle of arrival is determined through the calculated estimated state vector decision part;
a predicted angle of arrival determiner that determines a plurality of predicted angles of arrival corresponding to each of a plurality of signals through a predicted state vector corresponding to the arbitrary time nT, and calculates a distance between the plurality of predicted angles of arrival;
An angle of arrival recrystallization unit that determines whether the received signal can be decomposed based on the calculated distances between the plurality of predicted angles of arrival and recrystallizes the estimated angle of arrival based on a result of the determination
including,
The distance between the plurality of predicted angles of arrival,
a difference value between any one predicted arrival angle among the plurality of predicted arrival angles and the remaining predicted arrival angles other than the one predicted arrival angle among the plurality of predicted arrival angles;
angle of arrival tracking device.
상기 수신 신호는,
기설정된 간격으로 배치된 복수의 수신 안테나들이 상기 임의의 시간 nT에 적어도 하나의 신호원으로부터 수신하는 신호인
도래각 추적 장치.According to claim 1,
The received signal is
A signal received from at least one signal source at the arbitrary time nT by a plurality of receiving antennas arranged at a predetermined interval
angle of arrival tracking device.
상기 초기 도래각 산출부는,
MUSIC(multiple signal classification) 알고리즘, ESPRIT(estimation of signal parameter via rotational invariance techniques) 알고리즘 및 DSPCM(direct signal space construction method) 알고리즘 중 적어도 하나의 부공간(subspace) 기반의 기법 또는 빔포빙 기법에 기초하여 상기 추정 상태 벡터를 산출하는
도래각 추적 장치.According to claim 1,
The initial angle of arrival calculation unit,
based on a subspace-based technique or a beamforming technique of at least one of a multiple signal classification (MUSIC) algorithm, an estimation of signal parameter via rotational invariance techniques (ESPRIT) algorithm, and a direct signal space construction method (DSPCM) algorithm. which yields an estimated state vector
angle of arrival tracking device.
상기 임의의 시간 nT에 대응되는 예측 상태 벡터는,
이전 시간 (n-1)T의 시점에서 상기 임의의 시간 nT에 수신될 것으로 예상되는 수신 예측 신호에 기초하여 산출하는 벡터인
도래각 추적 장치.According to claim 1,
The predicted state vector corresponding to the arbitrary time nT is,
A vector calculated based on a reception prediction signal expected to be received at the arbitrary time nT at the time of the previous time (n-1)T
angle of arrival tracking device.
상기 예측 도래각 결정부는,
상기 초기 도래각 결정부를 통해 산출된 이전 시간 (n-1)T에 대응되는 추정 상태 벡터에 기설정된 동적 행렬(dynamic matrix)을 곱하여 상기 예측 상태 벡터를 산출하는
도래각 추적 장치.According to claim 1,
The predicted angle of arrival determining unit,
calculating the predicted state vector by multiplying the estimated state vector corresponding to the previous time (n-1)T calculated through the initial angle of arrival determiner by a preset dynamic matrix
angle of arrival tracking device.
상기 예측 도래각 결정부는,
상기 기설정된 값의 주기(T)가 반복될 때마다 다음 주기에 대응되는 예측 상태 벡터를 산출하는
도래각 추적 장치.According to claim 1,
The predicted angle of arrival determining unit,
Each time the period (T) of the preset value is repeated, calculating a predicted state vector corresponding to the next period
angle of arrival tracking device.
상기 도래각 재결정부는,
상기 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리를 기설정된 임계값과 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 수신 신호의 분해 가능 여부를 판단하는
도래각 추적 장치.According to claim 1,
The angle of arrival recrystallization unit,
comparing the calculated distances between the plurality of predicted angles of arrival with a preset threshold value, and determining whether the received signal can be decomposed based on the comparison result
angle of arrival tracking device.
상기 도래각 재결정부는,
상기 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리가 기설정된 임계값 보다 작으면 상기 수신 신호의 분해가 불가능한 것으로 판단하여, 상기 임의의 시간 nT 이전에 결정된 p개(여기서, p는 양의 정수)의 이전 추정 도래각에 기반한 QLS 회귀(quadratic least square regression)를 통해 상기 추정 상태 벡터를 재산출하고, 상기 재산출된 추정 상태 벡터를 통해 상기 추정 도래각을 재결정하는
도래각 추적 장치.9. The method of claim 8,
The angle of arrival recrystallization unit,
If the distance between the calculated plurality of predicted angles of arrival is smaller than a predetermined threshold value, it is determined that the received signal cannot be decomposed, and p (where p is a positive integer) determined before the arbitrary time nT is transferred. recalculating the estimated state vector through quadratic least square regression (QLS) based on the estimated angle of arrival and recrystallizing the estimated angle of arrival through the recalculated estimated state vector;
angle of arrival tracking device.
상기 도래각 재결정부는,
상기 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리가 기설정된 임계값 보다 크면 상기 수신 신호의 분해가 가능한 것으로 판단하여, 루엔버거 옵저버(luenberger observer)를 통해 상기 추정 상태 벡터를 재산출하고, 상기 재산출된 추정 상태 벡터를 통해 상기 추정 도래각을 재결정하는
도래각 추적 장치.9. The method of claim 8,
The angle of arrival recrystallization unit,
If the distance between the calculated plurality of predicted arrival angles is greater than a preset threshold, it is determined that the received signal can be decomposed, and the estimated state vector is recalculated through a luenberger observer, and the recalculated Recrystallizing the estimated angle of arrival through the estimated state vector
angle of arrival tracking device.
상기 도래각 재결정부는,
k번째(여기서, k는 양의 정수) 수신 안테나에 대응되는 도래각의 평균 제곱근 오차(Root-Mean-Square-Error; RMSEk)를 연산하고, 상기 연산된 RMSEk의 값을 최소가 되게 하는 제1 내지 제3 요소 파라미터 값을 결정하며, 상기 결정된 제1 내지 제3 요소 파라미터 값의 연산을 통해 상기 루엔버거 옵저버에 따른 옵저버 이득(observer gain)을 최적화하는
도래각 추적 장치.11. The method of claim 10,
The angle of arrival recrystallization unit,
Root-Mean-Square-Error (RMSE k ) of the angle of arrival corresponding to the k-th (here, k is a positive integer) receiving antenna is calculated, and the value of the calculated RMSE k is minimized determining first to third element parameter values, and optimizing an observer gain according to the Luenburger observer through calculation of the determined first to third element parameter values;
angle of arrival tracking device.
초기 도래각 결정부에서, 상기 임의의 시간 nT에 수신되는 수신 신호로부터 추정 상태 벡터를 산출하고, 상기 산출된 추정 상태 벡터를 통해 추정 도래각을 결정하는 단계 및
도래각 재결정부에서, 상기 산출된 복수의 예측 도래각간의 거리에 기초하여 상기 수신 신호의 분해 가능 여부를 판단하고, 상기 판단 결과에 기초하여 상기 추정 도래각을 재결정하는 단계
를 포함하고,
상기 복수의 예측 도래각간의 거리는,
상기 복수의 예측 도래각 중 어느 하나의 예측 도래각과, 상기 복수의 예측 도래각 중 상기 어느 하나의 예측 도래각을 제외한 나머지 예측 도래각간의 차이값인
도래각 추적 방법.In the predicted angle of arrival determining unit, a plurality of predicted angles of arrival corresponding to each of the plurality of signals are determined through a predicted state vector corresponding to an arbitrary time nT (where n is an arbitrary integer, and T is a period of a preset value). and calculating a distance between the plurality of predicted angles of arrival;
calculating an estimated state vector from the received signal received at the arbitrary time nT by the initial angle of arrival determiner, and determining the estimated angle of arrival through the calculated estimated state vector;
determining whether the received signal can be decomposed based on the calculated distances between the plurality of predicted angles of arrival, in the angle of arrival recrystallization unit, and recrystallizing the estimated angle of arrival based on the determination result;
including,
The distance between the plurality of predicted angles of arrival,
a difference value between any one predicted arrival angle among the plurality of predicted arrival angles and the remaining predicted arrival angles excluding the one predicted arrival angle among the plurality of predicted arrival angles;
How to track your angle of arrival.
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---|---|---|---|---|
JP2006258615A (en) * | 2005-03-17 | 2006-09-28 | Fujitsu Ltd | Tracking method of radio wave incoming direction and tracking device of radio wave incoming direction |
KR101498646B1 (en) * | 2013-12-03 | 2015-03-04 | 충남대학교산학협력단 | DOA Estimation Apparatus and Method in Multi-Jammer Environments |
KR101559270B1 (en) | 2015-02-04 | 2015-10-12 | 홍익대학교 산학협력단 | Low-complexity sliding-vector based apparatus and method with autocorrelation matrix for direction-of-arrival estimation with uniform linear array antenna systems |
KR101958337B1 (en) | 2017-06-26 | 2019-03-15 | 홍익대학교 산학협력단 | The method and apparatus for estimating the direction of arrival of a signal |
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006258615A (en) * | 2005-03-17 | 2006-09-28 | Fujitsu Ltd | Tracking method of radio wave incoming direction and tracking device of radio wave incoming direction |
KR101498646B1 (en) * | 2013-12-03 | 2015-03-04 | 충남대학교산학협력단 | DOA Estimation Apparatus and Method in Multi-Jammer Environments |
KR101559270B1 (en) | 2015-02-04 | 2015-10-12 | 홍익대학교 산학협력단 | Low-complexity sliding-vector based apparatus and method with autocorrelation matrix for direction-of-arrival estimation with uniform linear array antenna systems |
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