KR102535180B1 - 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법 및 장치 - Google Patents

레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법 및 장치가 제공된다. 빔포밍 장치는 (1) 최소 신호 대비 잡음 및 간섭 비율 (SINR: Signal to Noise plus Interference Ratio) 및 (2) 상기 빔포밍 장치의 송신 파워를 기초로 송신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계, 상기 송신 빔포밍 디자인을 이용하여 레이더 및 통신을 위한 무선 신호를 송신하는 단계, 및 레이더 타겟에 의해 반사된 상기 무선 신호에 대한 반사 신호를 수신하는 단계를 수행한다.

Description

레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR TRANSCEIVING BEAMFORMING FOR A RADAR-COMMUNICATION COMBINED SYSTEM}
이하 설명하는 기술은 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 이하 설명하는 기술은 송수신 빔포밍 기술을 이용하여, 드론 운용 상황에서 레이더와 통신을 동일 주파수와 동일 빔패턴으로 수행할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
드론은 무인 로봇으로서, 최초에 군사용으로 개발되었다. 드론은 운반 및 보관이 편리하며 조작이 용이한 이점을 가지고 있어, 최근에는 드론이 촬영 용도로 활용되고 있다. 또한, 드론을 이용한 무인 배달 서비스 시스템이 제안되어 왔다. 드론을 이용하는 경우 송수신자와 드론 간의 상호인증을 통해 안전한 무인배달 서비스를 제공될 수 있다. 나아가, 드론은 촬영 기능을 이용하여, 범죄 예방을 위해 특정 지역을 순찰하는데 사용될 수 있다.
레이더는 물체를 감지 및 추적하고, 물체의 표면을 매핑하고, 타겟 물체를 인식하기 위해 사용될 수 있다. 레이더는 부피가 크고 값비싼 센서(예를 들어, 카메라)를 대체할 수 있다. 레이더는 조명이 어둡거나, 안개가 낀 경우에도 사용될 수 있다. 또한, 레이더는 타겟 물체가 움직이거나 다른 물체의 뒤에 위치하는 등의 다양한 환경 조건들에서 사용될 수 있다.
F. Liu, C. Masouros, A. Li, H. Sun, and L. Hanzo, "MU-MIMOcommunications with MIMO radar: From co-existence to joint trans-mission,"IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 17, no. 4, pp. 2755-2770, April 2018. G. Hakobyan and B. Yang, "A novel intercarrier-interference free sig-nal processing scheme for OFDM radar,"IEEE Trans. Veh. Technol.,vol. 67, no. 6, pp. 5158-5167, June 2018.
드론을 효율적으로 활용하기 위해서, 레이더를 사용하는 방안이 고려될 수 있다. 그러나, 드론에 레이더 센서를 추가하는 것은 어려울 수 있다.
예를 들어, 드론에 레이더 센서가 추가되는 경우, 레이더 센서의 크기가 제한되어 성능이 제한될 수 있다. 또한, 기존 레이더는 별도의 하드웨어를 사용하여 별도의 레이더 신호들을 생성한다. 이러한 레이더 용 하드웨어는 비쌀 수 있다. 따라서, 드론의 가격이 상승될 수 있다. 나아가, 레이더 센서를 추가하기 위해서는 드론에 추가 공간이 필요할 수 있다. 이 경우, 드론의 크기 및 질량이 증가되어, 효율적인 운용이 방해될 수 있다. 이와 같이, 레이더를 위한 하드웨어가 드론에 통합되기 어려울 수 있다. 레이더와 통신이 결합된 레이더-통신 결합 시스템을 사용하는 경우, 드론은 별도의 레이더 센서를 필요로 하지 않을 수 있다.
따라서, 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법 및 장치에 대한 연구가 필요하다.
본 발명의 일 양태에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법은, 빔포밍 장치에서, (1) 최소 신호 대비 잡음 및 간섭 비율 (SINR: Signal to Noise plus Interference Ratio) 및 (2) 상기 빔포밍 장치의 송신 파워를 기초로 송신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계, 상기 빔포밍 장치에서, 상기 송신 빔포밍 디자인을 이용하여 레이더 및 통신을 위한 무선 신호를 송신하는 단계, 및 상기 빔포밍 장치에서, 레이더 타겟에 의해 반사된 상기 무선 신호에 대한 반사 신호를 수신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 양태에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 빔포밍 장치는 메모리, 송수신기, 및 상기 메모리 및 상기 송수신기와 결합되어 작동되는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는, (1) 최소 신호 대비 잡음 및 간섭 비율 (SINR: Signal to Noise plus Interference Ratio) 및 (2) 상기 빔포밍 장치의 송신 파워를 기초로 송신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계, 상기 송신 빔포밍 디자인을 이용하여 레이더 및 통신을 위한 무선 신호를 송신하는 단계, 및 레이더 타겟에 의해 반사된 상기 무선 신호에 대한 반사 신호를 수신하는 단계를 수행하도록 구성된다.
본 발명의 일 양태에 따른 레이더-통신 결합 시스템은 빔포밍 장치, 단말, 및 레이더 타겟을 포함하되, 상기 빔포밍 장치는, (1) 최소 신호 대비 잡음 및 간섭 비율 (SINR: Signal to Noise plus Interference Ratio) 및 (2) 상기 빔포밍 장치의 송신 파워를 기초로 송신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계, 상기 송신 빔포밍 디자인을 이용하여 레이더 및 통신을 위한 무선 신호를 송신하는 단계, 및 상기 레이더 타겟에 의해 반사된 상기 무선 신호에 대한 반사 신호를 수신하는 단계를 수행하고, 상기 단말은, 상기 빔포밍 장치로부터의 상기 레이더 및 통신을 위한 무선 신호를 수신하는 단계를 수행한다.
이하에서 설명하는 기술은 레이더-통신 결합 시스템을 위한 효율적인 빔포밍 방법 및 장치를 제공한다. 예를 들어, 본 발명은 드론에서 사용될 수 있는 효율적인 빔포밍 방법을 제공한다. 예를 들어, 본 발명은 레이더-통신 결합 시스템에서 효율적으로 빔포밍을 수행하는 장치를 제공한다.
예를 들어, 본 발명은, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호를 사용하는 레이더-통신 결합 시스템에서 효율적으로 사용될 수 있는 송신 및 수신 빔포밍 디자인을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 송수신 빔포밍 디자인을 사용하는 경우, 드론 운용 환경에서 레이더-통신 결합 시스템이 효율적으로 운용될 수 있다.
예를 들어, 송신 빔포머의 경우 레이더 타겟과 통신 단말기 방향으로 신호를 지향함과 동시에, 최소 통신 성능을 최대화하는 기능을 수행할 수 있다.
예를 들어, 수신 빔포머의 경우 OFDM 레이더에서 발생하는 도플러 효과로 인한 반송파간 간섭을 없애줌과 동시에, 통신 단말 방향에서 반사되는 신호를 억제하고, 레이더 타겟 방향에서 반사되는 신호를 극대화하여 레이더 성능이 개선될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 빔포밍 디자인을 이용하는 경우, 소형 혹은 중형 드론에 운용에 필수적인 레이더와 통신 기능을 동시에 수행하는 시스템을 효과적으로 구축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 시스템 모델의 일 예를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템의 드론의 동작의 일 예를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템에서 사용되는 빔 패턴의 일 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 빔포머의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 수신 빔포머의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 수신 빔포머의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 수신 빔포머의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 빔포밍 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 빔포밍 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법에 대한 흐름도이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설명된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하에서, 본 발명의 몇몇 실시예에 적용될 수 있는 레이더-통신 결합 시스템에 대해 설명한다.
레이더-통신 결합 시스템에서 송신된 신호는 통신 사용자에게는 통신 데이터를 전달하는 동시에 레이더 신호로써 주위의 사물을 탐지할 수 있다. 즉, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 방법 및 장치에서, 드론은 레이더-통신 결합 시스템을 사용함으로써, 레이더와 통신 기능을 동시에 수행할 수 있다. 다시 말하면, 레이더-통신 결합 시스템은 레이더와 통신 기능을 동시에 수행하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 레이더-통신 결합 시스템을 위해, 다중 안테나를 이용한 송신 빔포밍 기술이 사용될 수 있다. 이 경우, 다중 안테나를 이용하여 높은 이득을 얻을 수 있다. 다중 안테나를 이용하는 경우, 무선 장치(예를 들어, 드론)는 안테나를 전기적으로 지향시켜, 신호를 특정 방향(즉, 송신하고자 하는 방향)으로 송신할 수 있다. 또한, 무선 장치는 다중 안테나를 이용하여, 특정 방향으로부터의 신호를 수신할 수 있다. 즉, 무선 장치는 다중 안테나를 이용함으로써, 특정 방향의 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 이러한 기술은, 기존 통신 성능을 저하시키지 않으며 레이더 기능을 수행하는데 사용될 수 있다.
또 다른 예로, 레이더-통신 결합 시스템을 위해, 직교 주파수 분할 다중화 (OFDM) 기술이 사용될 수 있다. 직교 주파수 분할 다중화 (OFDM) 기술은, 기존 통신에 사용되고 있는 기술로서, 동일한 주파수 대역 및 동일한 빔패턴을 이용하여 통신과 레이더를 운용하기 위해 사용될 수 있다.
드론은 저비용으로 및 탄력적인 배치 가능성이라는 장점으로 인하여, 통신, 레이더, 국경 감시, 위험 지역 모니터링, 배달, 운송과 같은 다양한 분야에서 드론이 도입될 수 있도록 연구되고 있다. 특히, 드론 기지국은 재난 지역이나 전파 음영 지역과 같은 무선 통신 연결이 일시적으로 혹은 지속적으로 안정되지 않은 곳에 통신 연결망을 제공해 줄 수 있다. 또한, 드론 레이더는 국방 및 경계와 같은 임무에 핵심적인 역할로 사용되고 있다.
레이더와 통신은 드론의 안정적인 운용을 위하여 필수적이다. 빛이 거의 없어 광학 렌즈로 주위를 탐지하기 어려운 환경일 때, 드론은 레이더를 통해 주위를 감지할 수 있다. 또한, 드론 간 혹은 드론과 지상 기지국 간의 무선 통신을 통해 실시간으로 드론을 조작하고 수집된 데이터를 전송할 수 있다. 하지만 드론의 사이즈가 작아지면서, 최대 전력과 최대 적재 가능량이 제한되었고 통신과 레이더 기능을 위한 안테나를 모두 드론에 싣는 것은 어려워졌다. 더욱이 레이더와 통신 두 개의 기능을 위해 주파수를 따로 할당하는 것은 주파수 자원의 낭비로 이어질 수 있다. 따라서, 레이더와 통신이 결합된 레이더-통신 결합 시스템에 대한 연구가 필요하다.
한편, 레이더-통신 결합 시스템을 드론에 적용하는데 있어, 종래의 통신 기술을 사용하는 경우 여러 문제점이 발생할 수 있다.
일 예로, 첫 번째 종래의 통신 기술에서 사용되는 웨이브 폼은 레이더-통신 결합 시스템에서 사용되는 송-수신 시그널의 웨이브 폼과는 상이할 수 있다. 예를 들어, 레이더-통신 결합 시스템을 위해 종래의 통신 기술에서 사용되는 웨이브 폼을 사용하는 경우, 효율적인 레이더 동작을 수행하기 어려울 수 있다.
구체적으로, 첫 번째 종래의 통신 기술에서는 OFDM과 같은 기술을 사용할 때, 레이더 동작을 위한 웨이브 폼을 고려하지 않을 수 있다. 또한, 첫 번째 종래의 통신 기술에서, 신호를 인코딩하여 송신한 후, 물체에 맞고 되돌아온 신호를 통해 통신 데이터를 디코딩하는 과정에서, 레이더 동작을 위한 웨이브 폼이 고려되지 않을 수 있다. 즉, 레이더-통신 결합 시스템에서 사용되는 송신 및/또는 수신 시그널의 웨이브 폼은 레이더 동작을 수행하기 위해, 종래의 통신 기술에서 사용되는 송-수신 시그널과는 상이한 웨이브 폼이 사용될 수 있다.
다시 말하면, 첫 번째 종래의 통신 기술을 사용하는 경우 레이더 동작 (즉, 정량적인 레이더 성능 측정을 위하여 물체에 반사된 신호로부터 물체를 탐지하는 동작)을 수행하지 못할 수 있다. 예를 들어, OFDM 신호를 사용하는 경우, 도플러 이동으로 인한 반송파간 간섭이 발생할 수 있다. 타겟의 속도가 느릴 경우 간섭이 크게 작용하지 않지만, 타겟의 속도가 충분히 빠르다면 이러한 간섭으로 인하여 반사되는 신호의 세기가 변할 수 있다 (예를 들어, 반사되는 신호의 세기가 약해질 수 있다). 또한, 종래의 통신 기술을 사용하는 경우, 드론과 통신 단말간의 통신 채널에 따라 빔포머를 구하는 최적화 문제가 실패할 수도 있다는 단점이 있다.
다른 예로, 두 번째 종래의 통신 기술에서는, OFDM을 이용한 일련의 신호를 처리하여 통신 데이터를 구할 수 있다. 하지만 OFDM을 레이더 신호로 사용할 경우, 반송파 간 간섭이 발생하기 때문에 이를 억제하는 기술이 필요할 수 있다. 종래의 통신 기술은, 이와 같은 반송파 간 간섭 문제를 해결하기 위해, 반복적으로 똑같은 통신 심볼을 송신할 수 있다. 이러한 반복적인 통신 심볼 송신은 데이터 전송 속도를 떨어뜨리게, 되고 통신 성능의 심각한 저하를 유발할 수 있다.
이와 같이, 종래의 기술에서는 드론을 구체적으로 운영하는 환경(즉, 드론의 움직임에 따른 반송파 간 간섭)이 고려되지 않았다.
따라서, 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법 및 장치에 대한 연구가 필요하다.
이하에서, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법 및 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 시스템 모델의 일 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 시스템 모델은 한 개의 드론, 한 개의 레이더 타겟, 및 K 개의 통신 단말들을 포함할 수 있다. 도 1의 시스템 모델은 한 개의 드론 및 한 개의 레이더 타겟을 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 발명에 따른 시스템 모델은 복수의 드론 및 복수의 레이더 타겟을 포함할 수 있다.
예를 들어, 레이더 타겟은 다른 드론, 새와 같은 장애물, 등을 포함할 수 있다.
드론은
Figure 112021136853249-pat00001
개의 다중 안테나를 포함할 수 있다. k번째 통신 단말은
Figure 112021136853249-pat00002
개의 다중 안테나를 포함할 수 있다.
도 1에서, 드론은 공중에 날면서 다가오는 레이더 타겟의 거리와 속도를 측정하는 동시에, 지상에 있는 통신 사용자들과 무선 통신을 수행할 수 있다.
예를 들어, 드론은 레이다 관측 방향의 범위(range of radar look direction)에 포함된 타겟을 관측할 수 있다. 예를 들어, 도 1에서와 같이, 드론은 지평면으로부터 일정 각도 이상의 범위를 레이더로 관측할 수 있다. 타겟이 레이더 관측 방향의 범위에 포함되는 경우, 드론은 타겟을 관측할 수 있다. 도 1에서 타겟의 드론에 대한 상대적 관측 방향은 θ 일 수 있다.
드론은 타겟을 관측하는 동시에 지상(ground)의 단말(UE, user equipment)들과 무선 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 드론에서 송신된 신호는 지상의 물체(예를 들어, 건물 등)에 반사되어 단말로 전송될 수 있다.
이와 같이, 드론의 목적은 레이더 타겟을 탐지함과 동시에 통신 단말로 데이터를 송신하는 것이다. 드론은 레이더 타겟의 위치를 추정하기 위해 레이더 타겟으로부터 반사된 신호를 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템의 드론의 동작의 일 예를 나타낸다.
보다 구체적으로 도 2는, 도 1의 시스템 모델의 드론이 레이더 타겟의 위치를 추정하기 위해 레이더 타겟으로부터 반사된 신호를 이용하는 방법의 일 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 드론은 통신 데이터 (예를 들어, binary data)를 송신하기 위해 변조 (modulation)를 진행할 수 있다. 드론은 변조된 데이터를 OFDM 신호로 변환하여 아날로그 신호를 송신할 수 있다.
예를 들어, 드론은 송신기(transceiver) 및 수신기(receiver)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 드론은 통신 데이터 (예를 들어, binary data)에 (1) 변조(modulation), (2) S/P (serial-to-parallel) 변환, (3) IFFT (Inverse Fast Fourier Transform/Fast Fourier Transform) 변환, (4) P/S(Parallel-to-Serial)변환, (5) CP(Cyclic Prefix) 추가, 및 (6) DAC (Digital Analog Converter) 변환을 수행하여 OFDM 신호를 생성할 수 있다. 드론은 적어도 하나의 안테나를 이용하여 생성된 OFDM 신호(즉, 아날로그 신호)를 송신할 수 있다. 예를 들어, 드론의 송신기는 통신 데이터를 OFDM 신호로 변환시키는 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 드론으로부터 송신된 신호는 타겟에 반사되어, 드론의 수신기로 입력될 수 있다. 예를 들어, 드론으로부터 송신된 신호는 지상의 단말에게 전달될 수 있다.
예를 들어, 드론의 수신기는 타겟으로부터 반사된 신호를 수신할 수 있다. 이 경우, 드론은 지상의 단말로부터 전송된 신호를 수신하지 못할 수도 있다.
예를 들어, 드론의 수신기는 하나 이상의 안테나를 이용하여 타겟으로부터 반사된 신호를 수신할 수 있다.
드론은 수신된 신호에 (1) ADC (Analog Digital Converter) 변환, (2) CP(Cyclic Prefix) 제거, (3) S/P (serial-to-parallel) 변환, 및 (4) FFT (Fast Fourier Transform/Fast Fourier Transform) 변환을 수행하여 레이더 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들어, 드론의 수신기는 반사된 신호를 레이더 프로세서에 입력되는 신호로 변환시키는 동작을 수행할 수 있다.
드론은 레이더 프로세서(radar processor)를 포함할 수 있다. 드론은 타겟으로부터 반사된 신호를 레이더 프로세서에 전달할 수 있다. 드론은 반사된 신호로부터 생성된 레이더 데이터를 레이더 프로세서에 제공할 수 있다.
예를 들어, 레이더 프로세서는 레이더 데이터를 분석하여, 타겟을 관측할 수 있다. 예를 들어, 레이더 프로세서는 타겟의 위치 및/또는 속도와 관련된 정보를 생성할 수 있다.
이와 같이, 드론의 송신기에서 신호를 송신하는 경우, 다중 안테나를 통해 OFDM 신호를 송신할 수 있다. 다중안테나를 통해 송신되는 OFDM 신호의 이득과 위상은 송신 빔포밍 디자인에 의해 결정될 수 있다.
드론이 신호 송신 과정에서 추구하는 것 중 하나는, 송신 빔포머를 통해 OFDM 신호가 레이더 타겟과 통신 사용자들의 방향으로 지향될 수 있도록 조정하는 것 일 수 있다. 또한, 드론은 송신 빔포밍 디자인을 통해, 통신 단말과 드론의 하향링크 통신의 최소 신호 대비 잡음 및 간섭 비율 (SINR: Signal to Noise plus Interference Ratio)을 최대화하여 향상된 통신 성능을 보증할 수 있다.
본 발명에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 빔포밍 장치(예를 들어, 드론)는 종래 기술과 달리 통신 채널에 상관없이 언제나 송신 빔포머를 구할 수 있도록 디자인할 수 있고, 주어진 송신 파워 내에서 신호를 송신할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 빔포밍 장치는 아래에서 설명되는 최적화 문제를 해결함으로써, 통신 채널에 상관없이 언제나 송신 빔포머를 디자인할 수 있고, 주어진 송신 파워 내에서 신호를 송신할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 빔포밍 장치에서 사용되는 송신 및 수신 빔포머를 디자인하는 방법에 대해 설명한다.
Figure 112021136853249-pat00003
표 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 빔포밍 장치에서 사용되는 송신 빔포머를 디자인하기 위한 최적화 문제를 나타낸다.
표 1에서,
Figure 112021136853249-pat00004
는 k번째 통신 단말과 n번째 반송파에 대한 송신 빔포밍 벡터를 나타낸다.
Figure 112021136853249-pat00005
는 k번째 통신 단말의 우선 순위도를 나타낸다.
Figure 112021136853249-pat00006
는 주어진 송신 파워 제한을 나타낸다.
Figure 112021136853249-pat00007
는 송신 안테나 개수를 나타낸다.
Figure 112021136853249-pat00008
은 레이더 빔패턴 형성을 위한 참조 행렬을 나타낸다.
Figure 112021136853249-pat00009
는 송신 빔패턴과 참조 행렬로 형성되는 빔패턴의 최대 차이 제한을 나타낸다.
Figure 112021136853249-pat00010
는 드론과 k번째 통신 단말 사이의 n번째 반송파에 대한 통신 채널 행렬을 나타낸다.
Figure 112021136853249-pat00011
는 k번째 통신 단말의 노이즈 분산을 나타낸다.
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 빔포밍 장치(예를 들어, 드론)에서 사용되는 빔포밍 디자인은
Figure 112021136853249-pat00012
를 통해 최소 SINR이 극대화되고,
Figure 112021136853249-pat00013
를 통해 주어진 송신 파워 제한을 맞출 수 있다 (즉, 파워 제한 한도에서 최소 SINR이 극대화될 수 있다). 또한,
Figure 112021136853249-pat00014
를 통해 제한된 범위 내에서 원하는 송신 빔패턴이 조정될 수 있다. 하지만, 표 1의 최적화 문제는
Figure 112021136853249-pat00015
의 모양이 오목 (concave)하지 않기 때문에 풀기 어려울 수 있다.
따라서, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 빔포밍 장치에서 사용되는 송신 빔포머를 디자인하기 위해, 아래의 표 2의 수식들이 사용될 수 있다.
Figure 112021136853249-pat00016
표 2는 표 1의 최적화 문제를 풀기 쉬운 형태로 변환한 수식들을 나타낸다.
표 2에서,
Figure 112021136853249-pat00017
는 송신 빔포머의 공분산 행렬을 나타낸다. 또한,
Figure 112021136853249-pat00018
를 concave로 만들기 위하여
Figure 112021136853249-pat00019
값을 고정시킬 수 있다. 표 2의 수식을 정리하면, 아래의 표 3과 같다.
Figure 112021136853249-pat00020
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 위 문제는 concave이므로 고정된
Figure 112021136853249-pat00021
에 대한 최적화 문제가 해결될 수 있는지 여부를 확인할 수 있다. 만약, 위의 최적화 문제가 풀리는 경우,
Figure 112021136853249-pat00022
의 값을 높여, 다시 위의 최적화 문제에 접근할 수 있다. 이러한 과정을 반복하여,
Figure 112021136853249-pat00023
의 최대의 값 및 위 식을 만족하는 송신 빔포밍 디자인을 얻을 수 있다.
드론이 무선 신호를 송신한 뒤 타겟으로부터 반사된 신호를 수신할 때, 드론은 수신 빔포밍을 통해 레이더 타겟 방향에서 반사되는 신호만 수신할 수 있다. 즉, 드론은 수신 빔포밍을 통해 통신 단말들의 방향에서 수신되는 신호는 모두 제거하고 레이더 타겟 방향에서 반사되는 신호만 수신할 수 있다. 또한, 드론은 수신 빔포머를 통해 도플러 효과로 발생되는 반송파 간 간섭을 제거하는 역할을 수행할 수 있다.
수신된 레이더 타겟에 반사된 신호는 레이더 신호 처리 과정(예를 들어, 도 2에 개시된 신호 처리 과정)을 거쳐서 타겟의 거리와 속도를 추측하는 데에 사용될 수 있다. 이를 수식화하면 아래의 표 4와 같다.
Figure 112021136853249-pat00024
표 4는 레이더 타겟에서 반사된 신호와 관련된 최적화 문제를 나타낸다.
표 4에서,
Figure 112021136853249-pat00025
은 각도
Figure 112021136853249-pat00026
에 대한 방향 벡터를 나타낸다.
Figure 112021136853249-pat00027
는
Figure 112021136853249-pat00028
번째 반송파와
Figure 112021136853249-pat00029
번째 OFDM 신호에 대한 수신 빔포머를 나타낸다.
Figure 112021136853249-pat00030
는
Figure 112021136853249-pat00031
번째 반송파와
Figure 112021136853249-pat00032
번째 OFDM 신호에 대한 스케일 벡터를 나타낸다.
Figure 112021136853249-pat00033
은 각도
Figure 112021136853249-pat00034
에 대한 이상적인 빔패턴을 나타낸다.
Figure 112021136853249-pat00035
는
Figure 112021136853249-pat00036
번째 반송파와
Figure 112021136853249-pat00037
번째 OFDM 신호에 대한 통신 심볼을 나타낸다.
한편, 목적 함수가 4차 다항식이고 제한 조건이 1차 다항식이므로, 표 3의 최적화 문제를 풀기가 어려울 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 위 문제를 풀기 쉬운 형태로 변형하기 위하여 새로운 변수
Figure 112021136853249-pat00038
가 도입될 수 있고, 변형된 형태는 아래의 표 5와 같다.
Figure 112021136853249-pat00039
표 5에서,
Figure 112021136853249-pat00040
는 타겟이 존재하는 방향의 각도를 나타낸다. 또한,
Figure 112021136853249-pat00041
는 아래의 표 6과 같이 정의된다.
Figure 112021136853249-pat00042
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 표 5의 최적화 문제를 풀기 위해,
Figure 112021136853249-pat00043
3 개의 변수 중 하나를 선택하고, 나머지 두 개의 변수는 고정시켜서 한 변수에 대해 최적화를 수행할 수 있다. 이를 3개의 변수에 대하여 반복하여 최적화를 수행할 수 있다.
예를 들어,
Figure 112021136853249-pat00044
에 대한 최적화를 먼저 수행할 수 있다. 다른 두 변수가 고정되어 있기 때문에, 최적화 문제는 convex일 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에 다르면, 라그랑지 승수법 (Lagrange multipliers method)이 사용될 수 있다. 라그랑지 승수법이 사용된 경우,
Figure 112021136853249-pat00045
의 값은 아래의 표 7과 같다.
Figure 112021136853249-pat00046
표 7의
Figure 112021136853249-pat00047
및
Figure 112021136853249-pat00048
는 아래의 표 8과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112021136853249-pat00049
표 7의
Figure 112021136853249-pat00050
값을 위의 표 5의 최적화 문제에 대입한 결과는 아래의 표 9와 같다.
Figure 112021136853249-pat00051
이후,
Figure 112021136853249-pat00052
에 대한 최적화를 수행할 수 있다. 표 9의 최적화 문제의 목적함수를 최소화시킬 수 있는
Figure 112021136853249-pat00053
의 값은 아래의 표 10과 같다.
Figure 112021136853249-pat00054
표 10에서,
Figure 112021136853249-pat00055
및
Figure 112021136853249-pat00056
는 아래의 표 11과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112021136853249-pat00057
이후,
Figure 112021136853249-pat00058
에 관하여 최적화 문제를 풀면, 표 12 과 같은 해를 구할 수 있다.
Figure 112021136853249-pat00059
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 위의 동작을 반복적으로 수행하여 최종적으로 수신 빔포밍 디자인을 구할 수 있다.
예를 들어, 수신 빔포밍 디자인을 계산하는 알고리즘은 아래의 표 13과 같다.
Figure 112021136853249-pat00060
이하에서, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 빔포밍 장치의 유리한 효과에 대해 설명한다.
예를 들어, 빔포밍 장치(예를 들어, 드론)는 송신 빔포밍 최적화 문제를 풀어서 계산한 송신 빔포밍 디자인을 적용하여, OFDM 신호를 송신할 수 있다. 예를 들어, 드론은 위의 표 1 내지 표 13에서 설명된 최적화 문제의 결과를 기초로, 송신 빔포밍 디자인을 결정할 수 있다. 예를 들어, 드론은 결정된 송신 빔포밍 디자인을 이용하여, 다중 안테나를 통해 OFDM 신호를 송신할 수 있다.
예를 들어, 빔포밍 장치는 도 1에 개시된 드론일 수 있다. 드론은 교외지역을 날면서 지상의 통신 단말과 연결도리 수 있다. 드론과 각 통신 단말 간의 경로 사이에 가시선 전파 (line-of-sight)가 가능한 환경인지 여부는 확률적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 이때 사용되는 빔 패턴은 도 3과 같을 수 있다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템에서 사용되는 빔 패턴의 일 예를 나타낸다.
도 3에서, 빨간 선은 레이더 타겟이 0도에 있을 때의 이상적인 레이더 빔 패턴을 나타낸다. 파란 선은 송신 빔포밍 최적화 문제를 풀어서 계산된 송신 빔포머를 통해 얻은 송신 빔 패턴을 나타낸다. 도 3에서, 통신 단말기는 4개, 드론과 단말기들의 거리는 모두 60 m로 동일하며,
Figure 112021136853249-pat00061
는 30.7이다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 빔포머의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 송신 빔포머의 성능이 종래 기술이 제안하는 송신기보다 더 우수한 성능을 갖는다는 것을 볼 수 있다.
도 4에서, 첫 번째 종래 기술의 송신기와 수신기를 TB-MIMO라고 명칭하고, 두 번째 종래 기술의 송신기와 수신기를 ACDC-MIMO라 명칭한다. TB-MIMO의 경우 수신 빔포머를 제안하고 있지 않기 때문에 기존 레이더에서 통용되고 있는 위상 배열 (phased array) 방식을 이용하여 신호를 수신한다. ACDC-MIMO의 경우 단일 안테나를 사용하였기 때문에, 본 발명에 따른 빔포머와의 비교를 위하여 다중 안테나로 확장하고 송신기와 수신기에 위상 배열 방식을 사용하여 비교하였다.
먼저 송신기의 성능을 비교한다. 제안하는 송신 빔포머는 레이더 성능 제약인
Figure 112021136853249-pat00062
의 값에 따라 레이더와 통신 성능이 변화될 수 있다. TB-MIMO의 경우 통신 성능 제약인
Figure 112021136853249-pat00063
의 값에 따라 레이더와 통신 성능이 변화될 수 있다. ACDC-MIMO의 경우 송신에 대한 제약 조건이 없으므로 송신기 성능 비교에서는 제외되었다.
다시 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 송신기와 TB-MIMO의 송신기를 제약 조건과 드론-통신 단말 간의 거리를 변경하면서 레이더 성능인 Peak-to-side-lobe (PSLR)과 통신 데이터 전송률의 합 (sum-rate)의 결과 값을 볼 수 있다.
도 4의 그래프와 같이 본 발명에 다른 송신 빔포머와 TB-MIMO의 송신 빔포머 모두 레이더와 통신 성능에 trade-off 관계를 갖는다는 것을 볼 수 있다. 본 발명에 따른 송신 빔포머의 경우 통신 채널에 상관없이 언제나 최적화 문제를 풀 수 있기 때문에 실험한 모든 거리와 모든 레이더 성능 제약에 대하여 유효한 성능을 낸다는 것을 볼 수 있다. 반면에, TB-MIMO의 경우 거리가 멀어짐에 따라 통신 채널이 바뀌게 되고 이에 따라 최적화 문제를 푸는 것이 실패하게 된다는 것을 볼 수 있다. 결국 통신과 레이더 모든 기능을 수행하지 못하게 된다는 것을 볼 수 있다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 수신 빔포머의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 5는 본 발명에 따른 수신 빔포머를 계산하는 알고리즘의 수렴성을 나타낸다.
본 발명에 따른 수신 빔포밍의 경우, 두 변수에 대한 최적화 문제를 반복적으로 풀기 때문에 수신 빔포머를 계산하는 알고리즘의 수렴성에 대하여 먼저 검토되어야 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 수신 빔포밍 생성하기 위한 알고리즘은 아주 적은 반복 만으로도 빠르게 수렴하여, 원하는 수신 빔포머를 계산할 수 있다는 것을 볼 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 수신 빔포밍을 생성하기 위한 알고리즘은 3 번째 반복(Iteration)만으로 빠르게 수렴된다는 것을 볼 수 있다.
도 6는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 수신 빔포머의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 수신 빔포머가 반송파 간의 간섭을 얼마나 잘 제거하는지를 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 6은 각 거리에서 수신된 신호의 세기를 측정한 결과를 나타낸다. 이때, 레이더 타겟은 200 m에 존재하고, 표준화된 도플러 이동은 0.1이며, 노이즈가 존재하지 않을 때, 각 거리에서 수신된 신호의 세기를 측정되었다.
도 6에서, RS-MIMO는 도플러 이동으로 인한 반송파간 간섭을 제거하는 알고리즘을 적용하지 않는 ACDC-MIMO 기술을 의미한다.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 수신 빔포머의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7에서, SCR (signal-to-clutter-ratio)은 레이더 타겟에 반사된 신호의 세기를 0 dB로 놓았을 때, 레이더 타겟이 위치하지 않은 거리에서 수신된 신호 세기의 최대값과의 비율로 정의될 수 있다.
RS-MIMO의 경우 ACDC-MIMO와 마찬가지로 통신 심볼이 반복적으로 전송되어, 반송파 간의 간섭이 제거되지 않는다. 따라서, 가장 낮은 SCR 값인 36 dB를 갖는 것을 볼 수 있다.
TB-MIMO 또한 간섭을 제거하는 알고리즘이 없지만, 통신 심볼을 반복적으로 보내지 않아, 이에 따른 coherence diversity gain을 얻게되어 더 높은 SCR 값인 53 dB를 갖는 것을 볼 수 있다.
ACDC-MIMO의 경우 통신 심볼을 반복적으로 보내어 coherence diversity gain을 얻을 수 없지만, 간섭을 제거하는 기술을 통해 비교적 높은 SCR 값인 67 dB를 갖는 것을 볼 수 있다.
마지막으로 본 발명에 따른 수신 빔포머는 통신 심볼을 반복적으로 보내지 않고, 간섭 또한 제거하여 가장 높은 SCR 값인 100 dB를 갖는 것을 볼 수 있다.
다시, 도 7을 참조하면, 도 7의 그래프는 레이더 타겟의 속도가 증가할 때의 SCR 값을 측정한 결과를 나타낸다.
도 7의 그래프에서 레이더 타겟의 속도가 증가하면 도플러 효과 또한 더욱 커지게 되고, 이로 인하여 OFDM 신호의 반송파간 간섭이 더 심해져 SCR 값이 감소하게 된다는 것을 볼 수 있다.
따라서 간섭 제거 알고리즘이 도입되지 않은 TB-MIMO와 RS-MIMO는 타겟의 속도에 따라 SCR 값이 점점 감소되는 것을 볼 수 있다. 반면에 본 발명에 따른 기술과ACDC-MIMO의 경우 간섭을 제거하기 때문에 레이더 타겟의 속도와 상관없이 일정한 SCR 값을 갖게 되는 것을 볼 수 있다.
도 8은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 빔포밍 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 8은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 빔포밍 장치의 송신 빔포머와 수신 빔포머를 동시에 사용한 경우에, 노이즈가 존재하는 환경에서의 레이더 성능과 통신 성능을 비교한 결과를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 먼저 ACDC-MIMO의 경우, 통신 단말 방향으로 파워를 따로 할당하지 않고 오직 레이더 타겟에만 집중하기 때문에 레이더 성능이 상대적으로 제일 높다는 것을 볼 수 있다. 하지만 이를 위해 동일한 통신 심볼을 반복적으로 송신하여 다른 두 개의 기술에 비해 통신 성능이 매우 낮다는 것을 볼 수 있다.
TB-MIMO의 경우 타겟의 속도가 비교적 느릴 때에는 본 발명에 따른 빔포밍 장치(예를 들어, 드론)와 비슷한 성능을 내지만 타겟의 속도가 더 빨라질 경우 레이더 탐지 성능이 감소하게 된다는 것을 볼 수 있다.
반면에, 본 발명에 따른 빔포밍 장치의 경우 타겟의 속도와 상관없이 언제나 동일한 성능을 낸다는 것을 볼 수 있다.
도 9는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 빔포밍 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 9는 TB-MIMO 및 본 발명에 따른 빔포밍 장치에 따른 레이더 이미지를 나타낸다. 도 9의 레이더 이미지는 타겟의 속도와 시간 정보를 포함한다.
도 9를 참조하면, TB-MIMO의 경우 반송파 간의 간섭이 레이더 이미지에 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한, 레이더 타겟에 반사된 신호에 대한 간섭이 발생하여 신호의 세기가 약해진다는 것을 볼 수 있다.
반면에, 본 발명에 따른 빔포밍 장치의 경우, 반송파 사이의 간섭이 제거되어 상대적으로 깨끗한 레이더 이미지를 획득할 수 있다는 것을 볼 수 있다.
도 10은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법에 대한 흐름도이다.
예를 들어, 도 10의 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법은 앞에서 설명된 빔포밍 장치(예를 들어, 드론)에 의해 수행될 수 있다.
도 10을 참조하면, 단계 S1001에서, 빔포밍 장치는 (1) 최소 신호 대비 잡음 및 간섭 비율 (SINR: Signal to Noise plus Interference Ratio) 및 (2) 상기 빔포밍 장치의 송신 파워를 기초로 송신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계를 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 송신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계는, (1) 상기 빔포밍 장치의 상기 송신 파워의 최대 값을 설정하는 단계, 및 (2) 상기 최소 SINR를 최대화시키는 최적화 문제를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 최소 SINR를 최대화시키는 최적화 문제를 설정하는 단계는, 통신 채널과 관련 없이 상기 최소 SINR를 최대화시키는 최적화 문제를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계는, 상기 최적화 문제를 반복적으로 풀 수 있도록 단순화된 최적화 문제로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 송신 빔포밍 디자인은 상기 반복적으로 풀 수 있도록 단순화된 최적화 문제의 최적화된 결과 값에 기초하여 결정될 수 있다.
예를 들어, 상기 빔포밍 장치는 송수신기를 포함하는 드론을 포함할 수 있다.
단계 S1002에서, 빔포밍 장치는, 상기 송신 빔포밍 디자인을 이용하여 레이더 및 통신을 위한 무선 신호를 송신하는 단계를 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 무선 신호를 송신하는 단계는, 상기 빔포밍 장치에서, 다중 안테나를 통해 상기 송신 빔포밍 디자인에 따라 상기 무선 신호를 송신하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 무선 신호의 이득 및 위상은 상기 송신 빔포밍 디자인에 의해 결정될 수 있다.
예를 들어, 상기 무선 신호는 단말과의 통신을 위한 데이터를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 무선 신호는 OFDM 신호를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 빔포밍 장치는, 상기 단말을 위한 바이너리 데이터(binary data)에 (1) 변조(modulation), (2) S/P (serial-to-parallel) 변환, (3) IFFT (Inverse Fast Fourier Transform/Fast Fourier Transform) 변환, (4) P/S(Parallel-to-Serial)변환, (5) CP(Cyclic Prefix) 추가, 및 (6) DAC (Digital Analog Converter) 변환을 수행하여 상기 OFDM 신호를 생성하는 단계를 수행할 수 있다.
단계 S1003에서, 빔포밍 장치는 레이더 타겟에 의해 반사된 상기 무선 신호에 대한 반사 신호를 수신하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법에서, 상기 빔포밍 장치는 수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계를 더 수행할 수 있다.
이 경우, 상기 반사 신호를 수신하는 단계는, 상기 빔포밍 장치에서, 다중 안테나를 통해 상기 수신 빔포밍 디자인에 따라 상기 반사 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계는, 반송파간 간섭을 제거하고, 상기 레이더 타겟의 방향으로 반사된 신호만 수신하도록 수신 빔포머 최적화 문제를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계는, 상기 수신 빔포머 최적화 문제에, 반송파 및 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호와 관련된 변수를 도입하여 변화된 최적화 문제를 얻는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 변화된 최적화 문제는 하나 이상의 변수를 포함할 수 있다.
상기 수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계는, (1) 상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 하나 이상의 변수들 중 제1 특정 변수를 선택하는 단계, (2) 상기 하나 이상의 변수들 중 상기 제1 특정 변수 이외의 다른 변수들의 값을 고정시키는 단계, 및 상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 제1 특정 변수에 대한 최적화된 값을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계는, (1) 상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 하나 이상의 변수들 중 상기 제1 특정 변수와는 상이한 제2 특정 변수를 선택하는 단계, (2) 상기 하나 이상의 변수들 중 상기 제2 특정 변수 이외의 다른 변수들의 값을 고정시키는 단계, 및 (3) 상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 제2 특정 변수에 대한 최적화된 값을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계는 특정 변수 이외의 변수들을 고정하고, 상기 특정 변수에 대한 최적 값을 찾는 과정을 모든 변수에 대해 반복할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법에서, 상기 빔포밍 장치는 상기 수신된 반사 신호로부터 상기 타겟의 위치 또는 속도에 대한 정보를 얻는 단계를 더 수행할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법은 메모리, 프로세서, 송수신기(transceiver), 및 복수의 안테나를 포함하는 빔포밍 장치에 의해 구현될 수 있다.
메모리 및 프로세서는 각각 별도의 칩으로 구현되거나, 하나의 칩을 통해 구현될 수 있다. 메모리 및 프로세서는 서로 유기적으로 결합되어 작동될 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 메모리에 저장된 데이터를 사용할 수 있고, 프로세서에서 출력된 데이터는 다시 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 메모리는, 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는, 프로세서에 의해 실행되는 명령들(instructions) 또는 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 프로세서는, 소프트웨어를 구동하여 프로세서에 연결된 빔포밍 장치를 제어할 수 있다. 또한, 프로세서는 본 발명과 관련된 다양한 연산, 처리, 데이터 생성, 가공 등의 동작을 수행할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 실행가능한 알고리즘을 포함하는 프로그램(또는 어플리케이션)으로 구현될 수 있다. 상기 프로그램은 일시적 또는 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다.
비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM (read-only memory), PROM (programmable read only memory), EPROM(Erasable PROM, EPROM) 또는 EEPROM(Electrically EPROM) 또는 플래시 메모리 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
일시적 판독 가능 매체는 스태틱 램(Static RAM，SRAM), 다이내믹 램(Dynamic RAM，DRAM), 싱크로너스 디램 (Synchronous DRAM，SDRAM), 2배속 SDRAM(Double Data Rate SDRAM，DDR SDRAM), 증강형 SDRAM(Enhanced SDRAM，ESDRAM), 동기화 DRAM(Synclink DRAM，SLDRAM) 및 직접 램버스 램(Direct Rambus RAM，DRRAM) 과 같은 다양한 RAM을 의미한다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

Claims (19)

  1. 레이더-통신 결합 시스템을 위한 송수신 빔포밍 방법으로서,
    빔포밍 장치에서, (1) 최소 신호 대비 잡음 및 간섭 비율 (SINR: Signal to Noise plus Interference Ratio) 및 (2) 상기 빔포밍 장치의 송신 파워를 기초로 송신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계;
    상기 빔포밍 장치에서, 수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계;
    상기 빔포밍 장치에서, 상기 송신 빔포밍 디자인을 이용하여 레이더 및 통신을 위한 무선 신호를 송신하는 단계; 및
    상기 빔포밍 장치에서, 상기 수신 빔포밍 다자인을 이용하여 레이더 타겟에 의해 반사된 상기 무선 신호에 대한 반사 신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계는,
    반송파간 간섭을 제거하고, 상기 레이더 타겟의 방향으로 반사된 신호만 수신하도록 설정된 수신 빔포머 최적화 문제를 설정하는 단계;
    상기 수신 빔포머 최적화 문제에, 반송파 및 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호와 관련된 변수를 도입하여 변환된 최적화 문제를 얻는 단계-상기 변환된 최적화 문제는 하나 이상의 변수를 포함함-;
    상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 하나 이상의 변수들 중 제1 특정 변수를 선택하는 단계;
    상기 하나 이상의 변수들 중 상기 제1 특정 변수 이외의 다른 변수들의 값을 고정시키는 단계; 및
    상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 제1 특정 변수에 대한 최적화된 값을 결정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 변수는, 상기 OFDM 신호에 대한 수신 빔포머 또는 스케일 벡터인 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 무선 신호를 송신하는 단계는,
    상기 빔포밍 장치에서, 다중 안테나를 통해 상기 송신 빔포밍 디자인에 따라 상기 무선 신호를 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 무선 신호의 이득 및 위상은 상기 송신 빔포밍 디자인에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 송신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계는,
    상기 빔포밍 장치의 상기 송신 파워의 최대 값을 설정하는 단계; 및
    상기 최소 SINR를 최대화시키는 최적화 문제를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 최소 SINR를 최대화시키는 최적화 문제를 설정하는 단계는,
    통신 채널과 관련 없이 상기 최소 SINR를 최대화시키는 최적화 문제를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 빔포밍 장치에서, 수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 반사 신호를 수신하는 단계는,
    상기 빔포밍 장치에서, 다중 안테나를 통해 상기 수신 빔포밍 디자인에 따라 상기 반사 신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계는,
    상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 하나 이상의 변수들 중 상기 제1 특정 변수와는 상이한 제2 특정 변수를 선택하는 단계;
    상기 하나 이상의 변수들 중 상기 제2 특정 변수 이외의 다른 변수들의 값을 고정시키는 단계; 및
    상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 제2 특정 변수에 대한 최적화된 값을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 빔포밍 장치에서, 상기 수신된 반사 신호로부터 상기 타겟의 위치 또는 속도에 대한 정보를 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 무선 신호는 단말과의 통신을 위한 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 무선 신호는 OFDM 신호인 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 빔포밍 장치에서, 상기 단말을 위한 바이너리 데이터(binary data)에 (1) 변조(modulation), (2) S/P (serial-to-parallel) 변환, (3) IFFT (Inverse Fast Fourier Transform/Fast Fourier Transform) 변환, (4) P/S(Parallel-to-Serial)변환, (5) CP(Cyclic Prefix) 추가, 및 (6) DAC (Digital Analog Converter) 변환을 수행하여 상기 OFDM 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 방법.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 빔포밍 장치는 송수신기를 포함하는 드론인 것을 특징으로 하는, 빔포밍 방법.
  18. 메모리;
    송수신기; 및
    상기 메모리 및 상기 송수신기와 결합되어 작동되는 프로세서를 포함하는 빔포밍 장치로서, 상기 프로세서는,
    (1) 최소 신호 대비 잡음 및 간섭 비율 (SINR: Signal to Noise plus Interference Ratio) 및 (2) 상기 빔포밍 장치의 송신 파워를 기초로 송신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계;
    수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계;
    상기 송신 빔포밍 디자인을 이용하여 레이더 및 통신을 위한 무선 신호를 송신하는 단계; 및
    상기 수신 빔포밍 다자인을 이용하여 레이더 타겟에 의해 반사된 상기 무선 신호에 대한 반사 신호를 수신하는 단계를 수행하도록 구성되고,
    상기 프로세서는,
    상기 수신 빔포밍 디자인을 결정하기 위해,
    반송파간 간섭을 제거하고, 상기 레이더 타겟의 방향으로 반사된 신호만 수신하도록 설정된 수신 빔포머 최적화 문제를 설정하고, 상기 수신 빔포머 최적화 문제에, 반송파 및 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호와 관련된 변수를 도입하여 변환된 최적화 문제를 얻고-상기 변환된 최적화 문제는 하나 이상의 변수를 포함함-,
    상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 하나 이상의 변수들 중 제1 특정 변수를 선택하고,
    상기 하나 이상의 변수들 중 상기 제1 특정 변수 이외의 다른 변수들의 값을 고정시키고,
    상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 제1 특정 변수에 대한 최적화된 값을 결정하는 단계를 더 수행하도록 구성되고,
    상기 하나 이상의 변수는, 상기 OFDM 신호에 대한 수신 빔포머 또는 스케일 벡터인 것을 특징으로 하는,
    빔포밍 장치.
  19. 빔포밍 장치;
    단말; 및
    레이더 타겟을 포함하는 레이더-통신 결합 시스템으로서,
    상기 빔포밍 장치는,
    (1) 최소 신호 대비 잡음 및 간섭 비율 (SINR: Signal to Noise plus Interference Ratio) 및 (2) 상기 빔포밍 장치의 송신 파워를 기초로 송신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계;
    수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계;
    상기 송신 빔포밍 디자인을 이용하여 레이더 및 통신을 위한 무선 신호를 송신하는 단계; 및
    상기 수신 빔포밍 다자인을 이용하여 상기 레이더 타겟에 의해 반사된 상기 무선 신호에 대한 반사 신호를 수신하는 단계를 수행하고,
    상기 수신 빔포밍 디자인을 결정하는 단계는,
    반송파간 간섭을 제거하고, 상기 레이더 타겟의 방향으로 반사된 신호만 수신하도록 설정된 수신 빔포머 최적화 문제를 설정하는 단계;
    상기 수신 빔포머 최적화 문제에, 반송파 및 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호와 관련된 변수를 도입하여 변환된 최적화 문제를 얻는 단계-상기 변환된 최적화 문제는 하나 이상의 변수를 포함함-;
    상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 하나 이상의 변수들 중 제1 특정 변수를 선택하는 단계;
    상기 하나 이상의 변수들 중 상기 제1 특정 변수 이외의 다른 변수들의 값을 고정시키는 단계; 및
    상기 변환된 최적화 문제에서, 상기 제1 특정 변수에 대한 최적화된 값을 결정하는 단계를 더 수행하고,
    상기 단말은,
    상기 빔포밍 장치로부터의 상기 레이더 및 통신을 위한 무선 신호를 수신하는 단계를 수행하고,
    상기 하나 이상의 변수는, 상기 OFDM 신호에 대한 수신 빔포머 또는 스케일 벡터인 것을 특징으로 하는,
    레이더-통신 결합 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2020521945A (ja) * 2017-05-31 2020-07-27 グーグル エルエルシー 無線通信チップセットを使用するレーダー感知のためのデジタルビーム形成
KR20210096948A (ko) * 2020-01-29 2021-08-06 포항공과대학교 산학협력단 레이더-통신 결합 시스템의 신호 생성 방법

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