[논문]원형 배열 안테나의 DoA 추정 알고리즘 성능 분석

임승각; 강대수

doi:10.5762/kais.2008.9.2.395

원형 배열 안테나의 DoA 추정 알고리즘 성능 분석
Performance analysis of DoA estimation algorithm using a circular array antenna 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.9 no.2, 2008년, pp.395 - 400

임승각 (공주대학교 정보통신공학부) , 강대수 (공주대학교 정보통신공학부)

초록
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본 논문은 GPS 신호를 수신할 때 재머신호의 제거를 위한 성능 개선을 목적으로 2차원 원형 배열 안테나를 이용한 도래각(DoA : Direction of Arrival) 추정 알고리즘의 성능 분석에 관한 것이다. 배열 안테나를 사용하여 DoA를 추정한 후 공간 필터링을 수행함으로서 원하지 않는 방향으로부터의 재머신호를 널링(nulling)시키고, 원하는 방향으로의 빔을 형성하므로서 수신 신호의 품질을 개선할 수 있다. 논문에서는 4 소자와 7 소자 원형 배열 안테나에서 재머신호의 각도와 전력을 고정시킨 후 DoA 추정을 위하여 MUSIC, MinNorm 알고리즘을 적용한다. 이들 알고리즘의 성능 분석을 위하여 추정 결과와 추정 오차를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 계산한다. 추정 결과 신호대 잡음비가 양호한 경우 Azimuth각과 Elevation각 추정에서는 MUSIC과 MinNorm이 우월하며, 신호대 잡음비가 낮은 경우 MUSIC이 MinNorm보다 우월한 성능을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper relates to the performance analysis of DoA estimation algorithm in 2-dimensional circular array antenna for the receiving of GPS signal which is used for the performance improvement by elimination of jammer signal. By performing the spatial filtering after the DoA estimation in array antenna, the quality of receiving signal can improve by the nulling of jammer signal from the undesired direction and the forming of beam from the desired direction. In this paper, the MUSIC and MinNorm algorithm used for DoA estimation were applied after fixing the angle and power of jammer signal in 4 element and 7 element circular array antenna. In order to performance analysis, the estimation result and estimation error were computed by computer simulation. As a result, the MUSIC and MinNorm were fairly good in azimuth and elevation angle estimation of DoA in case of good signal to noise ratio and the MUSIC has better performance compared to MinNorm in case of poor signal to noise ratio.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

논문에서는 2차원 원형 배열 안테나를 이용한 도래 각 추정 알고리즘의 성능을 분석하였다. 도래각 추정은 무선신호를 수신할 때 전파의 도래각을 추정하므로 서 원하는 방향의 신호 성분을 선택 수신하며 다른 방향의 신호 성분을 수신하지 않으므로 수신기의 성능을 개선할 수있으므로 스마트 안테나의 중요한 부분이 된다.

제안 방법

이를 위해 원형 형태로 배열된 안테나 소자로부터 수신된 신호를 결합하여 도래 방향을 추정하기 위한 알고리즘과 추정된 결과를 이용하여 소자의 이득과 위성을 조절하는 빔 형성의 2 가지 과정이 필요하게 된다[5, 6]. 본 논문에서는 4 소자와 7 소자의 2 차원 원형 배열 안테나를 대상으로 하여 신호대 잡음비가 OdB, -30dB 인 경우도래 방향 추정 알고리즘을 MUSIC(MUltiple Signal Classification) 과 MinNorm(Minimuni Norm)을 적용할 때 추정 결과 및 재머 신호의 전력에 따른 추정 오차를 분석 하였다. 2 장에서는 선형 배열 안테나 모델과 추정 알고리즘에 대하여 설명한 후 3 장에서는 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 제시한 후 4 장에서 결론을 내리겠다.
8]. 상기 2 가지 알고리즘의 SPECTRUM을 이용하여 최고치 값을 갖는 방위각과 앙각을 추적하여 DoA를 결정하게된다.
DoA 추정 알고리즘의 .성능을 분석하기 위해 다음의 파라미터를 적용한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.
도래각 추정 결과 방위각과 앙각 모두에서 MUSIC 이 MinNorm 알고리즘보다 우수하다. 신호 대 잡음 비가 저하할수록 MinNorm 알고리즘의 앙각 추정 시 오차가 수반되어 성능을 열화시킬 가능성이 있는데 Jammer 에대한 추정 오차 분석은 원형 배열 안테나의 사용 소자수를 4 개와 7 개로 변화시키면서 수행하였다. 분석 결과 소자수가 증가할수록 추정 오차가 감소하였고, MUSIC 알고리즘이 동일한 Jammer 전력에서 적은 오차를 얻을 수 있었으며, MinNorm 방식이 오차의 변화폭 이적게 되어 Roburstaess 성을 가짐을 알 수 있다.
6에 나타내었다. 이때 원형 안테나의 소자수를 4 개와 7 개를 선택 사용하며 신호대 잡음비를 OdB 로 고정시킨 후 100 개의 입력 신호 샘플을 이용할 때 단일 Jammer 와 2 Jammer 신호의 전력에 대한 DoA 추정 알고리즘인 MUSIC과 MinNorm 방식의 오차를 나타내었다 .
추정 알고리즘으로는 MUSIC과 MinNorm 알고리즘을 대상으로 하여 신호대 잡음비에 따른 방위각과 앙각의 추정 결과와 단일 Jammer와 2 Jammer에대한 추정 오차를 분석하였다. 도래각 추정 결과 방위각과 앙각 모두에서 MUSIC 이 MinNorm 알고리즘보다 우수하다.

이론/모형

GPS 신호를 수신할 때 2차원 원형 배열 안테나를 이용한 DoA 추정 알고리즘의 .성능을 분석하기 위해 다음의 파라미터를 적용한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.

성능/효과

분석하였다. 도래각 추정 결과 방위각과 앙각 모두에서 MUSIC 이 MinNorm 알고리즘보다 우수하다. 신호 대 잡음 비가 저하할수록 MinNorm 알고리즘의 앙각 추정 시 오차가 수반되어 성능을 열화시킬 가능성이 있는데 Jammer 에대한 추정 오차 분석은 원형 배열 안테나의 사용 소자수를 4 개와 7 개로 변화시키면서 수행하였다.
신호대 잡음비가 높을수록 방위각과 앙각의 추정 결과 피크치 전력이 높아짐을 알 수 있으며, 특히 MinNorm 알고리즘에서 앙각의 추정 시에 원치 않는 추정 결과치가 얻어짐을 알 수 있지만 이들 2 가지 방식은 최대 피크치 전력에서 원하는 방위각과 앙각에서 정확한 추정 결과를 보이고 있다. 또한 신호대 잡음비와는 무관하게 방위각이 앙각의 추정 결과보다 월등히 양호함을 알 수 있다.
신호 대 잡음 비가 저하할수록 MinNorm 알고리즘의 앙각 추정 시 오차가 수반되어 성능을 열화시킬 가능성이 있는데 Jammer 에대한 추정 오차 분석은 원형 배열 안테나의 사용 소자수를 4 개와 7 개로 변화시키면서 수행하였다. 분석 결과 소자수가 증가할수록 추정 오차가 감소하였고, MUSIC 알고리즘이 동일한 Jammer 전력에서 적은 오차를 얻을 수 있었으며, MinNorm 방식이 오차의 변화폭 이적게 되어 Roburstaess 성을 가짐을 알 수 있다. 향후에는 본 연구 결과를 더욱 확장하여 다양한 형태의 배열 안테나와 Jammer를 증가시킬 때 이들의 성능을 비교하기 위한 연구뿐만 아니라 기본적인 알고리즘의 성능 개선을 위한 연구도 필요하다.
그림 3 은 7개 소자의 안테나에서 신호대 잡음비를 OdB 와 -30dB 이며 Jammer 신호의 각도가 -40, -20도인 경우 DoA 의 추정 결과를 방위각과 앙각으로 분리하여 나타낸 것이다. 신호대 잡음비가 높을수록 방위각과 앙각의 추정 결과 피크치 전력이 높아짐을 알 수 있으며, 특히 MinNorm 알고리즘에서 앙각의 추정 시에 원치 않는 추정 결과치가 얻어짐을 알 수 있지만 이들 2 가지 방식은 최대 피크치 전력에서 원하는 방위각과 앙각에서 정확한 추정 결과를 보이고 있다. 또한 신호대 잡음비와는 무관하게 방위각이 앙각의 추정 결과보다 월등히 양호함을 알 수 있다.
오차 분석 결과 사용되는 소자의 수가 많을수록 동일한 Jammer 전력에서 적은 오차를 얻을 수 있었는데 이의효과는 MUSIC 방식이 MinNorm 방식보다 우월하다. 반면 Jammei의 수가 증가하므로 서 MinNorm 방식이 MUSIC 보다 적은 오차 변화를 보이므로 우월한 Roburstness 특성을 가짐을 알 수 있다.

후속연구

분석 결과 소자수가 증가할수록 추정 오차가 감소하였고, MUSIC 알고리즘이 동일한 Jammer 전력에서 적은 오차를 얻을 수 있었으며, MinNorm 방식이 오차의 변화폭 이적게 되어 Roburstaess 성을 가짐을 알 수 있다. 향후에는 본 연구 결과를 더욱 확장하여 다양한 형태의 배열 안테나와 Jammer를 증가시킬 때 이들의 성능을 비교하기 위한 연구뿐만 아니라 기본적인 알고리즘의 성능 개선을 위한 연구도 필요하다.

참고문헌 (8)

고학림, 김주환, "파일럿 신호를 이용한 CDMA 통신 방식용 스마트 안테나 시스템 설계", Telecommunication Review, 제9권, 2호, pp.133-144, 19991)
이문수역, 스마트안테나 , 두양사, 2002
Joseph C. Liberti, Jr.Theodore S. Rappaport, Smart Antenna for wireless communication, Prentice Hall 1999
Savo G. Glisic,"Advanced wireless communications-4G", John Wiley & Sons, 2004
Meehan J."Antenna diversity for improved indoor reception of US digital terrestrial television receivers", IEEE Trans. on Consumer Electronics, Vol.48, No.4, pp.850-853, Nov. 2002

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G.V.Serebryakov, S.A.Tiraspolsy, "High resolution capability of adaptive antenna array for communication system", Journal of Radioelectronic, Nov. 2002
Simon Haykin,"Adaptive Filter Theory", Prentice Hall, 1991
H.Krim, P.Forster, J.G.Proakis,"Operator approach to performance analysis of Root-MUSIC and Root-MinNorm", IEEE Trans. on A.S.S.P., Vol.40, July 1992

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