본 논문에서는 비변수 추정 알고리즘을 토대로 선형배열 안테나와 원형배열 안테나로부터 수신되는 다중신호의 DOA와 적응 빔성형 알고리즘을 연구하고 분석하였다. 비변수 추정 알고리즘에서는 입사각의 함수로써 신호에너지를 추정하기 위하여 고분해능과 잡음억압을 도출하도록 비이차놈을 사용하여 규칙화 목적함수를 최소화하였다. 그리고 나서, 신호와 잡음공간 조정벡터로부터 DOA를 추정하였고, 공간벡터에 의하여 도출된 가중치 벡터를 적용하여 적응 빔성형 패턴을 개선하였다. 특히, 안테나 배열방법과 배열소자의 수에 따라 입사되는 다중신호의 방향성 판별 능력과 적응빔을 성형하는 능력을 비교하고 고찰하였다.
본 논문에서는 비변수 추정 알고리즘을 토대로 선형배열 안테나와 원형배열 안테나로부터 수신되는 다중신호의 DOA와 적응 빔성형 알고리즘을 연구하고 분석하였다. 비변수 추정 알고리즘에서는 입사각의 함수로써 신호에너지를 추정하기 위하여 고분해능과 잡음억압을 도출하도록 비이차놈을 사용하여 규칙화 목적함수를 최소화하였다. 그리고 나서, 신호와 잡음공간 조정벡터로부터 DOA를 추정하였고, 공간벡터에 의하여 도출된 가중치 벡터를 적용하여 적응 빔성형 패턴을 개선하였다. 특히, 안테나 배열방법과 배열소자의 수에 따라 입사되는 다중신호의 방향성 판별 능력과 적응빔을 성형하는 능력을 비교하고 고찰하였다.
In this paper, DOA(direction of arrival) of multiple incident signals received from linear array antenna and circular array antenna, which is based on nonparametric estimation algorithm, and adaptive beam-forming algorithm are studied and analyzed. In nonparametric estimation algorithm, we minimize ...
In this paper, DOA(direction of arrival) of multiple incident signals received from linear array antenna and circular array antenna, which is based on nonparametric estimation algorithm, and adaptive beam-forming algorithm are studied and analyzed. In nonparametric estimation algorithm, we minimize a regularized objective function for finding a estimate of the signal energy as a function of angle, using nonquadratic norm which leads to supper resolution and noise suppression. And then, DOA is estimated by the signal and noise spatial steering vector, and adaptive beam-forming pattern is improved by weight vectors obtained from the spatial vector. Especially, the discrimination ability of DOA and the adaptive beam-forming ability according to antenna array methods and the number of array elements are compared and considered.
In this paper, DOA(direction of arrival) of multiple incident signals received from linear array antenna and circular array antenna, which is based on nonparametric estimation algorithm, and adaptive beam-forming algorithm are studied and analyzed. In nonparametric estimation algorithm, we minimize a regularized objective function for finding a estimate of the signal energy as a function of angle, using nonquadratic norm which leads to supper resolution and noise suppression. And then, DOA is estimated by the signal and noise spatial steering vector, and adaptive beam-forming pattern is improved by weight vectors obtained from the spatial vector. Especially, the discrimination ability of DOA and the adaptive beam-forming ability according to antenna array methods and the number of array elements are compared and considered.
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문제 정의
본 논문에서는 전형적인 선형배열(typical linear array) 안테나와 원형배열(circular array) 안테나로부터 입사되는 다중 입력신호의 방향을 판별하고 적응빔을 성형하는 능력을 분석한다. 그리고 안테나의 배열방법에 따라 수신 각도 별로 달라지는 분해능의 차이를 분석하고 적절한 배열 안테나 시스템을 구축하기 위한 방법을 도출한다. 다중 입력신호의 방향성인 DOA는 변수 추정 알고리즘보다 방향성 성능이 우수한 비변수 추정 알고리즘(nonparameteric estimation algorithm)을 이용한다[8-12].
본 논문에서는 다중신호를 처리하는 MIMO 시스템에서 원하는 방향으로 빔을 효율적으로 성형할 수 있는 DOA 추정 알고리즘과 안테나의 배열방법을 분석하고, 제반 특성들을 연구하였다. DOA 추정은 비변수 추정 알고리즘인 비이차놈추정 알고리즘을 사용하였으며, 최적화시킨 놈인자 p와 α를 다중신호의 방향성 추정에 적용하여 분해능을 더욱 향상시켰다.
본 논문에서는 전형적인 선형배열(typical linear array) 안테나와 원형배열(circular array) 안테나로부터 입사되는 다중 입력신호의 방향을 판별하고 적응빔을 성형하는 능력을 분석한다. 그리고 안테나의 배열방법에 따라 수신 각도 별로 달라지는 분해능의 차이를 분석하고 적절한 배열 안테나 시스템을 구축하기 위한 방법을 도출한다.
가설 설정
안테나로 들어오는 입사신호의 입사각을 추정하기 위하여 배열 소자의 수는 각각 M=4, 8, 12 개의 배열구조를 가지며, 배열간격은 선형배열인 경우는 일직선상에 반파장이고, 원형배열인 경우는 반경이 일정한 원주를 따라 반파장이다. 그리고 모든 배열 소자는 등 간격으로 배열된 경우를 가정하였다. 또한 방향성 조정(steering) 벡터는 0°에서 180°까지를 1° 씩 분할하여 구성하였으며, 중심 주파수가 1.
또한 방향성 조정(steering) 벡터는 0°에서 180°까지를 1° 씩 분할하여 구성하였으며, 중심 주파수가 1.95GHz인 다중 입사신호의 수는 2∼ 5개로 가정하여 DOA 추정 결과 값을 산출하였다.
제안 방법
DOA 추정은 비변수 추정 알고리즘인 비이차놈추정 알고리즘을 사용하였으며, 최적화시킨 놈인자 p와 α를 다중신호의 방향성 추정에 적용하여 분해능을 더욱 향상시켰다.
-norm) 결정법을 사용한다. 그리고 놈 인자가 결정되면 다중신호의 전력 스펙트럼을 분석한 후 다중 입력신호의 DOA를 결정하고, 결정된 DOA을 토대로 가중치를 산출하여 원하는 방향에 빔을 성형시킬 수 있는 적응 빔성형 패턴을 구한다. 특히, 배열 방법에 따라 그리고 안테나로 입사되는 공간 신호원의 에너지 크기와 방향에 따라 분해능의 특성을 개선하는 적응 빔성형 알고리즘을 제안한다.
과거에는 무선통신 시스템이 고정 빔성형 시스템을 사용하였기 때문에 통신신호의 방향이 바뀔 때 마다 신속하게 대응하지 못하였다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 고안된 다중신호처리 시스템은 스마트 배열 안테나 소자들을 이용하여 시공간 다중 입력신호들을 RF 하드웨어 기술과 신호처리기(DSP)를 통하여 동시에 처리한다. 이 원리는 배열된 안테나 소자들 간의 신호를 결합시켜 입사되는 신호들의 방향을 알아내고, 그 방향으로 빔패턴을 적절하게 성형시킨다.
그리고 놈 인자가 결정되면 다중신호의 전력 스펙트럼을 분석한 후 다중 입력신호의 DOA를 결정하고, 결정된 DOA을 토대로 가중치를 산출하여 원하는 방향에 빔을 성형시킬 수 있는 적응 빔성형 패턴을 구한다. 특히, 배열 방법에 따라 그리고 안테나로 입사되는 공간 신호원의 에너지 크기와 방향에 따라 분해능의 특성을 개선하는 적응 빔성형 알고리즘을 제안한다.
대상 데이터
본 논문에서 가정한 다중입력 신호원은 이동통신환경에서의 DOA 추정능력을 확인하기 위해 방향성과 페이딩을 포함하는 CDMA 신호를 사용하였다. 안테나로 들어오는 입사신호의 입사각을 추정하기 위하여 배열 소자의 수는 각각 M=4, 8, 12 개의 배열구조를 가지며, 배열간격은 선형배열인 경우는 일직선상에 반파장이고, 원형배열인 경우는 반경이 일정한 원주를 따라 반파장이다.
이론/모형
그리고 안테나의 배열방법에 따라 수신 각도 별로 달라지는 분해능의 차이를 분석하고 적절한 배열 안테나 시스템을 구축하기 위한 방법을 도출한다. 다중 입력신호의 방향성인 DOA는 변수 추정 알고리즘보다 방향성 성능이 우수한 비변수 추정 알고리즘(nonparameteric estimation algorithm)을 이용한다[8-12].
비변수 추정 알고리즘은 배열 안테나로부터 수신된 다중신호의 상관행렬을 희소강제와 고분해능을 만드는데 적합한 비이차형(nonquadratic) 조정함수로 변환하고, 비이차놈(lp-norm) 결정법을 사용한다. 그리고 놈 인자가 결정되면 다중신호의 전력 스펙트럼을 분석한 후 다중 입력신호의 DOA를 결정하고, 결정된 DOA을 토대로 가중치를 산출하여 원하는 방향에 빔을 성형시킬 수 있는 적응 빔성형 패턴을 구한다.
성능/효과
DOA 추정 비변수 알고리즘인 비이차놈결정 알고리즘을 시뮬레이션하는 과정에서는 수렴조건을 δ = 10−3 이하로 놓고, 고분해능과 잡음억제의 목적을 달성할 수 있도록 놈결정 파라미터 p와 α를 가변시켜 가면서 방향성 추정능력을 산출한 결과, p = 0.1, α = 1 값에서 최적의 성능을 나타내었다.
특히, 스마트 안테나 시스템은 여러 개의 안테나 소자를 배열하여 각각의 안테나 소자에 수신되는 신호들의 이득 및 위상을 조절함으로써, 기지국에서 원하는 사용자의 방향으로부터 전파되어 오는 신호만을 수신하고 그 이외의 방향에서 전파되어 오는 다중간섭에 의한 잡음신호 레벨을 크게 감소시켜 시스템의 성능을 향상시키고 기지국의 채널 용량을 증가시키는 시스템이다. 그리고 기존 시스템을 사용할 때에 비해 단말기의 전력 소비를 줄일 수 있고 단말기의 통화 시간 및 배터리 사용 시간을 증가시킬 수 있다.
다중입사 신호에 대한 DOA 추정 능력을 비교하면 두 배열방법 모두 입사 각도에서 정확히 방향성을 추정할 수 있지만, 원형배열인 경우가 선형배열인 경우보다 10dB 이상 신호분해능이 우수함을 알 수 있었다. 그리고 배열소자수가 적을 경우에는 선형배열인 경우가 원형배열인 경우보다 적응 성형빔이 우수하게 나타나고, 소자수가 증가하면 원형배열인 경우가 선형배열인 경우보다 성형빔이 효과적으로 형성됨을 알 수 있었다.
DOA 추정은 비변수 추정 알고리즘인 비이차놈추정 알고리즘을 사용하였으며, 최적화시킨 놈인자 p와 α를 다중신호의 방향성 추정에 적용하여 분해능을 더욱 향상시켰다. 그리고 추정된 DOA를 적용하여 선형배열 안테나 소자와 원형배열 안테나 소자로 인가되는 가중치를 구함으로써 원하는 방향으로 빔성형을 효과적으로 형성할 수 있었다. 다중입사 신호에 대한 DOA 추정 능력을 비교하면 두 배열방법 모두 입사 각도에서 정확히 방향성을 추정할 수 있지만, 원형배열인 경우가 선형배열인 경우보다 10dB 이상 신호분해능이 우수함을 알 수 있었다.
그림 2-c는 입사각이 30°, 60°, 90°, 120°, 150°인 5개의 입사 신호가 12개의 선형배열 소자와 원형배열 소자를 갖는 안테나로 입사될 때 DOA 추청 알고리즘에 의해 DOA를 추정한 결과이다. 그림에 나타낸 것처럼, 5개의 입사 신호에 대한 DOA 추정 능력을 비교하면 두 배열방법 모두 입사된 각도에서 정확히 방향성 추정을 잘하고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 원형배열인 경우가 선형배열인 경우보다 신호분해능이 10dB 정도 우수함을 알 수 있다.
그리고 추정된 DOA를 적용하여 선형배열 안테나 소자와 원형배열 안테나 소자로 인가되는 가중치를 구함으로써 원하는 방향으로 빔성형을 효과적으로 형성할 수 있었다. 다중입사 신호에 대한 DOA 추정 능력을 비교하면 두 배열방법 모두 입사 각도에서 정확히 방향성을 추정할 수 있지만, 원형배열인 경우가 선형배열인 경우보다 10dB 이상 신호분해능이 우수함을 알 수 있었다. 그리고 배열소자수가 적을 경우에는 선형배열인 경우가 원형배열인 경우보다 적응 성형빔이 우수하게 나타나고, 소자수가 증가하면 원형배열인 경우가 선형배열인 경우보다 성형빔이 효과적으로 형성됨을 알 수 있었다.
특히 원형배열인 경우는 부엽이 없고 주엽에 적응빔이 집중되는 현상이 나타난다. 따라서 배열소자수가 작을 경우에는 선형배열인 경우가 원형배열인 경우보다 적응 성형빔이 우수하게 나타나지만, 소자수가 증가하면 원형배열인 경우가 선형배열인 경우보다 적응 성형빔이 잘 형성됨을 알 수 있다.
후속연구
본 논문에서 분석한 DOA 방향성 추정과 배열방법에 따른 적응 빔성형 알고리즘은 제한된 주파수 환경하에서 통신용량을 증가시키고 통화품질을 향상시킬 수 있는 MIMO 시스템의 안테나 기술에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스마트 안테나 시스템이란 무엇인가?
최근에 고속의 데이터 전송율과 고주파 대역에서의 넓은 대역폭 그리고 보다 많은 채널 용량을 갖도록 구성하는 시공간 처리 시스템의 실제적인 구현 방법들은 스마트 안테나(smart antenna), 송수신 다이버시티 기법, 시공간 부호 처리 기법을 비롯하여 다중입력에 대한 다중처리 기법인 MIMO(multiple input multiple output)에 대한 관심이 집중되고 있다[1,2]. 특히, 스마트 안테나 시스템은 여러 개의 안테나 소자를 배열하여 각각의 안테나 소자에 수신되는 신호들의 이득 및 위상을 조절함으로써, 기지국에서 원하는 사용자의 방향으로부터 전파되어 오는 신호만을 수신하고 그 이외의 방향에서 전파되어 오는 다중간섭에 의한 잡음신호 레벨을 크게 감소시켜 시스템의 성능을 향상시키고 기지국의 채널 용량을 증가시키는 시스템이다. 그리고 기존 시스템을 사용할 때에 비해 단말기의 전력 소비를 줄일 수 있고 단말기의 통화 시간 및 배터리 사용 시간을 증가시킬 수 있다.
다중신호처리 시스템은 시공간 다중 입력신호를 어떻게 처리하는가?
과거에는 무선통신 시스템이 고정 빔성형 시스템을 사용하였기 때문에 통신신호의 방향이 바뀔 때 마다 신속하게 대응하지 못하였다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 고안된 다중신호처리 시스템은 스마트 배열 안테나 소자들을 이용하여 시공간 다중 입력신호들을 RF 하드웨어 기술과 신호처리기(DSP)를 통하여 동시에 처리한다. 이 원리는 배열된 안테나 소자들 간의 신호를 결합시켜 입사되는 신호들의 방향을 알아내고, 그 방향으로 빔패턴을 적절하게 성형시킨다.
다중신호처리 시스템은 기존 무선통신 시스템의 어떤 단점을 해결하기 위해 고안되었는가?
과거에는 무선통신 시스템이 고정 빔성형 시스템을 사용하였기 때문에 통신신호의 방향이 바뀔 때 마다 신속하게 대응하지 못하였다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 고안된 다중신호처리 시스템은 스마트 배열 안테나 소자들을 이용하여 시공간 다중 입력신호들을 RF 하드웨어 기술과 신호처리기(DSP)를 통하여 동시에 처리한다.
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