[논문]TPMS 간섭제거를 위한 Generalized Sidelobe Canceler

박철; 황석승

doi:10.5391/jkiis.2012.22.5.663

TPMS 간섭제거를 위한 Generalized Sidelobe Canceler
Generalized Sidelobe Canceler for TPMS Interference Cancellation 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.22 no.5, 2012년, pp.663 - 668

박철 (조선대학교 대학원 첨단부품소재공학과) , 황석승 (조선대학교 공과대학 메카트로닉스공학과)

초록
AI-Helper

차량의 각 타이어에 부착된 센서에서 압력과 온도 등을 측정하여 측정된 데이터를 차량의 무선 수신기에 전송하여 디스플레이에 타이어의 상태를 표시하는 TPMS(Tire Pressure Monitoring System)는 차량의 운행 또는 정지 중에 타이어의 상태를 수시로 점검하여 운전자에게 타이어 상태정보를 제공하는 안전보조 장치이다. TPMS는 각 타이어에서 측정되는 데이터를 전송하기위해 무선통신을 이용하는데, 정확한 데이터 전송을 방해하는 외부 전기 및 전자장치에 의한 간섭이 존재할 수 있다. 본 논문에서는 정확한 데이터 전송에 영향을 주는 간섭을 제거하고 MVDR(Minimum-Variance Distortionless-Response) 보다 낮은 복잡도를 가지는 GSC(Generalized Sidelobe Canceler) 기반의 TPMS 간섭제거 방식을 제안한다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 본 논문에서 제안된 간섭제거 기술의 성능을 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A TPMS(Tire Pressure Monitoring System) is a wireless communication system designed to monitor the pressure and temperature of pneumatic tires of a vehicle. In order to provide the aid in protecting a driver, this system reports tire pressure information to the driver of the vehicle. Since the wireless communication technique should be employed to transmit the TPMS data from each tire to signal processing unit in the vehicle, it suffers from interference signals from external electrical or electronics equipments. In this paper, we propose the TPMS interference cancellation technique based on GSC(Generalized Sidelobe Canceler), which does not have only the excellent performance like MVDR(Minimum-Variance-Distortionless-Response) but also has the low computational complexity comparing with MVDR. The performance of interference suppression is conformed by computer simulation examples.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 그림 2와 같이 외부 간섭을 제거하는 방법으로 GSC 빔형성기를 적용시킨 TPMS 수신기를 제안한다. 자기상관행렬(auto correlation matrix)계산이 필요하지 않아서 MVDR보다 월등히 낮은 복잡도를 가지는 GSC는 MVDR과 거의 비슷한 간섭제거 성능을 보유한다.
TPMS 무선통신 주파수와 비슷한 주파수를 사용하는 전기 및 전자 장비로부터 심각한 무선통신 간섭이 발생하여 TPMS무선통신 시 정확한 데이터를 전송 받지 못할 가능성이 있다. 이러한 간섭을 제거하기 위해본 논문에서는 MVDR에 비해 월등히 낮은 복잡도를 보유하고 MVDR과 거의 비슷한 성능을 가지는 적응 GSC 빔형성기 기반의 TPMS 무선 수신기 구조를 제안하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 제안된 시스템의 간섭제거 성능 결과를 확인할 수 있다.
스위칭 빔형성기는 간섭제거성능이 낮고, MVDR 빔형성기는 자기상관행렬의 계산이 필요하므로 복잡도가 매우 높은 문제점을 가진다. 이와 같은 문제점을 보완하기위해 본 논문에서는 GSC 기반의 빔 형성기를 제안한다. GSC[10] 기반의 빔형성기는 MVDR 빔형성기와 비슷한 간섭제거 성능을 가지면서 MVDR 빔형성기 보다 복잡도가 현저히 낮은 성능을 가진다.

가설 설정

타이어에서 수신안테나로 입사되는 수신신호의 입사각은 60º, 120º,240 º, 300º로 가정하였고 수신안테나에 수신되는 간섭 들의 입사각은 85º, 170º, 275º으로 가정하였다.

제안 방법

GSC 빔형성기를 TPMS에 적용하기 위해 본 논문에서는 그림 1과 같이 각 타이어로부터 데이터를 전송 받기 위하여 차량의 중심부에 일렬로 M개의 안테나를 배치한 구조를 사용한다. 등 간격 선형 어레이(Uniform Linear Array, ULA)를 이용한 i번째 타이어와 샘플 인덱스 k 기반의 수신 신호는 식 (1)과 같이 주어진다.
본 논문에서는 GSC를 TPMS에 적용시키기 위해서 각 타이어에 송신안테나와 센서를 배치하고 차량의 중앙에 일렬로 M개의 안테나를 배치한다. 또한 각 타이어간의 송신 신호간의 간섭을 제거하기 위하여 고유의 Gold Code[13]를 각 타이어에 부여하는 방식을 제안한다.
자기상관행렬(auto correlation matrix)계산이 필요하지 않아서 MVDR보다 월등히 낮은 복잡도를 가지는 GSC는 MVDR과 거의 비슷한 간섭제거 성능을 보유한다. 본 논문에서 제안된 TPMS 구조는 차량의 중심부에 일렬로 M개의 안테나를 배치시키고 각 타이어에 한 개의 송신안테나를 설치하여 타이어에서 측정된 데이터를 송신한다.
GSC 빔형성기의 기본이 되는 LMS 알고리즘은 통신분야, 레이더(radar), 소나(sonar), 제어분야 등에서 시스템 자체적으로 주변 환경에 맞게 필터계수를자동으로 변환하면서 최적의 상태로 만드는 방식이다[11,12]. 본 논문에서는 GSC를 TPMS에 적용시키기 위해서 각 타이어에 송신안테나와 센서를 배치하고 차량의 중앙에 일렬로 M개의 안테나를 배치한다. 또한 각 타이어간의 송신 신호간의 간섭을 제거하기 위하여 고유의 Gold Code[13]를 각 타이어에 부여하는 방식을 제안한다.
본 장에서는 제안된 적응 GSC 기반의 빔형성기를 적용한 TPMS의 무선통신 성능을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 확인한다. 시뮬레이션을 통한 확실한 성능 비교를 위해 여섯 개의 수신안테나와 여덟 개의 수신안테나를 사용하였고, 각 타이어의 TPMS 송신신호에 길이 N = 15의 골드코드를 각각 부여하였다.

대상 데이터

본 장에서는 제안된 적응 GSC 기반의 빔형성기를 적용한 TPMS의 무선통신 성능을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 확인한다. 시뮬레이션을 통한 확실한 성능 비교를 위해 여섯 개의 수신안테나와 여덟 개의 수신안테나를 사용하였고, 각 타이어의 TPMS 송신신호에 길이 N = 15의 골드코드를 각각 부여하였다. 타이어에서 수신안테나로 입사되는 수신신호의 입사각은 60º, 120º,240 º, 300º로 가정하였고 수신안테나에 수신되는 간섭 들의 입사각은 85º, 170º, 275º으로 가정하였다.

이론/모형

LMS 알고리즘과 같은 적응(adaptive) 알고리즘을 사용하여 GSC 가중치 벡터를 구한다. 적응 알고리즘의한 종류인 LMS 알고리즘은 환경변화에 강인한 특성과 식의 단순성으로 계산이 간단한 특성을 가지고 있다.

성능/효과

그림 5와 그림 6은 ISR(Interference-to-Signal Ratio, 간섭-대-신호 비)이 10dB일 경우 안테나가 여섯 개일 때와 여덟 개일 때의 MVDR 빔형성기와 GSC 기반의 TPMS의 SNR(Signal-to-Noise Ratio, 신호-대잡음 비)당 출력 SINR(Signal-to-Interference and Noise Ratio, 신호-대-간섭 및 잡음 비)성능을 비교한 결과를 보여준다. 그림 5(a)는 여섯 개의 안테나를 사용한 결과로써 GSC 빔형성기 기반의 TPMS와 MVDR 기반의 TPMS 수신기가 거의 같은 간섭제거 성능을 보유한다는 것을 확인 할 수 있으며, 그림 6(a)는 여덟 개의 안테나를 사용한 결과로써 여섯 개의 안테나의 경우보다 GSC 와 MVDR 빔형성기들이 향상된 성능을 보유하는 것을 확인 할 수 있다. 그림 5(b)는 그림 5(a)를 확대한 것으로 MVDR의 최적화된 알고리즘 결과에 GSC의 가중치 벡터가 매우 가깝게 수렴함을 확인 할수 있다.
그림 5(a)는 여섯 개의 안테나를 사용한 결과로써 GSC 빔형성기 기반의 TPMS와 MVDR 기반의 TPMS 수신기가 거의 같은 간섭제거 성능을 보유한다는 것을 확인 할 수 있으며, 그림 6(a)는 여덟 개의 안테나를 사용한 결과로써 여섯 개의 안테나의 경우보다 GSC 와 MVDR 빔형성기들이 향상된 성능을 보유하는 것을 확인 할 수 있다. 그림 5(b)는 그림 5(a)를 확대한 것으로 MVDR의 최적화된 알고리즘 결과에 GSC의 가중치 벡터가 매우 가깝게 수렴함을 확인 할수 있다. 또한 그림 6(a)를 확대한 그림 6(b)에서도 그림 5(b)에서처럼 GSC의 가중치 벡터가 최적화된 알고 리즘 결과를 가지는 MVDR에 매우 가깝게 수렴함을 확인할 수 있다.
그림 5(b)는 그림 5(a)를 확대한 것으로 MVDR의 최적화된 알고리즘 결과에 GSC의 가중치 벡터가 매우 가깝게 수렴함을 확인 할수 있다. 또한 그림 6(a)를 확대한 그림 6(b)에서도 그림 5(b)에서처럼 GSC의 가중치 벡터가 최적화된 알고 리즘 결과를 가지는 MVDR에 매우 가깝게 수렴함을 확인할 수 있다. 그림 5와 그림 6의 결과에서 확인할 수 있듯이 GSC 빔형성기와 MVDR 빔형성기는 비슷한 간섭제거 성능을 가지고 있지만 MVDR 빔형성기는 자기상관행렬을 사용하므로 매우 높은 계산량을 가진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TPMS는 무엇인가?	차량의 각 타이어에 부착된 센서에서 압력과 온도 등을 측정하여 측정된 데이터를 차량의 무선 수신기에 전송하여 디스플레이에 타이어의 상태를 표시하는 TPMS(Tire Pressure Monitoring System)는 차량의 운행 또는 정지 중에 타이어의 상태를 수시로 점검하여 운전자에게 타이어 상태정보를 제공하는 안전보조 장치이다. TPMS는 각 타이어에서 측정되는 데이터를 전송하기위해 무선통신을 이용하는데, 정확한 데이터 전송을 방해하는 외부 전기 및 전자장치에 의한 간섭이 존재할 수 있다.
	GSC 기반의 빔 형성기는 어떤 문제점을 보완하기 위해 제안되었는가?	앞서 연구된 대표적인 TPMS 간섭제거 용 빔형성기로는 TPMS 데이터를 정확하게 수신할 수 있도록 AOA 벡터를 사용하여 TPMS 데이터를 수신하는 스위칭 빔형성기[8]와 우수한 간섭제거성능을 가지는 TPMS 용 MVDR 빔형성기[9] 등이 있다. 스위칭 빔형성기는 간섭제거성능이 낮고, MVDR 빔형성기는 자기상관행렬의 계산이 필요하므로 복잡도가 매우 높은 문제점을 가진다. 이와 같은 문제점을 보완하기위해 본 논문에서는 GSC 기반의 빔 형성기를 제안한다.
	TPMS 간섭제거 용 빔형성기로 어떤 것이 있는가?	92 MHz는 RKE, 컨테이너 관리용 RFID, 아마추어 무선국 등의 주파수와 유사하여 TPMS 데이터 송수신 시 각종 외부장치의 고출력 신호에 의한 간섭으로 인하여 전송되는 TPMS 데이터의 정확한 전달을 방해할 수 있다[7]. 앞서 연구된 대표적인 TPMS 간섭제거 용 빔형성기로는 TPMS 데이터를 정확하게 수신할 수 있도록 AOA 벡터를 사용하여 TPMS 데이터를 수신하는 스위칭 빔형성기[8]와 우수한 간섭제거성능을 가지는 TPMS 용 MVDR 빔형성기[9] 등이 있다. 스위칭 빔형성기는 간섭제거성능이 낮고, MVDR 빔형성기는 자기상관행렬의 계산이 필요하므로 복잡도가 매우 높은 문제점을 가진다.

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