TPMS(Tire Pressure Monitoring System)는 자동차 타이어의 센서부에서 전송된 온도나 압력 등의 데이터를 기반으로 타이어의 상태를 파악하여 운전자가 수시로 이를 점검하여 차량의 주행조건을 최적의 상태로 유지시켜주기 위한 안전보조시스템이다. TPMS는 특성상 무선통신을 기반으로 데이터를 전송하는데, 무선통신 시 TPMS와 비슷한 주파수 대역을 사용하는 외부의 각종 전기 및 전자 장치들에 의한 간섭의 영향으로 통신 장애가 발생할 수 있다. 이러한 다양한 고출력의 간섭을 제거하기 위해 등간격 선형 안테나 어레이 구조의 다양한 빔형성 기술을 사용한다. 빔형성 기술은 많은 수의 안테나를 사용할수록 더욱 향상된 간섭제거 성능을 얻을 수 있는데, 차량 내부의 구조상 사용할 수 있는 안테나의 수는 제한적이다. 본 논문에서는 차량 내부에 설치되는 안테나 수를 늘리기 위해 안테나 사이의 간격을 줄였을 경우 빔형성기의 성능을 비교 분석한다. 빔형성기의 성능분석을 위해 최근에 제안된 TPMS용 스위칭(switching) 빔형성기와 MVDR(Minimum -Variance Distortionless-Response) 빔형성기를 고려한다.
TPMS(Tire Pressure Monitoring System)는 자동차 타이어의 센서부에서 전송된 온도나 압력 등의 데이터를 기반으로 타이어의 상태를 파악하여 운전자가 수시로 이를 점검하여 차량의 주행조건을 최적의 상태로 유지시켜주기 위한 안전보조시스템이다. TPMS는 특성상 무선통신을 기반으로 데이터를 전송하는데, 무선통신 시 TPMS와 비슷한 주파수 대역을 사용하는 외부의 각종 전기 및 전자 장치들에 의한 간섭의 영향으로 통신 장애가 발생할 수 있다. 이러한 다양한 고출력의 간섭을 제거하기 위해 등간격 선형 안테나 어레이 구조의 다양한 빔형성 기술을 사용한다. 빔형성 기술은 많은 수의 안테나를 사용할수록 더욱 향상된 간섭제거 성능을 얻을 수 있는데, 차량 내부의 구조상 사용할 수 있는 안테나의 수는 제한적이다. 본 논문에서는 차량 내부에 설치되는 안테나 수를 늘리기 위해 안테나 사이의 간격을 줄였을 경우 빔형성기의 성능을 비교 분석한다. 빔형성기의 성능분석을 위해 최근에 제안된 TPMS용 스위칭(switching) 빔형성기와 MVDR(Minimum -Variance Distortionless-Response) 빔형성기를 고려한다.
Tire Pressure Monitoring System (TPMS) is an auxiliary safety system for recognizing the condition of tires based on the pressure and temperature data transmitted from the sensor unit installed on a tire of the vehicle. Using TPMS, a driver can frequently check the state of tires and it aids to main...
Tire Pressure Monitoring System (TPMS) is an auxiliary safety system for recognizing the condition of tires based on the pressure and temperature data transmitted from the sensor unit installed on a tire of the vehicle. Using TPMS, a driver can frequently check the state of tires and it aids to maintain the optimum running condition of the vehicle. Since TPMS must utilize the wireless communication technique to transmit data from a sensor unit to a signal processing unit installed in the vehicle, it suffers from interference signals caused by various external electrical or electronic devices. In order to suppress high-power interference signals, we employ beamforming techniques based on the uniform linear antenna array. As the number of the antennas is increased, the performance of the interference suppression is improved. However, there is the limit of the number of antennas, installed in the center of a vehicle, because of its size. In this paper, we compare and analyze the performance of the beamformer, when reducing the interelement spacing of antennas, to increase the number of the receiving antennas. For the performance analysis of the beamformers, we consider the switching beamformer and minimum-variance distortionless-response (MVDR) beamformer for TPMS, recently proposed.
Tire Pressure Monitoring System (TPMS) is an auxiliary safety system for recognizing the condition of tires based on the pressure and temperature data transmitted from the sensor unit installed on a tire of the vehicle. Using TPMS, a driver can frequently check the state of tires and it aids to maintain the optimum running condition of the vehicle. Since TPMS must utilize the wireless communication technique to transmit data from a sensor unit to a signal processing unit installed in the vehicle, it suffers from interference signals caused by various external electrical or electronic devices. In order to suppress high-power interference signals, we employ beamforming techniques based on the uniform linear antenna array. As the number of the antennas is increased, the performance of the interference suppression is improved. However, there is the limit of the number of antennas, installed in the center of a vehicle, because of its size. In this paper, we compare and analyze the performance of the beamformer, when reducing the interelement spacing of antennas, to increase the number of the receiving antennas. For the performance analysis of the beamformers, we consider the switching beamformer and minimum-variance distortionless-response (MVDR) beamformer for TPMS, recently proposed.
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문제 정의
수신안테나 수가 증가할수록, 빔형성기의 간섭제거 성능은 향상되므로, 최소한의 배치 길이를 가지면서 최대한 많은 수의 수신 안테나를 사용하는 것이 TPMS용 빔형성기를 사용하는 효과적인 방법이다. 본 논문에서는 빔형성기를 위한 최적화된 안테나 개수와 안테나 사이의 간격을 결정하기 위한 방법을 제시하였다. 제시된 방법을 기반으로 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하여 결과를 비교/분석하였다.
본 논문에서는 짧은 배치 길이를 가지면서 많은 수의 안테나를 사용할 수 있는 방법을 모색하기 위해, 안테나 사이의 간격을 줄였을 경우 빔형성기의 간섭제거 성능을 비교, 분석한다. 이를 위해 d = λ/2, d = λ/4, d = λ/6의 총 세 가지 안테나 간격을 고려한다.
빔형성기에 일반적으로 사용되는 안테나 사이의 간격을 TPMS에 적용하면, 승용차 기준으로 차량 내부에 일렬로 장착할 수 있는 안테나의 개수는 네 개 정도로 국한된다. 본 논문에서는 차량에 일렬로 장착할 수 있는 안테나의 개수를 늘리기 위해 안테나 사이의 간격을 변화시켰을 경우의 스위칭 빔형성기와 MVDR 빔형성기의 간섭제거 성능을 비교, 분석한다. 분석된 결과를 바탕으로 효과적인 TPMS 빔형성기 사용을 위해 차량내부에 장착할 수 있는 안테나의 개수를 파악할 수 있다.
가설 설정
TPMS용 빔형성기를 위한 수신 안테나는 그림 1과 같이 차량의 중앙에 일렬로 배치된 M개의 안테나 어레이 구조를 사용한다고 가정한다. 등간격 선형 어레이 (Uniform Linear Array, ULA)를 고려한 수신신호 벡터는 이산 샘플 인덱스 k에 대하여 식 (1)과 같이 주어진다.
또한, 각 타이어의 TPMS 송신신호에 길이가 N = 15 인 골드코드를 부여하였다. 각 타이어에 대한 TPMS 송신신호의 입사각들은 60∘, 120∘, 240∘, 360∘로 가정하였고, 수신안테나에 대하여 각각 11∘, 175∘, 270∘로 입사되는 세 개의 간섭신호가 존재하는 것으로 가정하였다.
표 1은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 도출한 안테나 개수와 간격에 대한 빔형성기의 간섭제거 성능을 정리해 놓은 것이다. 본 장에서 안테나 사이의 간격을 계산하기 위해 고려된 TPMS 전송주파수는 앞에서 언급한 433.92MHz로 가정한다.
시뮬레이션을 위해 차량 중앙에 네 개 또는 여섯 개의 수신안테나를 사용한다고 가정하였고, 안테나 사이의 간격 d를 λ/2, λ/4, λ/6의 세 가지 경우로 고려하였다.
제안 방법
시뮬레이션을 위해 차량 중앙에 네 개 또는 여섯 개의 수신안테나를 사용한다고 가정하였고, 안테나 사이의 간격 d를 λ/2, λ/4, λ/6의 세 가지 경우로 고려하였다. 또한, 각 타이어의 TPMS 송신신호에 길이가 N = 15 인 골드코드를 부여하였다. 각 타이어에 대한 TPMS 송신신호의 입사각들은 60∘, 120∘, 240∘, 360∘로 가정하였고, 수신안테나에 대하여 각각 11∘, 175∘, 270∘로 입사되는 세 개의 간섭신호가 존재하는 것으로 가정하였다.
본 장에서는 스위칭 빔형성기와 MVDR 빔형성기의 안테나 사이 간격 변화에 대한 간섭억제 성능 확인을 위해 시뮬레이션 결과를 제시하고, 안테나의 개수와 간격에 따른 빔형성기의 성능을 비교/분석한다.
본 장에서는 안테나 사이의 간격 변화에 대한 빔형성기의 간섭제거 성능 분석을 위해 AOA 벡터 기반의 스위칭 빔형성기와 MVDR 빔형성기를 적용한 TPMS 무선통신시스템 구조를 고려한다.
이를 위해 d = λ/2, d = λ/4, d = λ/6의 총 세 가지 안테나 간격을 고려한다.
효과적인 TPMS 빔형성기 사용을 위해, 유효한 간섭제거 성능을 가지면서 최소한의 안테나 간격 및 최대의 안테나 개수를 가지는 안테나 어레이 구조를 설계 하는 것이 필요하다. 이를 위해 위에서 제시된 각 경우에 대한 간섭제거 성능을 확인하여, 실제 사용 할 수 있는 안테나 간격 및 배치 가능한 안테나 개수를 결정한다.
데이터처리
본 논문에서는 빔형성기를 위한 최적화된 안테나 개수와 안테나 사이의 간격을 결정하기 위한 방법을 제시하였다. 제시된 방법을 기반으로 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하여 결과를 비교/분석하였다.
성능/효과
두 그림으로부터, d = λ/2의 경우 가장 우수한 간섭제거 성능을 가지며, d = λ/6의 경우 가장 열등한 간섭제거 성능을 가진다는 것을 확인할 수 있다. 또한, MVDR빔형성기가 스위칭 빔형성기의 간섭제거 성능보다 모든 경우에 대하여 우수하며, 두 빔형성기의 성능이 빔형성기를 사용하지 않았을 경우 보다 우수하다. 그림 8과 9를 비교하면, 여섯 개의 안테나를 사용하였을 경우 네 개의 안테나를 사용하였을 경우 보다 간섭제거 성능이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 차량에 일렬로 장착할 수 있는 안테나의 개수를 늘리기 위해 안테나 사이의 간격을 변화시켰을 경우의 스위칭 빔형성기와 MVDR 빔형성기의 간섭제거 성능을 비교, 분석한다. 분석된 결과를 바탕으로 효과적인 TPMS 빔형성기 사용을 위해 차량내부에 장착할 수 있는 안테나의 개수를 파악할 수 있다.
빔 패턴에 대한 그림들로부터, 스위칭 빔형성기와 MVDR 빔형성기 모두 d = λ/2일 때 가장 우수한 간섭제거 성능을 가지고, d = λ/6일 때 가장 열등한 간섭제거 성능을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 여섯 개의 안테나를 사용하는 MVDR빔형성기의 경우, 모든 안테나 사이의 간격에 대해 우수한 간섭제거 성능을 가진다. 표 1에서 MVDR 빔형성기를 위한 가장 효율적인 안테나 개수는 여섯 개이고, 안테나 배치의 총길이는 0.58m라는 결론을 도출할 수 있다.
88m가 된다. 표 1에서 스위칭 빔형성기를 위한 가장 효율적인 안테나 개수는 여섯 개 이고, 안테나 배치의 총길이는 0.88m라는 것을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TPMS는 무엇인가?
TPMS(Tire Pressure Monitoring System)는 자동차 타이어의 센서부에서 전송된 온도나 압력 등의 데이터를 기반으로 타이어의 상태를 파악하여 운전자가 수시로 이를 점검하여 차량의 주행조건을 최적의 상태로 유지시켜주기 위한 안전보조시스템이다. TPMS는 특성상 무선통신을 기반으로 데이터를 전송하는데, 무선통신 시 TPMS와 비슷한 주파수 대역을 사용하는 외부의 각종 전기 및 전자 장치들에 의한 간섭의 영향으로 통신 장애가 발생할 수 있다.
TPMS 수신기에 적용하려는 목적으로 개발된 무선 통신 간섭 제거 기술에는 무엇이 있는가?
그러나 국내에서 RKE(remote keyless entry), 컨테이너 관리용 RFID(radio frequency identification), 아마추어 무선국 등의 다양한 전기 및 전자 장치들이 TPMS와 비슷한 주파수 대역의 고출력 신호를 사용하므로 TPMS 무선통신에 있어 심각한 간섭[5]으로 작용할 가능성이 있다. 이러한 간섭들의 효율적인 제거를 위해 스위칭[6], GSC(Generalized Sidelobe Canceler)[7], MVDR[8] 빔형성 기술들을 차량의 내부에 있는 TPMS 수신기에 적용하는 기술들이 제안되었다. 이 중 스위칭 빔형성기와 MVDR 빔형성기는 차량 중앙에 M개의 수신안테나를[9-11] 일직선으로 배치시키는 구조를 사용하는데, 이들 빔형성기는 많은 수의 안테나를 사용할수록 향상된 간섭제거 성능을 가지는 특성이 있다.
국내에서 TPMS용 주파수로 433.92MHz 대역을 사용하기 힘든 이유는?
92MHz 주파수를 사용하는 우수한 성능의 TPMS 개발이 필요하다. 그러나 국내에서 RKE(remote keyless entry), 컨테이너 관리용 RFID(radio frequency identification), 아마추어 무선국 등의 다양한 전기 및 전자 장치들이 TPMS와 비슷한 주파수 대역의 고출력 신호를 사용하므로 TPMS 무선통신에 있어 심각한 간섭[5]으로 작용할 가능성이 있다. 이러한 간섭들의 효율적인 제거를 위해 스위칭[6], GSC(Generalized Sidelobe Canceler)[7], MVDR[8] 빔형성 기술들을 차량의 내부에 있는 TPMS 수신기에 적용하는 기술들이 제안되었다.
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