[논문]최적경로 추적을 위한 MUSIC 알고리즘의 계산량 감소 기법

김용국; 박해규; 유흥균

doi:10.7840/kics.2014.39a.4.188

최적경로 추적을 위한 MUSIC 알고리즘의 계산량 감소 기법
A Computation Reduction Technique of MUSIC Algorithm for Optimal Path Tracking 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.39A no.4, 2014년, pp.188 - 194

김용국 (충북대학교 전자공학과) , 박해규 (충북대학교 전자공학과) , 유흥균 (충북대학교 전자공학과)

초록
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V2I(Vehicular to Infrastructure) 통신 시스템은 유선으로 연결된 기지국과 이동체간의 통신하는 시스템이다. V2I 통신은 기본적으로 이동체가 빠르게 이동하기 때문에 원하는 통신 성능을 얻기가 어렵다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 빔포밍 기술을 이용하여 최적의 경로를 찾는 방식을 통해서 통신 성능을 높일 수 있다. 빔포밍 기술 중 도래각 추정을 위한 MUSIC 알고리즘이 있다. MUSIC 알고리즘은 수신 신호의 방향벡터와 신호부공간의 고유벡터간의 직교하는 성질을 이용해 도래각을 추정하는 알고리즘이다. V2I 통신 환경에서는 최적 경로가 실시간으로 변하기 때문에 MUSIC 알고리즘의 높은 계산 복잡도로 인해 추정 오차가 발생하게 된다. 추정 오차를 줄이기 위해서 MUSIC 알고리즘의 추정 시간을 단축시켜야 한다. 따라서 본 논문에서는 MUSIC 알고리즘의 계산 복잡도를 낮추기 위한 알고리즘을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

V2I(Vehicular to Infrastructure) is a one kind of communication systems which is used between the base stations and mobile objects. In V2I communication system, it is difficult to obtain the desired communication performance. Beamforming technology is to find the optimal path. and it can be improved the communication performance. MUSIC algorithm can be estimated the direction of arrival. The directional vector of received signals and the eigenvector has orthogonal property. MUSIC algorithm uses this property. In V2I communication environment, real time optimal path is changed. By the high computational complexity of the MUSIC algorithm, the optimal path estimation error is generated. In this paper, we propose a method of computation reduction algorithm for MUSIC algorithm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

V2I 통신 환경에서는 이동체의 이동으로 인해서는 MUSIC 알고리즘의 동작 시간을 줄이는 것이 중요하다. 따라서 V2I 환경에서 최적 경로를 보다 빠르게 추적하기 위해 MUSIC 알고리즘의 계산 복잡도를 줄이기 위한 방식을 제안한다. 2장에서는 MUSIC 알고리즘에 대한 설명을 하며 3장에서는 MUSIC 알고리즘의 계산량을 감소시키는 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서 고려한 V2I 통신 환경은 이동체의 속도와 경로를 예측할 수 있다는 전제로 한다. 예를 들어 고속철도와 자동차와 같은 이동체의 경우 step 1에서 신호의 도래 방향을 추정하였을 때 이동체에 따른 속도를 고려하여 경로를 예측할 수 있다.
따라서 높은 계산 복잡도를 가지는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 후보각의 범위를 지정해 비교횟수를 줄이는 방식을 제안하였다. 실제로 시스템을 제작하여 비교할 수 없는 환경이기 때문에 상대적으로 시뮬레이션 시간을 통해서 상대적인 동작시간의 차이가 얼마나 나타나는 지를 확인해 보았다.

가설 설정

멀티패스 신호의 입사 방위각은 [110° 130° 160° 40° 80° 50°]으로 가정하였으며 앙각은 [45° 120° 40° 60° 150° 10°]으로 가정하였다.
특히, 방위각과 앙각을 고려한 평판배열 안테나에서의 MUSIC 알고리즘에서는 고유벡터와 모든 후보각의 지향벡터와 비교라는 매우 많은 계산량은 부담으로 작용하게 된다. 본 논문에서는 V2I 통신 환경에서 신호의 도래 방향을 빠르게 추적해야 한다. 이러한 관점에서 많은 계산량은 필히 개선되어야 할 사항이다.

제안 방법

본 논문에선는 V2I 통신 환경에서 평판 배열 안테나에 MUSIC 알고리즘을 적용하여 최적의 경로를 추정하였다. 그리고 V2I 통신 황경에서 이동체의 이동으로 인해서 최적경로를 추정하는 시간이 길어질수록 오차가 발생하게 되기 때문에 MUSIC 알고리즘의 계산 복잡도를 줄이기 위한 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 추적개념으로 MUSIC 알고리즘을 적용시킬 경우 효과적으로 추정시간을 줄일 수 있다.
그림 5는 MUSIC 알고리즘의 시뮬레이션 시간을 측정한 그림이다. 본 논문에서 MUSIC 알고리즘이 입사방향을 추정하기 위해서 모든 후보각에 대해서 비교가 이루어진다. 따라서 높은 계산 복잡도를 가지는 단점을 가지고 있다.
본 논문에서는 V2I 통신 환경에서 평판 배열 안테나에 MUSIC 알고리즘을 적용하고 MUSIC 알고리즘을 통해서 신호의 도래각을 추정하고 최적의 빔 형성을 위한 경로를 선택한다. V2I 통신 환경에서는 이동체의 이동으로 인해서는 MUSIC 알고리즘의 동작 시간을 줄이는 것이 중요하다.
본 논문에선는 V2I 통신 환경에서 평판 배열 안테나에 MUSIC 알고리즘을 적용하여 최적의 경로를 추정하였다. 그리고 V2I 통신 황경에서 이동체의 이동으로 인해서 최적경로를 추정하는 시간이 길어질수록 오차가 발생하게 되기 때문에 MUSIC 알고리즘의 계산 복잡도를 줄이기 위한 알고리즘을 제안하였다.
이러한 단점을 보완하기 위해서 후보각의 범위를 지정해 비교횟수를 줄이는 방식을 제안하였다. 실제로 시스템을 제작하여 비교할 수 없는 환경이기 때문에 상대적으로 시뮬레이션 시간을 통해서 상대적인 동작시간의 차이가 얼마나 나타나는 지를 확인해 보았다. 제안한 방식을 사용하였을 경우에는 약 87%의 동작시간이 단축되는 것을 확인 할 수 있었다.
위에서 제안한 계산량 감소 알고리즘의 방법은 모든 후보각에서 도래 방향을 추정하는 기존의 알고리즘과 다르게 앞서 추정된 도래 방향의 ±10°까지의 지향벡터와 고유벡터의 값을 비교를 통하여 신호의 도래 방향을 추정한다.

이론/모형

표 2는 MUSIC 알고리즘의 성능을 파악하기 위한 시뮬레이션의 파라미터를 나타낸 표이다. 안테나는 평판 배열 안테나를 사용하였으며 4QAM 변조방식을 사용하고 채널로는 Proakis channel B와 Vehicular channel A를 고려하였다.

성능/효과

6개의 멀티패스 경로의 입사방향을 추정하였지만 마지막 6번째 경로의 추정이 최대 2°까지 오차가 발생되는 것을 확인 할 수 있었다.
따라서 기존의 알고리즘에서 고려하였던 모든 후보각을 일정 범위의 후보각으로 제한할 수 있으며 제안한 알고리즘에는 ±10°의 범위로 후보각을 제한하였다.
멀티패스 신호의 방위각은 [10° 30° 60°]로 앙각은 [45° 20° 40°]로 입사된다고 가정하였을 때 도래각을 추정한 결과로 약 최대 추정오차가 0.5°가 발생하는 것을 확인 할 수 있다.
6개의 멀티패스 경로의 입사방향을 추정하였지만 마지막 6번째 경로의 추정이 최대 2°까지 오차가 발생되는 것을 확인 할 수 있었다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 최대 신호전력을 가지는 경로 하나를 선택하여 통신이 이루어지기 때문에 시스템 성능에는 크게 영향을 주지는 않는다. 위 결과에서는 방위각 110° 앙각 45°의 경로를 최적경로로 판단한다.
시뮬레이션 결과에서 확인 할 수 있듯이 약 87%의 시간을 단축시킬 수 있었다. 시뮬레이션 결과를 통해 구해진 결과이기 때문에 실제 시스템과 차이가 발생할 수 있지만 계산량을 줄임으로 인해서 최적 경로 추정 시간이 단축되는 경향을 파악 할 수 있었다.
제안한 알고리즘은 추적개념으로 MUSIC 알고리즘을 적용시킬 경우 효과적으로 추정시간을 줄일 수 있다. 시뮬레이션 결과에서 확인 할 수 있듯이 약 87%의 시간을 단축시킬 수 있었다. 시뮬레이션 결과를 통해 구해진 결과이기 때문에 실제 시스템과 차이가 발생할 수 있지만 계산량을 줄임으로 인해서 최적 경로 추정 시간이 단축되는 경향을 파악 할 수 있었다.
실제로 시스템을 제작하여 비교할 수 없는 환경이기 때문에 상대적으로 시뮬레이션 시간을 통해서 상대적인 동작시간의 차이가 얼마나 나타나는 지를 확인해 보았다. 제안한 방식을 사용하였을 경우에는 약 87%의 동작시간이 단축되는 것을 확인 할 수 있었다. 물론 단일 최적 경로를 찾아 추적하는 모델을 적용하였을 때의 경우이며 추적이 목적이 아닌 경우에는 효율성이 떨어질 수도 있다.
그리고 V2I 통신 황경에서 이동체의 이동으로 인해서 최적경로를 추정하는 시간이 길어질수록 오차가 발생하게 되기 때문에 MUSIC 알고리즘의 계산 복잡도를 줄이기 위한 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 추적개념으로 MUSIC 알고리즘을 적용시킬 경우 효과적으로 추정시간을 줄일 수 있다. 시뮬레이션 결과에서 확인 할 수 있듯이 약 87%의 시간을 단축시킬 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	V2I(Vehicular to Infrastructure) 통신 시스템은?	V2I(Vehicular to Infrastructure) 통신 시스템은 유선으로 연결된 기지국과 이동체간의 통신하는 시스템이다. V2I 통신은 기본적으로 이동체가 빠르게 이동하기 때문에 원하는 통신 성능을 얻기가 어렵다.
	V2I 통신의 단점은?	V2I(Vehicular to Infrastructure) 통신 시스템은 유선으로 연결된 기지국과 이동체간의 통신하는 시스템이다. V2I 통신은 기본적으로 이동체가 빠르게 이동하기 때문에 원하는 통신 성능을 얻기가 어렵다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 빔포밍 기술을 이용하여 최적의 경로를 찾는 방식을 통해서 통신 성능을 높일 수 있다.
	V2I 통신을 보안할 수 있는 방법은?	V2I 통신은 기본적으로 이동체가 빠르게 이동하기 때문에 원하는 통신 성능을 얻기가 어렵다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 빔포밍 기술을 이용하여 최적의 경로를 찾는 방식을 통해서 통신 성능을 높일 수 있다. 빔포밍 기술 중 도래각 추정을 위한 MUSIC 알고리즘이 있다.

참고문헌 (5)

R. Schmidt, "Multiple emitter location and signal parameter estimation," IEEE Trans. Antennas and propagation, vol. 34, pp. 276-280, Mar. 1986.

상세보기
J. Wang, Y. Zhao, and Z. Wang, "A MUSIC like DOA estimation method for signals with low SNR," Global Sym. Millimeter Waves, pp. 321-324, Nanjing, Apr. 2008.
S. Sekizawa, "Estimation of arrival directions using MUSIC algorithm with a planar array," IEEE Int. Conf. Universal Personal Commun., vol. 1, pp. 555-559, Florence, Oct. 1998.
T. 1. Shan, M. Wax, and T. Kailath, "On spatial smoothing for direction.of-arrival estimation of coherent signals," IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. 33, pp. 806-811, Aug. 1985.

상세보기
R. T. Williams, S. Prasad, A. K. Mahalanabis, and L. H. Sibul, "An improved spatial smoothing technique for bearing estimation in a multipath environment," IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. 36, no. 4, pp. 425-432, Apr. 1988.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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