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KR100681393B1 - Multipath estimation using channel parameters matrix extension with virtual sensors - Google Patents

Multipath estimation using channel parameters matrix extension with virtual sensors Download PDF

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Publication number
KR100681393B1
KR100681393B1 KR1020060029814A KR20060029814A KR100681393B1 KR 100681393 B1 KR100681393 B1 KR 100681393B1 KR 1020060029814 A KR1020060029814 A KR 1020060029814A KR 20060029814 A KR20060029814 A KR 20060029814A KR 100681393 B1 KR100681393 B1 KR 100681393B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sensors
multipaths
sensor
virtual
signal
Prior art date
Application number
KR1020060029814A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김성철
강남구
곽도영
강노경
Original Assignee
재단법인서울대학교산학협력재단
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Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인서울대학교산학협력재단 filed Critical 재단법인서울대학교산학협력재단
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B17/00Monitoring; Testing
    • H04B17/30Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/391Modelling the propagation channel
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00Baseband systems
    • H04L25/02Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/0202Channel estimation
    • H04L25/0204Channel estimation of multiple channels

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  • Electromagnetism (AREA)
  • Noise Elimination (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
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Abstract

A method for detecting multiple paths by using virtual sensors is provided to shorten measurement time and to reduce the manufacturing cost of a measurement system by speedily measuring signals through a smaller number of antenna sensors in a mobile communication environment having a complicated channel pattern. An algorithm for executing a method for detecting multiple paths by using virtual sensors first estimates the number of multiple paths by using received signals(Y) and a rank-expanded parameter matrix(S10). Then, the algorithm checks whether the estimated value(LE) gets equal to "M^tot-1"(S20). Until the estimated value(LE) gets equal to "M^tot-1", the algorithm repeats rank expansion of the received signals(S30). Finally, the algorithm calculates "Y^tot", a sample value of the total received signals including virtual sensors, "A^tot" and "N^tot", sample values of parameter matrixes including virtual sensors and noises, and "sigma^2", a reception noise distribution value, and then creates Rx signals of virtual sensors(S40).

Description

가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법 {Multipath Estimation using Channel Parameters Matrix Extension with Virtual Sensors}Multipath Estimation Using Channel Parameters Matrix Extension with Virtual Sensors

도 1은 본 발명에 사용된 다중경로 모델을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a multipath model used in the present invention.

도 2는 실측 센서에 대한 가상 센서의 개념적 배치도를 나타낸다.2 shows a conceptual layout of a virtual sensor with respect to the measured sensor.

도 3은 본 발명의 다중경로 검출방법의 플로우차트이다.3 is a flowchart of the multipath detection method of the present invention.

도 4는 다중경로 개수 추정 결과로서, 동일한 전력에 관해 SNR의 함수로 표시된 RMSE의 그래프를 나타낸다.4 shows a graph of RMSE expressed as a function of SNR for the same power as a result of multipath number estimation.

도 5는 다중경로 개수 추정 결과로서, 실제 센서들의 다른 개수에 관한 RMSE의 그래프를 나타낸다.5 shows a graph of RMSE with respect to different numbers of actual sensors as a result of multipath number estimation.

본 발명은 다중경로 검출에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중경로 환경에서 수신된 신호를 이용하여 가상 센서의 수신 신호를 구성함으로써 실제 센서 개수를 초과하는 다중경로의 개수 추정에 관한 것이다.The present invention relates to multipath detection, and more particularly, to estimating the number of multipaths exceeding the actual number of sensors by constructing a received signal of a virtual sensor using a signal received in a multipath environment.

이동통신 환경에서의 채널 파라미터 추정에 관한 연구는 지난 10여 년간 광범위하게 진행되어 왔으며, 최근 들어 무선 통신환경, 특히 채널환경이 복잡한 이동통신 환경의 수신 신호에 대한 고해상도의 채널 파라미터 추정 기법들이 제안되었다.Research on channel parameter estimation in the mobile communication environment has been extensively conducted for the last decade. Recently, high-resolution channel parameter estimation techniques for received signals in wireless communication environments, particularly mobile communication environments, have been proposed. .

일반적으로 채널 파라미터 추정을 위해 사용되는 기법들에는 뮤직 (MUltiple SIgnal Classification technique: MUSIC) 이나 에스프릿(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques: ESPRIT) 등이 많이 사용되어왔으며, 이러한 기법들 중에 세이지(Space Alternating Generalized EM: SAGE)는 알고리즘의 수렴속도와 정확도 측면에서 가장 좋은 성능을 보인다.In general, the techniques used for channel parameter estimation include music (MUltiple SIgnal Classification technique, MUSIC) and Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques (ESPRIT), among which space alternating Generalized EM (SAGE) shows the best performance in terms of algorithm convergence speed and accuracy.

이러한 SAGE 알고리즘을 채널 파라미터 추정에 적용할 때, 알고리즘의 추정 시간이나 수렴 속도를 결정하는 가장 중요한 요소는 다중경로의 개수에 대한 사전정보이다. 즉, 채널 파라미터를 추정하기 위해서는 다중경로의 개수를 알아야 한다. 그리고 다중경로의 개수를 추정하는 방법으로는 일반적으로 AIC(Akaike's Information Theoretical Criterion) 나 MDL(Minimum Description Length, MDL) 표준(criteria) 기법이 사용된다. 이러한 방법들은 수신신호의 샘플 공분산 행렬(sample covariance matrix)로부터 얻은 고유값(eigenvalue)을 이용하여 사용자의 직관에 따라 문턱값을 설정하고 다중경로의 개수를 추정하는 방법으로 사용자의 주관에 의해 정확도가 달라지는 문제점이 있었다.When the SAGE algorithm is applied to channel parameter estimation, the most important factor in determining the estimation time or convergence speed of the algorithm is prior information on the number of multipaths. That is, in order to estimate the channel parameter, it is necessary to know the number of multipaths. Akaike's Information Theoretical Criterion (AIC) or Minimum Description Length (MDL) standard techniques are generally used to estimate the number of multipaths. These methods set the threshold value according to the user's intuition by using the eigenvalue obtained from the sample covariance matrix of the received signal and estimate the number of multipaths. There was a different problem.

이러한 문제점을 개선하기 위해 Mati Wax와 Thomas Kailath의 논문, "Detection of Signals by Information Theoretic Criteria" (IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. ASSP-33, no. 2, pp 387 - 392, Apr. 1985)는 AIC 또는 MDL 표준(criteria)을 최소화하는 값으로 다중경로의 개수를 결정하는 방법을 제안하였다. 하지만 이 방법은 안테나 센서(이하에서는 간단히 '센서'라고도 함)의 개수에 의해 추정의 최대값에 제한을 받게 되며(즉, 추정할 수 있는 다중경로의 개수는 '센서의 개수- 1'임), 다중경로의 개수가 센서의 개수와 같거나 그 이상인 경우 다중경로의 개수에 대한 정확한 추정을 하는 것이 불가능 하다는 한계를 갖는다. 이 방법은 채널 상태가 복잡하지 않은 통신 환경에서는 문제가 없었으나, 최근의 이동통신환경의 경우 일반적으로 수신 신호의 다중 경로는 실제의 센서 개수보다 더 큰 값을 갖는다. 이처럼 센서 개수 이상의 다중경로가 존재하는 환경에서 정보이론적 판단기준(Information Theoretic Criteria) 기법과 SAGE 알고리즘을 사용한 채널 파라미터 추정은 불완전한 결과를 도출하게 된다. To remedy this problem, Mati Wax and Thomas Kailath's paper, "Detection of Signals by Information Theoretic Criteria" (IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. ASSP-33, no. 2, pp 387-392, Apr. 1985) proposed a method for determining the number of multipaths with values that minimize the AIC or MDL criteria. However, this method is limited to the maximum value of the estimate by the number of antenna sensors (hereafter simply referred to as 'sensors') (ie the number of multipaths that can be estimated is 'number of sensors-1'). However, when the number of multipaths is equal to or greater than the number of sensors, there is a limit that it is impossible to accurately estimate the number of multipaths. This method has no problem in a communication environment in which the channel state is not complicated, but in the recent mobile communication environment, the multipath of the received signal generally has a larger value than the actual number of sensors. As described above, channel parameter estimation using the Information Theoretic Criteria technique and the SAGE algorithm in an environment where multiple paths exist beyond the number of sensors results in incomplete results.

이렇게 제한적인 성능을 갖는 다중경로 개수 추정의 한계를 극복하기 위한 한 가지 방법으로서, 실제 환경에서 채널 파라미터들을 추정할 때는 일반적으로 다중경로의 개수(L)를 매우 큰 값으로 가정한다. 하지만 다중경로 개수(L)에 대한 불확실성은 여러 가지 불합리한 결과를 초래한다. 예컨대 다중경로의 개수(L)가 필요이상으로 큰 값으로 정해지는 경우 알고리즘의 연산 시간을 불필요하게 증가시키거나, 실제로는 존재하지 않는 허위 경로(phantom path)들의 생성 가능성을 높인다. 반대로, 다중경로의 개수(L)가 실제 개수보다 작을 경우 일부 채널 정보들을 채널 모델링에 반영할 수 없게 된다. 결국, 다중경로의 개수 추정은 좀 더 타당한 근거에 입각하여 좀 더 정확하게 이루어질 필요가 있다.As a way to overcome the limitation of multipath number estimation with limited performance, when estimating channel parameters in a real environment, it is generally assumed that the number L of multipaths is a very large value. However, uncertainty about the number of multipaths (L) leads to several unreasonable results. For example, if the number of multipaths L is set to a value larger than necessary, the algorithm's computation time is unnecessarily increased or the possibility of generating phantom paths that do not actually exist is increased. On the contrary, when the number L of multipaths is smaller than the actual number, some channel information cannot be reflected in channel modeling. As a result, the estimation of the number of multipaths needs to be made more accurately based on more valid evidence.

본 발명의 목적은 채널상태가 복잡한 무선통신환경에서 제한된 실제 안테 나 센서의 개수를 이용하여 그 안테나 센서의 개수를 넘는 다중 경로를 추정할 수 있는 가상센서를 이용한 다중경로 추정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 물리적으로 안테나 센서의 개수를 늘리지 않고 소프트웨어적인 조작에 의해 안테나 센서의 실제 개수보다 더 많은 안테나 센서가 존재하는 것과 같은 환경을 구현하여 복잡한 채널 상태 환경에서도 효율적으로 채널 파라미터를 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a multi-path estimation method using a virtual sensor that can estimate the multi-path beyond the number of the antenna sensor using a limited number of actual antenna sensors in a wireless communication environment with a complex channel condition. It is done. In other words, it is possible to efficiently measure channel parameters even in a complex channel state environment by realizing an environment in which there are more antenna sensors than the actual number of antenna sensors by software manipulation without physically increasing the number of antenna sensors. To provide.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다수의 다중경로와 부가적인 백색 가우시안 잡음(additive white gaussian noise, AWGN)이 존재하는 환경에서, 제한된 개수의 실제 안테나 센서들을 이용하여 가상의 안테나 센서가 더 존재하는 것처럼 볼 수 있는 조건을 소프트웨어적으로 구현함으로써, 그 실제의 안테나 센서 수보다 많은 수의 다중경로의 개수를 추정할 수 있는 다중경로 검출방법이다. In order to achieve the above object, the present invention provides a virtual antenna sensor using a limited number of real antenna sensors in an environment in which multiple multipaths and additive white gaussian noise (AWGN) exist. It is a multipath detection method that can estimate the number of multipaths larger than the actual number of antenna sensors by implementing software that can be viewed as more present.

이러한 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법은 구체적으로, 적어도 하나의 송신 안테나에서 방사되어 다중경로(L)를 통해 전파되는 신호를 수신측의 M개의 실제 안테나 센서로 측정함에 있어서, 상기 실제 안테나 센서의 수신신호를 샘플링 하는 제1 단계; 상기 샘플링한 값으로부터 샘플 공분산 행렬(

Figure 112006023025518-pat00003
)과 이의 고유값(
Figure 112006023025518-pat00004
)을 계산하여 다중경로의 개수를 추정하는 제2 단계; 추정된 다중경로의 개수(
Figure 112006023025518-pat00005
)가 상기 '실제 안테나 센서 개수(M)-1' 과 같을 때, 상기 수신측에 상기 실제 안테나 센서 외에 가상 센서가 더 존재하는 것으로 가정하고 수신신호의 반복적 인 랭크 확장을 하여 그 가상센서의 수신 신호를 구성하는 제3 단계; 및 상기 실제 안테나 센서에 의한 수신신호 외에 상기 가상 센서에 의한 수신신호까지를 포함하여 상기 제2 단계 및 제3 단계를 반복적으로 수행하는 제4 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다. In the multipath detection method using the virtual sensor, specifically, the signals radiated from at least one transmitting antenna and propagated through the multipath L are measured by M real antenna sensors on the receiving side. Sampling a received signal; From the sampled values, a sample covariance matrix (
Figure 112006023025518-pat00003
) And its eigenvalues (
Figure 112006023025518-pat00004
A second step of estimating the number of multipaths by calculating Estimated number of multipaths (
Figure 112006023025518-pat00005
) Is equal to the number of actual antenna sensors (M) -1, assuming that there are more virtual sensors besides the actual antenna sensors on the receiving side, iteratively expanding the received signal and receiving the virtual sensors. A third step of constructing a signal; And a fourth step of repeatedly performing the second and third steps including the received signal by the virtual sensor in addition to the received signal by the actual antenna sensor.

상기 다중경로 검출방법에 있어서, 상기 제3 단계에서 추가되는 상기 가상 센서의 개수는 상기 제2 단계에서 구해진 상기 다중경로의 개수와 일치하게 하는 것이 바람직하다. In the multipath detection method, the number of the virtual sensors added in the third step may be equal to the number of the multipaths obtained in the second step.

또한, 상기 다중경로 검출방법에 있어서, 상기 제2 단계 및 제3 단계의 반복적 수행은 추정된 다중경로의 개수(

Figure 112006023025518-pat00006
)값이 상기 가상센서의 개수를 포함한 총 안테나 센서 개수 Mtot-1보다 작게 될 때까지 이루어지고, 그 때의 추정 다중경로의 개수(
Figure 112006023025518-pat00007
)의 값이 얻고자 하는 다중경로의 개수 (L)의 값으로 정하는 것이 바람직하다. In the multipath detection method, iteratively performing the second and third steps may include the estimated number of multipaths (
Figure 112006023025518-pat00006
) Value is made until the total number of antenna sensors including the number of virtual sensors is less than M tot -1, and the number of estimated multipaths at that time (
Figure 112006023025518-pat00007
) Is preferably set to the value L of the number of multipaths to be obtained.

이와 같은 다중경로 검출방법에 있어서, 상기 샘플 공분산 행렬은

Figure 112006023025518-pat00008
에 의해 산출된다. 여기서 N은 수신신호의 샘플 개수이고, y(ti)는 상기 가상센서의 수신신호이며, H는 허미션 연산자(Hermition Operator)이다. 나아가, 상기 제2 단계에서의 상기 다중경로의 개수의 추정은, 맨 처음에는 상기 실제 안테나 센서의 수신신호만을 이용하며, 그 다음부터는 상기 실제 안테나 센서와 상기 가상 센서에 의한 수신신호를 모두 이용하여 아래 식 (A)를 이용하여 k값을 변경시켜가면서 AIC, MDL 판단기준(criteria)을 계산한 다음, 그 계산된 AIC(k)와 MDL(k) 값들을 아래 식 (B)에 적용하여 이전의 반복 계산 단계에서 다중 경로의 개수
Figure 112006023025518-pat00009
를 추정하는 방식으로 이루어진다. 여기서, Mtot는 실제 센서의 개수와 가상 센서의 개수를 합한 총 안테나 센서의 개수를 의미하며, k는 변수로서
Figure 112006023025518-pat00010
의 값을 가지며, N은 수신 샘플의 개수,
Figure 112006023025518-pat00011
는 내림차순으로 정렬된 샘플 공분산 행렬
Figure 112006023025518-pat00012
의 고유값(eigenvalue)인 것을 특징으로 하는 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법.In such a multipath detection method, the sample covariance matrix is
Figure 112006023025518-pat00008
Calculated by Where N is the number of samples of the received signal, y (t i ) is the received signal of the virtual sensor, and H is a Hermition Operator. Further, the estimation of the number of the multipaths in the second step may be performed by first using only the received signals of the real antenna sensor, and then using both the received signals of the real antenna sensor and the virtual sensor. Calculate the AIC and MDL criteria by changing the k value using Equation (A) below, and then apply the calculated AIC (k) and MDL (k) values to Equation (B) below. Number of multipaths in the iterative calculation phase of
Figure 112006023025518-pat00009
Is made in the manner of estimating. Here, M tot means the total number of antenna sensors, which is the sum of the number of real sensors and the number of virtual sensors, and k is a variable.
Figure 112006023025518-pat00010
Where N is the number of received samples,
Figure 112006023025518-pat00011
Is a sample covariance matrix sorted in descending order
Figure 112006023025518-pat00012
Multipath detection method using a virtual sensor, characterized in that the (eigenvalue) of.

Figure 112006023025518-pat00013
... (A)
Figure 112006023025518-pat00013
... (A)

Figure 112006023025518-pat00014
... (B)
Figure 112006023025518-pat00014
... (B)

상기와 같은 다중경로 검출방법의 상기 제3 단계는, 상기 수신신호의 반복적인 랭크 확장을 위해, 상기 가상센서에 의한 수신신호의 각 경로간의 위상차를 나타내는 도래각(AoA: Angle of Arrival), 복소채널이득, 수신잡음의 분산 및 각 전파경로별 상대적 전파시간지연과 같은 가상센서에 의한 수신신호를 구성하는 파라미터를 결정하는 단계를 포함한다. 이 경우, 상기 가상센서에 의한 수신신호의 수 신잡음의 분산 (σ 2 )은 아래 식 (C)에 의해 정해지고, 아래 식 (C)에서 ym dif (t)는 m 번째 실제 안테나센서에 의한 특정 시점 t와 이의 한 송신주기 후인 t+Ts에서의 샘플링 값의 차신호이고, E는 한 주기의 PN 시퀀스 지속시간 동안의 평균을 취한 기댓값을 의미한다. The third step of the multipath detection method as described above comprises: an angle of arrival (AoA) representing a phase difference between the respective paths of the received signal by the virtual sensor for repetitive rank expansion of the received signal; Determining parameters constituting a received signal by the virtual sensor, such as channel gain, distribution of received noise, and relative propagation time delay for each propagation path. In this case, the variance ( σ 2 ) of the received noise of the received signal by the virtual sensor is determined by Equation (C) below, and y m dif ( t ) in Equation (C) below is applied to the m th actual antenna sensor. Is a difference signal of a sampling value at a specific time point t and a T + T s after one transmission period thereof, and E denotes an expected value obtained by averaging the duration of a PN sequence of one period.

Figure 112006023025518-pat00015
Figure 112006023025518-pat00016
...(C)
Figure 112006023025518-pat00015
Figure 112006023025518-pat00016
... (C)

나아가, 상기 각 전파경로별 상대적 전파시간지연(

Figure 112006023025518-pat00017
)은 아래 식 (D)를 이용하여 경로 인덱스
Figure 112006023025518-pat00018
값을 1부터 1씩 M-1까지 증가시키면서, y i Ts (t)와 송신신호의 버스트신호 a(t-τ)간의 상관도(correlation)를 계산하고 그 계산된 값들 중 최대값(peak)이 전파지연시간
Figure 112006023025518-pat00019
의 값으로 정하되, 경로 인덱스
Figure 112006023025518-pat00020
의 범위는 각 반복단계마다 그 이전의 반복단계에서 추정된 다중경로 개수 L E 를 가지고
Figure 112006023025518-pat00021
로 새롭게 정의하는 방식으로 계산되며, 아래 식 (D)에서,
Figure 112006023025518-pat00022
은 k 번째 가상 센서에 대한 처음 M-1개의 다중경로의 상대적 전파지연시간
Figure 112006023025518-pat00023
이며, 인덱스 i는 모듈러 연산 i=mod(k-1, M)+1 로 정해지는 값이고, y i Ts (t)는 y i (t)에 대한 한 주기 동안의 수신신호의 데이터이며, a(·)는 송신신호 x(t)의 버스트신호, <A, B>는 신호 A와 신호 B 간의 상관도(correlation)이다.Furthermore, the relative propagation time delay for each propagation path (
Figure 112006023025518-pat00017
) Is the path index using the following equation (D)
Figure 112006023025518-pat00018
Calculate the correlation between y i Ts ( t ) and the burst signal a (t-τ) of the transmitted signal, increasing the value from 1 to 1 by M-1, and peak among the calculated values. The propagation delay time
Figure 112006023025518-pat00019
Set to, but path index
Figure 112006023025518-pat00020
For each iteration, we have a multipath number L E estimated at the previous iteration.
Figure 112006023025518-pat00021
Is calculated in a newly defined manner, and in equation (D) below,
Figure 112006023025518-pat00022
Is the relative propagation delay time of the first M-1 multipaths for the k th virtual sensor.
Figure 112006023025518-pat00023
Index i is a value determined by the modular operation i = mod (k-1, M) +1, y i Ts ( t ) is the data of the received signal for one period for y i ( t ), and a (*) Is a burst signal of transmission signal x (t), and <A, B> is a correlation between signal A and signal B.

Figure 112006023025518-pat00024
...(D)
Figure 112006023025518-pat00024
... (D)

더 나아가, 상기 복소채널이득(

Figure 112006023025518-pat00025
)은 아래 식 (E)에 의해 계산하되 경로 인덱스
Figure 112006023025518-pat00026
의 범위는 각 반복단계마다 그 이전의 반복단계에서 추정된 다중경로 개수 L E 를 가지고
Figure 112006023025518-pat00027
로 새롭게 정의하는 방식으로 계산하며, 아래 식(E)에서 i=mod(k-1,M)+1이고,
Figure 112006023025518-pat00028
,
Figure 112006023025518-pat00029
이고,
Figure 112006023025518-pat00030
는 한 송신주기 동안의 수신신호,
Figure 112006023025518-pat00031
는 신호 A, B 사이의 상관도를 나타낸다. Furthermore, the complex channel gain (
Figure 112006023025518-pat00025
) Is calculated by the following formula (E)
Figure 112006023025518-pat00026
For each iteration, we have a multipath number L E estimated at the previous iteration.
Figure 112006023025518-pat00027
Calculate in a newly defined manner, i = mod (k-1, M) + 1 in the formula (E),
Figure 112006023025518-pat00028
,
Figure 112006023025518-pat00029
ego,
Figure 112006023025518-pat00030
Is a received signal for one transmission period,
Figure 112006023025518-pat00031
Denotes a correlation between signals A and B.

Figure 112006023025518-pat00032
...(E)
Figure 112006023025518-pat00032
... (E)

이와 같은 다중경로 검출방법의 상기 제3 단계에서의 랭크 확장과 관련하여, 상기 가상 센서에 의해 한 번에 증가시킬 수 있는 채널 파라미터 벡터의 랭크(rank)는 '이전의 반복 단계에서 존재한 안테나 센서의 개수-1'개인 것을 특징으로 한다. With respect to the rank expansion in the third step of such a multipath detection method, the rank of the channel parameter vector that can be incremented by the virtual sensor at once is &quot; antenna sensor present in the previous iteration step. It is characterized by the number of '1'.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail.

(1) 다중경로 채널의 이론적인 모델(1) theoretical model of multipath channel

도 1은 본 발명에 사용된 다중경로 모델을 설명하기 위한 도면이다. 수신 측(Rx)은 다수의 수신 안테나 센서가 임의의 위치에 배치되며, 송신측(Tx)은 1개 혹은 다수개의 송신부를 포함한다. 송신신호 x(t)는 적어도 한 개 이상의 신호원(Tx)으로부터 전송된 신호로서, 주기적으로 반복되는 주기 Ts의 버스트신호 a(t)로 구성되며, 다음과 같이 표현된다. 1 is a view for explaining a multipath model used in the present invention. On the receiving side Rx, a plurality of receiving antenna sensors are arranged at arbitrary positions, and the transmitting side Tx includes one or a plurality of transmitting units. The transmission signal x (t) is a signal transmitted from at least one signal source Tx, and is composed of a burst signal a (t) of a periodically repeated period T s and is expressed as follows.

Figure 112006023025518-pat00033
(1)
Figure 112006023025518-pat00033
(One)

식 (1)에서, 버스트 신호는 PN(PseudoNoise) 시퀀스 [a0, ..., as-1]와 지속시간이 Tp (즉, Ts=STp)인 정형펄스(shaping pulse)에 관해

Figure 112006023025518-pat00034
의 형태로 나타내진다. 송신측(Tx)에서는 이러한 송신신호 x(t)가 주기 Ts마다 반복적으로 송신된다.In Equation (1), the burst signal is applied to a shaping pulse whose PN (PseudoNoise) sequence [a 0 , ..., a s-1 ] and duration T p (i.e. T s = ST p ). About
Figure 112006023025518-pat00034
It is represented in the form of. The transmitting side (Tx) in such a transmission signal x (t) is transmitted repeatedly every period T s.

도 1의 수신측(Rx)에는 L개의 원시야 산란원(far-field scattering sources)에 의해 발생된 신호 즉, 다중경로 신호들을 수신하는 M개 안테나 센서의 어레이가 있다고 가정하자. 이들 수신측 안테나 센서(Rx)의 출력단에서 M개의 베이스밴드 신호에 대한

Figure 112006023025518-pat00035
번째 경로의 기여는 다음과 같은 벡터로 표현될 수 있다.Suppose that there is an array of M antenna sensors receiving a signal generated by L far-field scattering sources, that is, multipath signals, on the receiving side Rx of FIG. For the M baseband signals at the output of these receiving antenna sensors Rx,
Figure 112006023025518-pat00035
The contribution of the first path can be expressed by the following vector.

Figure 112006023025518-pat00036
(2)
Figure 112006023025518-pat00036
(2)

여기서, 식(2)를 구성하고 있는 파라미터를 정의하면,

Figure 112006023025518-pat00037
Figure 112006023025518-pat00038
번째 전파를 구성하는 모든 파라미터를 나타내는 벡터이다. 이 벡터에서 파라미 터
Figure 112006023025518-pat00039
는 도래각(AoA),
Figure 112006023025518-pat00040
는 경로이득과 각 전파경로의 상대적인 위상차를 나타내는 복소채널이득,
Figure 112006023025518-pat00041
는 도플러 주파수, 그리고
Figure 112006023025518-pat00042
는 각 전파경로별 상대 전파지연시간을 나타낸다.
Figure 112006023025518-pat00043
Figure 112006023025518-pat00044
번째 전파경로에 관한 지연신호를 나타낸다.
Figure 112006023025518-pat00045
으로 정의되는 Mxl 벡터는 수신측의 안테나 센서 어레이의 스티어링 벡터(steering vector)로서 이는 그 안테나 센서 어레이의 각 원소 센서의 안테나 이득과 상대적인 위치정보를 포함하고 있다. Here, if the parameters constituting the formula (2) are defined,
Figure 112006023025518-pat00037
Is
Figure 112006023025518-pat00038
Vector representing all the parameters constituting the first propagation. Parameter in this vector
Figure 112006023025518-pat00039
Is the angle of arrival (AoA),
Figure 112006023025518-pat00040
Is a complex channel gain representing the path gain and the relative phase difference between each propagation path,
Figure 112006023025518-pat00041
Is the Doppler frequency, and
Figure 112006023025518-pat00042
Represents the relative propagation delay time for each propagation path.
Figure 112006023025518-pat00043
silver
Figure 112006023025518-pat00044
The delay signal related to the first propagation path is shown.
Figure 112006023025518-pat00045
The Mxl vector defined as is a steering vector of the antenna sensor array on the receiving side, which includes antenna gain and relative position information of each element sensor of the antenna sensor array.

도 1은 다중 경로 모델의 일반적인 정의로서, 본 발명의 목표는 이러한 다중경로 모델에 있어서 수신된 신호로부터 다중경로의 개수 L을 어떻게 찾아내는 방법을 강구하는 것이다. 표현의 단순화를 위해, 채널 파라미터 벡터는 다음과 같이 정의된다.1 is a general definition of a multipath model, and an object of the present invention is to find a method for finding the number L of multipaths from a received signal in such a multipath model. For simplicity of representation, the channel parameter vector is defined as follows.

Figure 112006023025518-pat00046
(3)
Figure 112006023025518-pat00046
(3)

여기서,

Figure 112006023025518-pat00047
은 시간지연성분
Figure 112006023025518-pat00048
을 제외한 나머지 모든 요소들로 구성된 새로운 명목 파라미터이다. 시간지연성분을 제외한 나머지 요소들을 모두 합쳐 파라미터 벡터
Figure 112006023025518-pat00049
로 표현할 수 있다.here,
Figure 112006023025518-pat00047
Silver time delay component
Figure 112006023025518-pat00048
New nominal parameter consisting of all elements except for. Parameter vector that combines all elements except time delay
Figure 112006023025518-pat00049
Can be expressed as

수신기(Rx)에서는 송신기(Tx)에서 보낸 신호를 수신하는데, 송신기(Tx)와 수신기(Rx) 사이에 일반적으로 장애물이 존재하므로 여러 경로를 거쳐 진행된 신호가 합쳐진 신호가 수신된다. 따라서 수신측 안테나 센서 어레이에서 측정된 신호(즉, 수신 신호) y(t)는 L개의 다중경로를 거쳐 들어온 신호를 포함하며, 수신기에서의 센서 개수를 M이라고 할 때 이를 다음과 같은 Mㅧ l 크기의 수신신호 벡터(observation vector) y(t)형태로 표현할 수 있다.The receiver Rx receives a signal sent from the transmitter Tx, and since an obstacle generally exists between the transmitter Tx and the receiver Rx, a signal in which the signals propagated through various paths are combined is received. Therefore, the signal measured at the receiving antenna sensor array (that is, the received signal) y (t) includes a signal input through L multipaths, and when the number of sensors in the receiver is M, It can be expressed in the form of an observation vector y (t) of magnitude.

Figure 112006023025518-pat00050
(4)
Figure 112006023025518-pat00050
(4)

식 (4)에서

Figure 112006023025518-pat00051
은 해당 다중 경로의 시간지연을 포함한 송신 신호이고, n(t)는 M개의 센서 어레이에 수신되는 신호의 부가잡음성분과 관련되는 Mㅧ 1 크기의 가우시안 벡터 프로세스(Gaussian vector process)이다. 다중 경로의 개수 L은 센서 개수 M보다 큰 값을 가질 수 있으며, 수신신호의 부가 잡음 n(t)는 신호와 관계없이 평균이 0이고 공분산 행렬(covariance matrix)이
Figure 112006023025518-pat00052
이며 (따라서, 각 채널의 잡음 간의 자기 상관도(auto-correlation)는 존재하지만 상호 상관도(cross-correlation)는 존재하지 않는다) 정적인 복소수의 에르고드적인 가우시안 벡터 프로세서로 가정한다. 여기서
Figure 112006023025518-pat00053
는 잡음의 파워를 나타내는 미지의 상수이고,
Figure 112006023025518-pat00054
는 단위행렬이다. 이 때 송신신호는 반복적으로 송출되는 PN시퀀스로 구성되며 한 시퀀스는 Ts (송신신호의 송신주기)의 길이를 갖는다. In equation (4)
Figure 112006023025518-pat00051
Is a transmission signal including the time delay of the corresponding multipath, and n (t) is a Gaussian vector process of size M ㅧ 1 related to the additive noise component of the signal received at the M sensor arrays. The number L of multipaths may have a value greater than the number M of sensors. The additional noise n (t) of a received signal has an average of 0 and a covariance matrix is independent of the signal.
Figure 112006023025518-pat00052
(Hence, there is auto-correlation between each channel's noise but no cross-correlation). It is assumed to be a static, complex, ergand Gaussian vector processor. here
Figure 112006023025518-pat00053
Is an unknown constant that represents the power of the noise,
Figure 112006023025518-pat00054
Is the unit matrix. At this time, the transmission signal is composed of PN sequences that are repeatedly transmitted, and one sequence has a length of T s (transmission cycle of the transmission signal).

(2) 가상 센서를 이용한 정보이론적 판단기준(Information theoretic criteria)(2) Information theoretic criteria using virtual sensors

도 2는 수신측 안테나 센서의 개수 M보다 큰 값을 갖는 다중 경로의 개수 L을 추정하는 방법을 설명하기 위한 것으로서, 실제의 안테나 센서에 대한 가상 센 서의 개념적 배치도를 나타낸다.FIG. 2 illustrates a method of estimating the number L of multiple paths having a value larger than the number M of receiving antenna sensors, and illustrates a conceptual layout diagram of a virtual sensor for an actual antenna sensor.

가상 센서 개념을 도입하기 위해, 먼저 식 (4)를 다음과 같이 다시 쓴다.To introduce the virtual sensor concept, we first rewrite equation (4) as

Figure 112006023025518-pat00055
(5)
Figure 112006023025518-pat00055
(5)

여기서 A는 다음과 같이 정의되는 MxL 채널 파라미터 매트릭스이다.Where A is an MxL channel parameter matrix defined as follows.

Figure 112006023025518-pat00056
(6)
Figure 112006023025518-pat00056
(6)

x(t)는 그 원소들이 서로 다른 시간지연

Figure 112006023025518-pat00057
을 갖는 Lxl의 전송된 신호 벡터로서 다음과 같이 주어진다.x (t) is the time delay between the elements
Figure 112006023025518-pat00057
The transmitted signal vector of Lxl having is given by

Figure 112006023025518-pat00058
(7)
Figure 112006023025518-pat00058
(7)

그러면, 수신신호 벡터 y(t)의 N번 샘플링은 수신 신호 매트릭스

Figure 112006023025518-pat00059
를 이용하여 다시 쓰면 다음과 같다.Then, N sampling of the received signal vector y (t) is a received signal matrix.
Figure 112006023025518-pat00059
Rewrite using

Figure 112006023025518-pat00060
(8)
Figure 112006023025518-pat00060
(8)

이 때, X N은 각각 다음과 같다.In this case, X and N are as follows.

Figure 112006023025518-pat00061
(9)
Figure 112006023025518-pat00061
(9)

Figure 112006023025518-pat00062
(10)
Figure 112006023025518-pat00062
10

다중 경로 L의 개수가 센서 개수 M 보다 크거나 같다고 가정하면, 채널 파라미터 행렬 A는 M의 최대 행의 랭크(full row rank)를 갖는다. 만약 수신신호의 샘플 개수 N이 충분히 크다고 가정할 때, Y의 랭크는 M이 되고, 그 결과 종래의 통상적인 정보 이론적 판단기준(information theoretic criteria)에 의해 추정된 다중 경로의 개수는 항상 M-1이 된다. 통상적인 판단기준(criteria)에 의해 검출된 경로의 최대값은 센서의 개수에 의해 제한되기 때문이다. Assuming that the number of multipaths L is greater than or equal to the number of sensors M, the channel parameter matrix A has the full row rank of M. Assuming that the sample number N of the received signal is sufficiently large, the rank of Y becomes M, and as a result, the number of multipaths estimated by conventional conventional information theoretic criteria is always M-1. Becomes This is because the maximum value of the path detected by the usual criteria is limited by the number of sensors.

이러한 제한을 극복하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이 수신측 안테나 센서 어레이에 K개의 가상 센서가 놓여져 전체 안테나 센서의 개수 M+K가 L보다 큰 값이 되도록 가정하는 가상센서법을 제안한다. 도 2에서,

Figure 112006023025518-pat00063
는 k번째 가상센서의 수신신호를 나타낸다. 이 때 가상센서의 수신신호는 다중경로의 개수를 결정하는 데 있어 필드 패턴에 아무런 제약도 필요하지 않다. 따라서 식 (3)에서 각 가상센서에 해당하는 스티어링(steering) 벡터
Figure 112006023025518-pat00064
의 원소들에 관해 임의의 값을 선택할 수 있고(즉, 채널에 관계없이 사용자가 조정 가능한 값이고), 이러한 사실은 가상 센서의 복소채널이득에 해당하는
Figure 112006023025518-pat00065
의 선택에 대한 제약조건도 없음을 의미한다. 또한, 일반적인 이동통신 환경에서 도래파의 도플러 주파수의 크기는 1/Ts에 비해 매우 작다. 그러므로 식 (2)의 위상에 해당하는
Figure 112006023025518-pat00066
는 PN 시퀀스의 지속시간과 같은 각 측정시간 동안은 상수로 볼 수 있다. 이러한 가정으로부터 가상센서에 해당하는 파라미터 벡터
Figure 112006023025518-pat00067
의 원소들을 시간에 관계없는 값들로 구할 수 있다.To overcome this limitation, as shown in FIG. 2, a virtual sensor method is proposed that assumes that K virtual sensors are placed in the receiving antenna sensor array so that the total number of antenna sensors M + K is greater than L. In Figure 2,
Figure 112006023025518-pat00063
Denotes the received signal of the k-th virtual sensor. At this time, the received signal of the virtual sensor does not need any restriction on the field pattern in determining the number of multipaths. Therefore, steering vector corresponding to each virtual sensor in equation (3)
Figure 112006023025518-pat00064
You can select any value for the elements of (i.e. user-adjustable value regardless of channel), and this fact corresponds to the complex channel gain of the virtual sensor.
Figure 112006023025518-pat00065
There is no constraint on the choice of. In addition, the magnitude of the Doppler frequency of the arrival wave in a typical mobile communication environment is very small compared to 1 / T s . Therefore, corresponding to the phase of equation (2)
Figure 112006023025518-pat00066
Can be seen as a constant for each measurement time, such as the duration of a PN sequence. From these assumptions, the parameter vector corresponding to the virtual sensor
Figure 112006023025518-pat00067
The elements of can be found as time-independent values.

실제 안테나 센서뿐만 아니라 가상센서의 원소들을 포함하는 전체 채널 파라미터 벡터는 다음의 식과 같이 정의된다. The entire channel parameter vector including the elements of the virtual sensor as well as the actual antenna sensor is defined as follows.

Figure 112006023025518-pat00068
(11)
Figure 112006023025518-pat00068
(11)

한편, 스티어링 벡터는 다음과 같이 가상센서의 스티어링 벡터 원소를 포함 하는 형태로 쓸 수 있다.Meanwhile, the steering vector may be written in a form including a steering vector element of the virtual sensor as follows.

Figure 112006023025518-pat00069
(12)
Figure 112006023025518-pat00069
(12)

문제는 랭크가 L보다 작은 무수한 수신 신호의 집합 y(t1), ..., y(tN)에 관하여 경로 개수 L(≥M)을 추정하는 것이다. 이 문제에 관한 가능성 있는 접근은 가상 센서들의 도움으로 채널 파라미터 벡터의 랭크를 확장하는 것이다. 통상적인 정보이론적 판단기준(Information Theoretic Criteria)에 의하면, 실제 센서의 수와 가상 센서의 수를 합한 수 M+K가 다중 경로의 개수 L보다 크면, L의 값을 정확하게 추정할 수 있다. 이 가상센서법은 M개의 실제 안테나 센서로 측정한 수신신호를 보고서, M+1번째의 안테나가 존재한다면 이 안테나 센서가 어떤 값의 신호를 수신했을 지를 추정하고, 마찬가지로 M+2번째의 안테나가 존재한다면 이 안테나 센서가 측정한 수신신호를 추정하는 방식으로, M개의 실제 안테나 센서에 K개의 가상센서를 추가로 배치하였다면 수신신호가 어떻게 달라지겠는가를 고찰하는 방식으로 채널 파라미터 벡터의 랭크를 확장한다. 즉, 가상 센서가 갖는 개별적 전파전파 형태와 각각의 위치에 대한 제약조건은 없는 상태에서 AIC, MDL 판단기준(criteria)을 이용하여 다중 경로의 개수를 추정하기 위해서는 수신신호 행렬의 랭크 확장이 필요하게 되며, 이를 위해 식(4)를 다음의 식(5)와 같이 가상센서에 의한 수신신호를 포함하는 행렬 표현으로 나타낼 수 있다.The problem is to estimate the number of paths L (≥M) with respect to the set y (t 1 ), ..., y (t N ) of a myriad of received signals whose rank is less than L. A possible approach to this problem is to extend the rank of the channel parameter vector with the help of virtual sensors. According to a general information theoretic criterion, if the number M + K, which is the sum of the number of real sensors and the number of virtual sensors, is greater than the number L of multipaths, the value of L can be estimated accurately. The virtual sensor method looks at the received signals measured by the M real antenna sensors, and if there is an M + 1 antenna, estimates what value the antenna sensor received. Extends the rank of the channel parameter vector by estimating the received signal measured by this antenna sensor if present, and by considering how the received signal would be different if K virtual sensors were placed in M real antenna sensors. do. That is, in order to estimate the number of multipaths using AIC and MDL criteria without the condition of the individual propagation type and each position of the virtual sensor, the rank expansion of the received signal matrix is necessary. For this, Equation (4) may be represented by a matrix representation including the received signal by the virtual sensor as in Equation (5) below.

Figure 112006023025518-pat00070
(13)
Figure 112006023025518-pat00070
(13)

이 때,Y tot

Figure 112006023025518-pat00071
로 표현되는 전체 수신신호의 샘플 값으로서 여기에는 실제 안테나 센서에 의한 수신신호와 가상센서에 의한 수신신호가 모두 포함되며,
Figure 112006023025518-pat00072
Figure 112006023025518-pat00073
은 각각 실제 안테나 센서와 가상센서에 의한 채널 파라미터 행렬과 노이즈의 샘플 값으로서, 각각 아래와 같이 쓸 수 있다.Where Y tot is
Figure 112006023025518-pat00071
Sample values of all the received signals, which are expressed as, include both the received signal by the actual antenna sensor and the received signal by the virtual sensor.
Figure 112006023025518-pat00072
and
Figure 112006023025518-pat00073
Are the sample values of the channel parameter matrix and the noise by the real antenna sensor and the virtual sensor, respectively.

Figure 112006023025518-pat00074
(14)
Figure 112006023025518-pat00074
(14)

Figure 112006023025518-pat00075
(15)
Figure 112006023025518-pat00075
(15)

(3) 가상센서기법을 이용한 다중경로 개수의 추정(3) Estimation of the number of multipaths using the virtual sensor technique

식 (13)의 구성을 완성하기 위해, 가상센서에 의한 수신신호의 각 경로간의 위상차를 나타내는 도래각(AoA), 복소채널이득, 잡음 분산 및 각 전파경로별 상대적 전파시간지연과 같은 가상센서에 의한 수신신호를 구성하는 파라미터를 결정해야 한다. In order to complete the configuration of equation (13), the virtual sensor such as the angle of arrival (AoA) representing the phase difference between each path of the received signal by the virtual sensor, the complex channel gain, the noise dispersion, and the relative propagation time delay for each propagation path are used. The parameters constituting the received signal must be determined.

1) 잡음 분산의 추정1) Estimation of Noise Dispersion

다중경로의 개수를 정하기 위한 가상센서기법을 적용하기 위해, 먼저 실제 수신신호로부터 잡음 분산 σ2를 추정할 필요가 있다.In order to apply the virtual sensor technique to determine the number of multipaths, it is necessary to first estimate the noise variance σ 2 from the actual received signal.

두 개의 연속적인 수신신호 벡터 y( t ) 및 1 PN 시퀀스 주기의 편차를 갖는 y( t +T s ) 사이의 차벡터 y dif ( t )를 정의하는 것은 이들 두 수신신호 벡터의 신호 부 분 Ax( t )Ax( t +T s )를 정의하는 것과 서로 같으므로, 다음과 같이 Mx1 벡터 y dif ( t )를 쓸 수 있다.Defining the difference vector y dif ( t ) between two consecutive received signal vectors y ( t ) and y ( t + T s ) with a deviation of one PN sequence period is the signal portion Ax of these two received signal vectors. Since the same with each other as defining a (t), and Ax (t + t s), you can write the Mx1 vector dif y (t) as follows:

Figure 112006023025518-pat00076
(16)
Figure 112006023025518-pat00076
(16)

또한, y dif ( t )에 대하여 각 행의 공분산은 다음 식과 같다.Further, for y dif ( t ) , the covariance of each row is given by the following equation.

Figure 112006023025518-pat00077
(17)
Figure 112006023025518-pat00077
(17)

여기서, ym dif (t)과 nm(??)은 y dif ( t ) n m (??)의 m 번째 행에 관련된 값이다. 즉, ym(t)가 m번째의 실제 안테나센서에 의한 샘플링 값이므로, ym dif (t)는 m 번째 실제 안테나센서에 의한 특정 시점 t와 이의 한 송신주기 후인 t+Ts에서의 샘플링 값의 차신호이다. 또한 nm(t)은 m번째의 실제 안테나센서에 의한 수신신호의 부가 잡음이다. σ m 2 은 m번째 센서의 잡음 분산이며, 식 (17)의 기댓값 E는 한 주기의 PN 시퀀스 지속시간 동안의 평균을 취하는 것을 의미한다. 이 때 한 주기는 Ts로 송신신호의 한주기와 일치한다.Where y m dif ( t ) and n m (??) are the values associated with the m th row of y dif ( t ) and n m (??) . That is, since y m ( t ) is the sampling value by the m th actual antenna sensor, y m dif ( t ) is the sampling at a point in time t by the m th real antenna sensor and t + T s after one transmission period thereof. Value difference signal. In addition, n m (t) is added noise of the received signal by the m th actual antenna sensor. σ m 2 is the noise variance of the m th sensor, and the expected value E in Eq. (17) means to take the average over the duration of one period of PN sequence. At this time, one period corresponds to one period of the transmission signal with T s .

식 (17)을 이용하면 수신잡음의 분산 σ 2 은 다음과 같이 추정할 수 있다.Using equation (17), the variance σ 2 of the received noise can be estimated as follows.

Figure 112006023025518-pat00078
(18)
Figure 112006023025518-pat00078
(18)

이상적인 경우, 각 센서에 관한 모든 잡음 분산은 서로 같다. 그러나 유한한 윈도우에 관한 기댓값은 수신 센서들의 잡음 분산들 간에 약간의 차이를 야기한다. 그러므로 잡음 분산을 식 (17)에서의 잡음 분산의 모든 계산된 값들의 앙상블 평균으로 추정한다. 위 식 (18)을 이용하면 가상센서에 의한 노이즈 값을 생성시킬 수 있다. Ideally, all noise variances for each sensor are the same. However, the expected value for the finite window causes some difference between the noise variances of the receiving sensors. Therefore, the noise variance is estimated as the ensemble mean of all the calculated values of the noise variance in equation (17). By using Equation (18), it is possible to generate a noise value by the virtual sensor.

2) 랭크 확장2) Rank expansion

이젠 계산된 잡음 분산과 정해진 송신 시퀀스를 이용하여 파라미터 행렬의 랭크를 증가시키기 위해 다음과 같은 과정을 수행한다. Now, to increase the rank of the parameter matrix using the calculated noise variance and the determined transmission sequence, the following process is performed.

AIC/MDL 기법에 의해 이미 알려진 바와 같이, 다중경로의 개수 L이 안테나 센서의 개수 M보다 더 크다고 가정하면, 이 경우 AIC/MDL 판단기준(criteria)으로 추정되는 다중 경로의 개수는 'M-1'이 된다. M-1개의 다중경로 신호가 언제 수신되는지를 정하기 위해서는 전파시간지연을 알아야 한다. 이를 위해, 우선 PN 시퀀스의 상관도 특성을 이용하여 수신신호로부터 M-1개의 다중 경로별 전파시간지연을 계산한다. 시간지연 신호가 이와 같은 M-1개의 다중경로 추정 개수와 수신신호(즉, 수신 데이터)의 PN 상관도 특성을 가지고서, 처음 M-1개의 다중 경로의 상대적 전파시간 지연을 가상 센서들에 관한 신호 세기의 순서로 추정할 수 있다. k 번째 가 상 센서에 대한 처음 M-1개의 다중경로의 전파시간지연

Figure 112006023025518-pat00079
은 다음과 같다. As already known by the AIC / MDL technique, assuming that the number L of multipaths is greater than the number M of antenna sensors, in this case, the number of multipaths estimated by the AIC / MDL criterion is 'M-1'. 'Becomes. The propagation time delay must be known to determine when the M-1 multipath signals are received. To this end, first, the propagation time delay of each M-1 multipaths is calculated from the received signal using the correlation characteristics of the PN sequence. The time delay signal has the PN correlation characteristics of the M-1 multipath estimates and the received signal (i.e., the received data), so that the relative propagation time delays of the first M-1 multipaths are obtained from the signals related to the virtual sensors. It can be estimated in the order of intensity. Propagation time delay of the first M-1 multipaths for the kth virtual sensor
Figure 112006023025518-pat00079
Is as follows.

Figure 112006023025518-pat00080
(19)
Figure 112006023025518-pat00080
(19)

식 (19)에서, 인덱스 i는 모듈러 연산 i=mod(k-1, M)+1 로 정해지는 값이고, y i Ts (t)는 y i (t)에 대한 한 주기 동안의 수신신호의 데이터이며, <A, B>는 신호 A와 신호 B 간의 상관도를 의미한다. 식 (19)에 따르면, 경로 인덱스

Figure 112006023025518-pat00081
값을 1부터 1씩 M-1까지 증가시키면서, y i Ts (t)와 송신신호의 버스트신호 a(t-τ)간의 상관도를 계산하고 그 계산된 값들 중 최대값(peak)이 전파시간지연
Figure 112006023025518-pat00082
의 값으로 정하게 된다. 식 (19)의 두 번째 식에서
Figure 112006023025518-pat00083
를 빼주는 것은,
Figure 112006023025518-pat00084
이 2 이상인 경우에는 그 전까지(즉,
Figure 112006023025518-pat00085
이 1부터
Figure 112006023025518-pat00086
-1인 경우까지)의 상관도의 효과를 빼준 나머지 값들 중에서 최대값을 찾기 위함이다.In equation (19), index i is a value determined by the modular operation i = mod (k-1, M) +1, and y i Ts ( t ) is the value of the received signal for one period for y i ( t ). Data, and <A, B> means correlation between signal A and signal B. FIG. According to equation (19), path index
Figure 112006023025518-pat00081
Calculate the correlation between y i Ts ( t ) and the burst signal a (t-τ) of the transmitted signal, increasing the value from 1 to 1 by M-1, and the peak value among these calculated values is the propagation time. delay
Figure 112006023025518-pat00082
It is determined by the value of. In the second expression of equation (19)
Figure 112006023025518-pat00083
Subtracting,
Figure 112006023025518-pat00084
Is greater than or equal to 2
Figure 112006023025518-pat00085
From this 1
Figure 112006023025518-pat00086
This is to find the maximum value among the remaining values, which has the effect of the correlation).

가상센서에 의한 수신신호 구성을 위해 필요한 다음 파라미터는 복소채널이득이다. 식(11)에서의 가상센서들에 관한 복소채널이득

Figure 112006023025518-pat00087
Figure 112006023025518-pat00088
로 나타낼 수 있다. 또한, 스티어링 벡터 원소
Figure 112006023025518-pat00089
는 임의로 생성된
Figure 112006023025518-pat00090
번째 도래각(AoA)
Figure 112006023025518-pat00091
과 실제 센서들의 패턴을 이용하여 구할 수 있다. 이들 복소채널이득
Figure 112006023025518-pat00092
와 스티어링 벡터 원소
Figure 112006023025518-pat00093
는 각각 다음과 같이 계산될 수 있다. 복소채널이득
Figure 112006023025518-pat00094
의 계산에는 위 식 (19)를 이용하여 구한 상대적 전파시간지연
Figure 112006023025518-pat00095
의 값이 이용된다.The next parameter needed to construct the received signal by the virtual sensor is the complex channel gain. Complex Channel Gain for Virtual Sensors in Equation (11)
Figure 112006023025518-pat00087
silver
Figure 112006023025518-pat00088
It can be represented as. Steering vector elements
Figure 112006023025518-pat00089
Is randomly generated
Figure 112006023025518-pat00090
Second advent angle (AoA)
Figure 112006023025518-pat00091
And the actual sensor pattern. These complex channel gains
Figure 112006023025518-pat00092
Steering vector elements
Figure 112006023025518-pat00093
Can be calculated as follows. Complex Channel Gain
Figure 112006023025518-pat00094
The relative propagation time delay obtained using equation (19)
Figure 112006023025518-pat00095
Is used.

Figure 112006023025518-pat00096
(20)
Figure 112006023025518-pat00096
20

이 때 i=mod(k-1,M)+1이고,

Figure 112006023025518-pat00097
,
Figure 112006023025518-pat00098
이고,
Figure 112006023025518-pat00099
는 한 송신주기 동안의 수신신호, a(·)는 송신신호 x(t)의 버스트신호,
Figure 112006023025518-pat00100
는 신호 A, B 사이의 상관도를 각각 나타낸다. 위 식(20)에서 복소채널이득의 위상은 고려되지 않았는데, 가상 센서의 경우
Figure 112006023025518-pat00101
은 사용자 편의대로 임의적인 값을 부여할 수 있는 것이어서 그러한 고려를 불필요하게 만들기 때문이다.Where i = mod (k-1, M) +1,
Figure 112006023025518-pat00097
,
Figure 112006023025518-pat00098
ego,
Figure 112006023025518-pat00099
Denotes a received signal during one transmission period, a (·) denotes a burst signal of the transmitted signal x (t),
Figure 112006023025518-pat00100
Denotes the correlation between the signals A and B, respectively. In Equation (20), the phase of the complex channel gain is not considered.
Figure 112006023025518-pat00101
This is because an arbitrary value can be assigned at the user's convenience, making such consideration unnecessary.

식 (19)와 (20)에서 센서 인덱스 i는 다른 센서들의 다중경로들 간의 다른 채널이득을 가상센서들의 채널 파라미터 안으로 반영하기 위해 고려되고, 가상센서들의 스티어링 벡터는 계산의 편의를 위해 실제 안테나 센서들의 스티어링 벡터를 가지고 계산한다.In Eqs. (19) and (20), the sensor index i is taken into account to reflect the different channel gains between the multipaths of the different sensors into the channel parameters of the virtual sensors, and the steering vector of the virtual sensors is the actual antenna sensor for convenience of calculation. Calculate with their steering vectors.

식(18) 내지 (20)을 이용하여 가상센서의 원소를 생성해 낼 수 있다. 즉, 다중경로의 도래각에 의한 센서 이득은, 센서의 전파전파(wave propagation) 특성에 제약 조건이 없다는 특징을 이용하여 임의의 값을 생성하고 이에 의해 얻어지는 실제 안테나 센서의 전파전파 패턴을 이용해 계산할 수 있다. 그런데, 가상 센서에 의해 한 번에 증가시킬 수 있는 채널 파라미터 벡터의 랭크(rank)는 AIC, MDL 판단기준(criteria)에서 결정한 다중경로의 개수 rank( A tot ), 즉 '현 단계에서 추정할 수 있는 최대 안테나 센서의 개수'인데, 이는 '이전의 반복 단계에서 존재한 안테나 센서의 개수-1'개이다. 이는 상대적 전파시간지연

Figure 112006023025518-pat00102
의 부족한 정보 때문이다. 이를 식으로 표현하면, rank( A tot )는 다음과 같이 쉽게 유도될 수 있으며, 식 (21)에서 min(??)는 괄호안의 값들 중 최소값을 의미한다.Equation (18) to (20) can be used to generate the elements of the virtual sensor. That is, the sensor gain due to the angle of arrival of the multipath can be calculated using the propagation pattern of the actual antenna sensor obtained by generating an arbitrary value by using the feature that there is no constraint on the propagation characteristics of the sensor. Can be. However, the rank (rank) of the channel parameter vector to increase at a time by a virtual sensor can be estimated from the number of rank (A tot), that is, stage of the multi-path as determined by the AIC, MDL criterion (criteria) Maximum number of antenna sensors present, which is 'number of antenna sensors present in the previous iteration step-1'. This is relative propagation time delay
Figure 112006023025518-pat00102
Because of the lack of information. Expressed in this equation, rank ( A tot ) can be easily derived as follows. In equation (21), min (??) means the minimum value among the values in parentheses.

Figure 112006023025518-pat00103
(21)
Figure 112006023025518-pat00103
(21)

rank( A tot )는 랭크 확장의 최대 크기가 M-1 또는 L-M이라는 것을 나타난다. 식 (19)와 (20)에 의해 계산할 수 있는 가상센서 파라미터의 개수가 제한되기 때문에, 즉 부족한 랭크 확장 때문에 반복적 계산에 의해 가상센서의 개수를 지속적으로 늘려가게 된다. rank ( A tot ) indicates that the maximum size of the rank extension is M-1 or LM. Since the number of virtual sensor parameters that can be calculated by equations (19) and (20) is limited, that is, due to insufficient rank expansion, the number of virtual sensors is continuously increased by iterative calculation.

L E 가 이전의 반복 계산 단계에서 다중 경로의 추정된 개수라고 하면, 약간의 수식 조작을 하면, 랭크 확장 후 채널 파라미터 매트릭스의 랭크는 다음과 같이 쓸 수 있다. If L E is an estimated number of multipaths in the previous iteration calculation step, with some mathematical manipulation, the rank of the channel parameter matrix after rank expansion can be written as follows.

Figure 112006023025518-pat00104
(22)
Figure 112006023025518-pat00104
(22)

여기서, 채널 파라미터 매트릭스의 랭크는 L E 까지 확장될 수 있다. 마지막 반복 단계에서는 L E 가 L-M보다 더 큰 경우가 발생한다. 그 경우, 전체 파라미터 매 트릭스의 랭크는 L이 되고, L E -(L-M) 개의 리던던시(redundancies)가 그 L E 개의 가상 센서들에 의해 채널 파라미터 매트릭스에서 발생한다. 그러면 식 (19)와 (20)에서의 경로 인덱스

Figure 112006023025518-pat00105
의 범위는 각 반복단계마다 그 이전의 반복 단계에서 추정된 개수 L E 를 가지고 다시 정의해야 한다. 여기서 경로 인덱스
Figure 112006023025518-pat00106
은 다음과 같고, 가상 센서의 개수 K는 항상 L E 이다.Here, the rank of the channel parameter matrix may be extended up to L E. In the last iteration, L E is greater than LM. In that case, the rank of the entire parameter matrix is L, and L E- (LM) redundancies are generated in the channel parameter matrix by the L E virtual sensors. Then the path index in equations (19) and (20)
Figure 112006023025518-pat00105
The range of must be redefined for each iteration with the number L E estimated at the previous iteration. Where path index
Figure 112006023025518-pat00106
Is as follows, and the number K of virtual sensors is always L E.

Figure 112006023025518-pat00107
(23)
Figure 112006023025518-pat00107
(23)

(4) 가상센서에 의한 다중경로 검출방법의 실행 알고리즘(4) Execution Algorithm of Multi-Path Detection Method by Virtual Sensor

도 3은, 위에서 설명한 개념을 바탕으로 하여, 가상센서에 의한 다중경로 검출방법의 신호 흐름도를 나타낸다. 먼저, 수신신호 Y와 도 3에 도시된 과정으로 랭크가 확장된 파라미터 행렬을 이용해서 다중 경로의 개수 L E 를 추정한다(S10). 이를 위해 우선 이 단계에서는 우선, 반복 계산에 의한 가상센서 다중경로 검출을 위해 식 (24)를 이용하여 기존 방법에 따라 AIC, MDL 판단기준(criteria)을 계산한다. 여기서 수신신호 Y는 다중 경로를 통해 들어오는 N개의 샘플링 신호를 M의 안테나로 수신한 신호이므로, MxN의 매트릭스로 표현된다. 그런데, 맨 처음에는 가상센서에 의한 수신신호가 생성되기 전이므로, 실제 센서에 의한 수신신호 Y만을 가지고 AIC, MDL 판단기준(criteria)을 계산하게 된다. 도 3의 루프(S10, S20, S30, S40)를 한 번 수행하고 난 다음부터는 가상센서에 의한 수신신호가 생성되므로, 실제 센서와 가상 센서에 의한 수신신호를 모두 이용하여 AIC, MDL 판단기 준(criteria)을 계산한다. 3 is a signal flow diagram of a multi-path detection method by a virtual sensor based on the concept described above. First, the number L E of the multipaths is estimated by using the received signal Y and the parameter matrix whose rank is expanded in the process illustrated in FIG. 3 (S10). First of all for this In this step, first, in order to detect the virtual sensor multipath by iterative calculation, AIC and MDL criteria are calculated according to the existing method using Equation (24). In this case, since the received signal Y is a signal obtained by receiving antennas of M received through N multi-path signals, it is represented by a matrix of M × N. By the way, since at first the signal received by the virtual sensor is generated, only the signal Y received by the actual sensor AIC and MDL criteria are calculated. After the loops S10, S20, S30, and S40 of FIG. 3 are performed once, the reception signal generated by the virtual sensor is generated. Thus, the AIC and MDL judgment criteria are performed using both the actual sensor and the received signal generated by the virtual sensor. Calculate the criteria

Figure 112006023025518-pat00108
(24)
Figure 112006023025518-pat00108
(24)

Figure 112006023025518-pat00109
(25)
Figure 112006023025518-pat00109
(25)

이 때, Mtot는 실제 센서의 개수와 가상 센서의 개수를 합한 총 안테나 센서의 개수를 의미하며, k는 변수로서

Figure 112006023025518-pat00110
의 값을 가지며, N은 수신 샘플의 개수,
Figure 112006023025518-pat00111
는 내림차순으로 정렬된 샘플 공분산 행렬
Figure 112006023025518-pat00112
의 고유값(eigenvalue)이다. 그리고 위 식을 이용하여 k값을 증가시키면서 계산된 값들을 아래 식 (26)에 적용하여 이전의 반복 계산 단계에서 다중 경로의 개수
Figure 112006023025518-pat00113
를 추정한다. In this case, M tot means the total number of antenna sensors, which is the sum of the number of real sensors and the number of virtual sensors, and k is a variable.
Figure 112006023025518-pat00110
Where N is the number of received samples,
Figure 112006023025518-pat00111
Is a sample covariance matrix sorted in descending order
Figure 112006023025518-pat00112
Is the eigenvalue of. The number of multipaths in the previous iteration calculation step is applied by applying the values calculated by increasing the value of k using the equation above to equation (26) below.
Figure 112006023025518-pat00113
Estimate

Figure 112006023025518-pat00114
(26)
Figure 112006023025518-pat00114
(26)

이렇게 S10 단계에서 다중경로의 개수의 추정값

Figure 112006023025518-pat00115
가 얻어지면, 그 추정 개수
Figure 112006023025518-pat00116
이 Mtot-1과 같게 되는 지를 체크한다(S20). 양자가 같다면 구하려는 다중 경로의 개수 L가 현재의 추정 개수
Figure 112006023025518-pat00117
일 수도 있지만 그 이상일 가능성도 내포하는 것이므로, 수신신호의 랭크 확장을 할 필요가 있다. The estimated value of the number of multipaths in step S10
Figure 112006023025518-pat00115
If is obtained, the estimated number
Figure 112006023025518-pat00116
It is checked whether or not it becomes equal to M tot -1 (S20). If both are equal, the number L of multipaths to be found is the current estimated number.
Figure 112006023025518-pat00117
It may be possible, but it may also be more than that, so it is necessary to extend the rank of the received signal.

S20 단계에서 추정 개수

Figure 112006023025518-pat00118
이 Mtot-1과 같게 되는 동안은, 그 추정된 다중경로 개수
Figure 112006023025518-pat00119
에 대하여 위에서 설명한 바와 같이 식 (19), (20) 및 (23)을 이용하여 수신신호의 랭크 확장을 반복한다(S30). 즉, 다중경로 인덱스
Figure 112006023025518-pat00120
를 증가시키면서 다중경로의 전파시간지연
Figure 112006023025518-pat00121
, 경로 이득과 각 경로의 상대적 위상차를 나타내는 복소채널이득
Figure 112006023025518-pat00122
, 도플러 주파수에 관한 정보
Figure 112006023025518-pat00123
와 도래각
Figure 112006023025518-pat00124
정보를 이용하여 계산되는 스티어링 벡터 원소
Figure 112006023025518-pat00125
를 구함으로써, 수신신호의 랭크를 확장한다. Estimated number at step S20
Figure 112006023025518-pat00118
While this is equal to M tot -1, the estimated number of multipaths
Figure 112006023025518-pat00119
As described above, rank expansion of the received signal is repeated using equations (19), (20) and (23) (S30). That is, multipath indexes
Figure 112006023025518-pat00120
Multipath propagation time delay
Figure 112006023025518-pat00121
, The channel gain representing the path gain and the relative phase difference between each path
Figure 112006023025518-pat00122
Doppler frequency information
Figure 112006023025518-pat00123
And advent angle
Figure 112006023025518-pat00124
Steering vector element computed using information
Figure 112006023025518-pat00125
By obtaining, the rank of the received signal is expanded.

그런 다음 식 (13)~(15) 및 (18)을 이용하여 가상센서를 포함한 전체 수신신호의 샘플 값 Y tot, 가상센서를 포함하는 파라미터 행렬과 노이즈의 샘플값

Figure 112006023025518-pat00126
Figure 112006023025518-pat00127
, 그리고 수신잡음의 분산 σ 2 의 값을 산출하여 가상센서의 수신신호를 생성한다(S40). 이렇게 구한 가상센서의 수신신호는 S10 단계에서 다시 기존의 AIC, MDL 판단기준(criteria)을 이용하여 가상센서 다중경로의 추정 값
Figure 112006023025518-pat00128
를 구하는 데 이용된다. Then, using equations (13) to (15) and (18), the sample value Y tot of the entire received signal including the virtual sensor, the parameter matrix including the virtual sensor, and the sample value of noise
Figure 112006023025518-pat00126
Wow
Figure 112006023025518-pat00127
Then, a value of the variance σ 2 of the received noise is calculated to generate a received signal of the virtual sensor (S40). The received signal of the virtual sensor thus obtained is estimated in the multi-path of the virtual sensor by using the existing AIC and MDL criterion again in step S10.
Figure 112006023025518-pat00128
It is used to find.

이러한 S10 단계부터 S40 단계의 루프의 반복은 추정된 다중 경로의 개수

Figure 112006023025518-pat00129
값이 가상센서의 개수를 포함한 총 센서 개수 즉, Mtot-1보다 작아질 때까지 이루어진다. 상기 루프의 첫 번째 실행단계에서는 추정된 다중경로
Figure 112006023025518-pat00130
의 값이 M이 될 것이고, 두 번째 실행에서는
Figure 112006023025518-pat00131
는 2M-1이 될 것이다. 이렇게 루프를 반복적으로 실행해나가면, 추정 개수
Figure 112006023025518-pat00132
이 Mtot-1과 같지 않게 되는 경우 즉, 전자가 후자보다 작게 되는 경우를 만나게 되는데, 그 때가 바로 필요한 랭크 확장이 완료된 상태이다. 그리고 그 때의 추정 개수
Figure 112006023025518-pat00133
의 값이 얻고자 하는 다중경로의 개수 L의 값이 된다. The repetition of the loop from step S10 to step S40 is estimated number of multipaths.
Figure 112006023025518-pat00129
The value is set until the total number of sensors including the number of virtual sensors is smaller than M tot −1. In the first execution phase of the loop, the estimated multipath
Figure 112006023025518-pat00130
Will be M, and in the second run
Figure 112006023025518-pat00131
Will be 2M-1. If you run this loop repeatedly, the estimated number
Figure 112006023025518-pat00132
When this is not equal to M tot -1, that is, the former becomes smaller than the latter, a rank expansion is necessary. And the estimated number at that time
Figure 112006023025518-pat00133
Is the value L of the number of multipaths to be obtained.

(5) 시뮬레이션 결과(5) simulation result

도 4는 가상센서기법을 이용한 다중경로 개수의 추정에 관한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 시뮬레이션은 동일할 전력을 가지며 발생된 다중 경로의 개수가 10,15, 20, 25인 511개의 길이를 갖는 PN 시퀀스에 관한 것이다. 이러한 시뮬레이션에서, 10log(1/σ2) 로 정의되는 SNR은 -20dB부터 30dB까지이며, 사용된 샘플 개수는 PN 시퀀스의 그 길이와 동일하다. 도 4의 그래프는 동일한 전력에 관한 추정 개수의 RMSE(root mean squared error) 값을 나타낸다. 도 4에서 'PNaMb' 형식의 표시는 PN 시퀀스의 길이가 2a-1이고 생성된 다중경로의 개수 L이 b임을 나타낸다. 모든 생성된 다중 경로는 다른 시간 지연을 가지나, 동일한 도달각도를 가질 수 있다. 4 shows simulation results for estimating the number of multipaths using the virtual sensor technique. The simulation relates to a 511 length PN sequence with the same power and with the number of generated multipaths being 10, 15, 20, 25. In this simulation, the SNR defined by 10 log (1 / σ 2 ) is from -20 dB to 30 dB, and the number of samples used is equal to that length of the PN sequence. The graph of FIG. 4 shows the root mean squared error (RMS) value of the estimated number for the same power. In FIG. 4, the representation of the 'PNaMb' format indicates that the length of the PN sequence is 2 a -1 and the number L of generated multipaths is b. All generated multipaths have different time delays, but may have the same angle of arrival.

이 결과는 더 긴 PN 시퀀스가 더 좋은 성능을 가지는 것을 보여준다. 이는 샘플 공분산 행렬이 유한 수신신호들로부터 계산될 때 PN 시퀀스의 특징에 의해 SNR에 관해서 더 많은 이득이 있기 때문이다. 동일한 전력에 관해 PN7과 PN9 사이 에는 샘플 공분산 행렬에서 대략 6dB SNR 이득 차이가 있다. 더구나, 추정 에러 발생의 가능성이 매 반복 단계에서 누적되고, 이러한 에러는 생성된 다중 경로가 증가함에 따라 더 커진다. 동일한 에너지를 갖는 PN 시퀀스에 있어서, PN7과 PN9 간의 성능 차이는 도4와 비교하면 감소된다. 도 4에서 PN7에 대응되는 모든 그래프들은 좌측으로 대략 6dB 수평 이동할 것인데, 이는 두 개의 PN 시퀀스를 같게 하기 위한 SNR 증가 때문이다. 그러나 PN7은 PN9에 비해 여전히 성능이 떨어진다. 이는 작은 개수의 샘플을 이용함으로 인한 잡음의 통계적 불확실성으로 인해 잡음 전력이 부정확하게 계산된 것 때문에 야기되었다. 마지막 결과는 실제 센서들의 개수와 가상 센서들에 의한 추정된 성능 간의 관계에 관한 것이다.This result shows that longer PN sequences have better performance. This is because there is more gain in terms of SNR by the characteristics of the PN sequence when the sample covariance matrix is calculated from finite received signals. For the same power, there is approximately 6 dB SNR gain difference in the sample covariance matrix between PN7 and PN9. Moreover, the likelihood of occurrence of estimation error accumulates at every iteration step, and this error becomes larger as the generated multipath increases. For PN sequences with the same energy, the performance difference between PN7 and PN9 is reduced compared to FIG. All graphs corresponding to PN7 in FIG. 4 will move approximately 6 dB horizontally to the left due to an increase in SNR to equalize the two PN sequences. However, PN7 still suffers from poor performance. This was caused by incorrectly calculated noise power due to the statistical uncertainty of noise due to the use of a small number of samples. The final result relates to the relationship between the number of actual sensors and the estimated performance by the virtual sensors.

도 5는 다중 경로의 개수가 10, 15, 20이고 실제 센서의 개수가 4, 6, 8인 경우에 대해 PN9를 이용한 시뮬레이션의 RMSE를 나타낸다. 도 5의 레전드 'SaMb'는 실제 센서들의 개수 a와 발생된 다중 경로 L이 b임을 나타낸다. 도 5에서 성능의 차이는 에러 발생의 누적 가능성을 야기하는 다중 경로의 개수를 추정하는 데 필요한 반복 단계의 수의 차이에서 유래된 것이다. 기존의 연구에 의하면, 각각 평활한 비도시 지역(flat rural), 구릉지 비도시 지역(hilly rural), 그리고 도시 고지대 셀(urban high-rise cells) 환경에서 -20dB 문턱값에 대해 APDP(평균 PDP)의 95%, 89% 및 22%는 최대 10개 경로의 최대값을 갖는다. 또한 -10dB의 문턱값에 대하여는 비도시 지역 셀(rural cells)에서 거의 100%, 도시지역 고지대 셀(urban high-rise cell)에서 79%의 APDP가 최대 10개의 다중경로를 갖는다. 이러한 사실은 10dB 이상의 SNR에 대해 10개의 다중경로만으로도 모든 셀에 대해 적절한 APDP를 표현할 수 있음을 의미한다. 이러한 관점에서, 본 발명에 관한 시뮬레이션 결과에 따르면, PN 길이가 511이고 8개의 실제 센서 및 10dB의 SNR인 경우에, RMSE는 다중 경로 10, 15, 20에 관해서 각각 0.16, 0.67 및 1.67을 나타내었다. 또한, RMSE가 4개의 실제 센서에 관해 0.71, 1.49, 4.00 이고, 6개의 실제 센서들에 관해서는 0.37, 0.96, 2.64 임을 보여준다. 이러한 시뮬레이션 결과는 본 발명의 가상 센서 기법(VSC scheme)이 매우 합리적이고 유효한 것임을 나타내는 것으로 볼 수 있다. FIG. 5 shows the RMSE of the simulation using PN9 for the case where the number of multipaths is 10, 15, 20 and the number of actual sensors is 4, 6, and 8. FIG. The legend 'SaMb' of FIG. 5 indicates that the number a of actual sensors and the generated multipath L are b. The difference in performance in FIG. 5 derives from the difference in the number of iteration steps required to estimate the number of multipaths leading to a cumulative probability of error occurrence. Previous studies have shown that 95% of the average PDP (APDP) for the -20dB threshold in flat rural, hilly rural, and urban high-rise cells environments, respectively. %, 89% and 22% have a maximum of up to 10 paths. In addition, for a threshold of -10dB, the APDP has a maximum of 10 multipaths of nearly 100% in non-urban cells and 79% in urban high-rise cells. This means that for 10 dB or more SNR, only 10 multipaths can represent the appropriate APDP for all cells. From this point of view, according to the simulation results of the present invention, when the PN length is 511 and 8 actual sensors and SNR of 10 dB, the RMSE showed 0.16, 0.67 and 1.67 for the multipath 10, 15 and 20, respectively. . In addition, the RMSE is 0.71, 1.49, 4.00 for four real sensors and 0.37, 0.96, 2.64 for six real sensors. These simulation results can be seen as indicating that the VSC scheme of the present invention is very reasonable and valid.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은, 종래의 정보이론적 판단기준법과 달리, 안테나 센서의 개수의 제약을 극복할 수 있게 해준다. 수치적인 실험에 의하면, 다중 경로의 개수가 20보다 적은 경우에 5dB 이상의 SNR과 511 PN 길이에 관해 VSC 방법이 매우 정교함을 보여준다. 대부분의 환경에 있어서, 다중 경로의 개수는 20보다 더 작은 것에 주목할 필요가 있다. 더구나, 모든 추정 에러는 부족 추정의 결과인데, 이는 랭크 확장에 따른 허위 경로의 발생이 없었음을 나타낸다. 이처럼, 본 발명은 제한된 개수의 실제의 안테나 센서를 가지고 측정한 신호를 이용하여, 그 안테나 센서의 개수보다 더 많은 다중경로에 의한 전파신호를, 물리적으로 안테나 센서를 더 늘리지 않고 소프트웨어적으로 마치 센서가 많이 존재하는 것과 같은 조건(즉, 가상센서)을 구현하여 측정할 수 있도록 해준다. 따라서 채널 패턴이 복잡한 최근의 이동통신환경에서도 보다 적은 안테나 센서를 가지고서도 신속하게 신호를 측정할 수 있는 것이 가능하게 되어, 측정시간과 측정시스템 제작비용을 크게 줄일 수 있다.As described above, the present invention, unlike the conventional information theory criterion, allows to overcome the limitation of the number of antenna sensors. Numerical experiments show that the VSC method is very sophisticated for SNR above 5 dB and 511 PN lengths when the number of multipaths is less than 20. It should be noted that for most environments, the number of multipaths is less than 20. Moreover, all estimation errors are the result of underestimation, indicating that there was no occurrence of false paths due to rank expansion. As described above, the present invention uses a signal measured with a limited number of actual antenna sensors, and transmits a multi-path radio signal more than the number of the antenna sensors, in software without physically increasing the antenna sensor. It is possible to measure by implementing the same conditions (that is, virtual sensors) in which many are present. Therefore, even in a recent mobile communication environment with a complicated channel pattern, it is possible to measure a signal quickly with fewer antenna sensors, thereby greatly reducing the measurement time and the cost of manufacturing the measurement system.

Claims (10)

적어도 하나의 송신 안테나에서 방사되어 다중경로(L)를 통해 전파되는 신호를 수신측의 M개의 실제 안테나 센서로 측정함에 있어서,In measuring the signals radiated from at least one transmitting antenna and propagated through the multipath L with M actual antenna sensors on the receiving side, 상기 실제 안테나 센서의 수신신호를 샘플링 하는 제1 단계; Sampling a received signal of the actual antenna sensor; 상기 샘플링한 값으로부터 샘플 공분산 행렬(
Figure 112006023025518-pat00134
)과 이의 고유값(
Figure 112006023025518-pat00135
)을 계산하여 다중경로의 개수를 추정하는 제2 단계;
From the sampled values, a sample covariance matrix (
Figure 112006023025518-pat00134
) And its eigenvalues (
Figure 112006023025518-pat00135
A second step of estimating the number of multipaths by calculating
추정된 다중경로의 개수(
Figure 112006023025518-pat00136
)가 상기 실제 안테나 센서 개수(M) 이상일 때, 상기 수신측에 상기 실제 안테나 센서 외에 가상 센서가 더 존재하는 것으로 가정하고 수신신호의 반복적인 랭크 확장을 하여 그 가상센서의 수신 신호를 구성하는 제3 단계; 및
Estimated number of multipaths (
Figure 112006023025518-pat00136
) Is greater than or equal to the number of the actual antenna sensors (M), assuming that there are more virtual sensors on the receiving side in addition to the actual antenna sensors, and performing repeated rank expansion of the received signals to construct the received signals of the virtual sensors. Three steps; And
상기 실제 안테나 센서에 의한 수신신호 외에 상기 가상 센서에 의한 수신신호까지를 포함하여 상기 제2 단계 및 제3 단계를 반복적으로 수행하는 제4 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법.And a fourth step of repeatedly performing the second and third steps, including the received signal by the virtual sensor, in addition to the received signal by the actual antenna sensor. Way.
제 1항에 있어서, 상기 제3 단계에서 추가되는 상기 가상 센서의 개수는 상기 제2 단계에서 구해진 상기 다중경로의 개수와 일치하게 하는 것을 특징으로 하는 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법.The method of claim 1, wherein the number of the virtual sensors added in the third step is equal to the number of the multipaths obtained in the second step. 제 1항에 있어서, 상기 제2 단계 및 제3 단계의 반복적 수행은 추정된 다중경로의 개수(
Figure 112006023025518-pat00137
)값이 상기 가상센서의 개수를 포함한 총 안테나 센서 개수 Mtot-1보다 작게 될 때까지 이루어지고, 그 때의 추정 다중경로의 개수(
Figure 112006023025518-pat00138
)의 값이 얻고자 하는 다중경로의 개수 (L)의 값으로 정하는 것을 특징으로 하는 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법.
The method of claim 1, wherein the iterative performance of the second and third steps is performed based on the estimated number of multipaths (
Figure 112006023025518-pat00137
) Value is made until the total number of antenna sensors including the number of virtual sensors is less than M tot -1, and the number of estimated multipaths at that time (
Figure 112006023025518-pat00138
) Is determined by the value of the number of multipaths (L) to be obtained.
제 1항 내지 3항 중 어느 하나에 있어서, 상기 샘플 공분산 행렬은
Figure 112006023025518-pat00139
에 의해 산출되며, 여기서 N은 수신신호의 샘플 개수이고, y(ti)는 상기 가상센서의 수신신호이며, H는 허미션 연산자(Hermition Operator)인 것을 특징으로 하는 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법.
The method of claim 1, wherein the sample covariance matrix is
Figure 112006023025518-pat00139
Where n is the number of samples of the received signal, y (t i ) is the received signal of the virtual sensor, and H is a Hermition Operator. Way.
제 4항에 있어서, 상기 제2 단계에서의 상기 다중경로의 개수의 추정은, 맨 처음에는 상기 실제 안테나 센서의 수신신호만을 이용하며, 그 다음부터는 상기 실제 안테나 센서와 상기 가상 센서에 의한 수신신호를 모두 이용하여 아래 식 (A)를 이용하여 k값을 변경시켜가면서 AIC, MDL 판단기준(criteria)을 계산한 다음, 그 계산된 AIC(k)와 MDL(k) 값들을 아래 식 (B)에 적용하여 이전의 반복 계산 단계에서 다중 경로의 개수
Figure 112006023025518-pat00140
를 추정하는 방식으로 이루어지며, 여기서 Mtot는 실제 센서의 개수와 가상 센서의 개수를 합한 총 안테나 센서의 개수를 의미하며, k는 변수 로서
Figure 112006023025518-pat00141
의 값을 가지며, N은 수신 샘플의 개수,
Figure 112006023025518-pat00142
는 내림차순으로 정렬된 샘플 공분산 행렬
Figure 112006023025518-pat00143
의 고유값(eigenvalue)인 것을 특징으로 하는 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법.
5. The method of claim 4, wherein the estimation of the number of the multipaths in the second step uses only the received signals of the real antenna sensor at first, and then receives the signals received by the real antenna sensor and the virtual sensor. Calculate the AIC and MDL criteria by changing the k value using Equation (A) below, and then calculate the calculated AIC (k) and MDL (k) values using Equation (B) The number of multipaths in the previous iteration calculation step by applying to
Figure 112006023025518-pat00140
Where M tot is the total number of antenna sensors that are the sum of the number of real sensors and the number of virtual sensors, and k is a variable.
Figure 112006023025518-pat00141
Where N is the number of received samples,
Figure 112006023025518-pat00142
Is a sample covariance matrix sorted in descending order
Figure 112006023025518-pat00143
Multipath detection method using a virtual sensor, characterized in that the (eigenvalue) of.
Figure 112006023025518-pat00144
... (A)
Figure 112006023025518-pat00144
... (A)
Figure 112006023025518-pat00145
... (B)
Figure 112006023025518-pat00145
... (B)
제 1항 내지 3항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제3 단계는, 상기 수신신호의 반복적인 랭크 확장을 위해, 상기 가상센서에 의한 수신신호의 각 경로간의 위상차를 나타내는 도래각(AoA), 복소채널이득, 수신잡음의 분산 및 각 전파경로별 상대적 전파시간지연과 같은 가상센서에 의한 수신신호를 구성하는 파라미터를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법.The method of any one of claims 1 to 3, wherein the third step comprises: an angle of arrival (AoA) representing a phase difference between the respective paths of the received signal by the virtual sensor for repetitive rank expansion of the received signal. And determining a parameter constituting a received signal by the virtual sensor, such as channel gain, distribution of received noise, and relative propagation time delay for each propagation path. 제 6항에 있어서, 상기 가상센서에 의한 수신신호의 수신잡음의 분산 (σ 2 ) 은 아래 식에 의해 정해지고, 아래 식 (C)에서 ym dif (t)는 m 번째 실제 안테나센서에 의한 특정 시점 t와 이의 한 송신주기 후인 t+Ts에서의 샘플링 값의 차신호이며, E는 한 주기의 PN 시퀀스 지속시간 동안의 평균을 취한 기댓값을 의미하는 것을 특징으로 하는 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법.8. The method of claim 6, wherein the variance of the received noise ( σ 2 ) of the received signal by the virtual sensor is determined by the following equation, and in the following equation (C), y m dif ( t ) is determined by the m th actual antenna sensor. Multipath using a virtual sensor characterized in that it is the difference signal of the sampling value at t + T s after a specific time t and one transmission period thereof, and E means an expected value obtained by averaging the duration of the PN sequence of one period. Detection method.
Figure 112006023025518-pat00146
Figure 112006023025518-pat00147
...(C)
Figure 112006023025518-pat00146
Figure 112006023025518-pat00147
... (C)
제 6항에 있어서, 상기 각 전파경로별 상대적 전파시간지연(
Figure 112006023025518-pat00148
)은 아래 식(D)를 이용하여 경로 인덱스
Figure 112006023025518-pat00149
값을 1부터 1씩 M-1까지 증가시키면서, y i Ts (t)와 송신신호의 버스트신호 a(t-τ)간의 상관도를 계산하고 그 계산된 값들 중 최대값(peak)이 전파지연시간
Figure 112006023025518-pat00150
의 값으로 정하되, 경로 인덱스
Figure 112006023025518-pat00151
의 범위는 각 반복단계마다 그 이전의 반복단계에서 추정된 다중경로 개수 L E 를 가지고
Figure 112006023025518-pat00152
로 새롭게 정의하는 방식으로 계산되며, 아래 식(D)에서
Figure 112006023025518-pat00153
은 k 번째 가상 센서에 대한 처음 M-1개의 다중경로의 상대적 전파지연시간 이며, 인덱스 i는 모듈러 연산 i=mod(k-1, M)+1 로 정해지는 값이고, y i Ts (t)는 y i (t)에 대한 한 주기 동안의 수신신호의 데이터이며, a(·)는 송신신호 x(t)의 버스트신호, <A, B>는 신호 A와 신호 B 간의 상관도인 것을 특징으로 하는 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법.
The method of claim 6, wherein the relative propagation time delay of each propagation path (
Figure 112006023025518-pat00148
) Is the path index using the following equation (D)
Figure 112006023025518-pat00149
Calculate the correlation between y i Ts ( t ) and the burst signal a (t-τ) of the transmitted signal, increasing the value from 1 to 1 by M-1, and the peak among these calculated values is the propagation delay. time
Figure 112006023025518-pat00150
Set to, but path index
Figure 112006023025518-pat00151
For each iteration, we have a multipath number L E estimated at the previous iteration.
Figure 112006023025518-pat00152
It is calculated by newly defining with
Figure 112006023025518-pat00153
Is the relative propagation delay time of the first M-1 multipaths for the k th virtual sensor. Index i is a value determined by the modular operation i = mod (k-1, M) +1, y i Ts ( t ) is the data of the received signal for one period for y i ( t ), and a (·) Is a burst signal of the transmission signal x (t), and <A, B> is a correlation between signal A and signal B.
Figure 112006023025518-pat00155
...(D)
Figure 112006023025518-pat00155
... (D)
제 8항에 있어서, 상기 복소채널이득(
Figure 112006023025518-pat00156
)은 아래 식 (E)에 의해 계산하되 경로 인덱스
Figure 112006023025518-pat00157
의 범위는 각 반복단계마다 그 이전의 반복단계에서 추정된 다중경로 개수 L E 를 가지고
Figure 112006023025518-pat00158
로 새롭게 정의하는 방식으로 계산하며, 아래 식(E)에서 i=mod(k-1,M)+1이고,
Figure 112006023025518-pat00159
,
Figure 112006023025518-pat00160
이고,
Figure 112006023025518-pat00161
는 한 송신주기 동안의 수신신호,
Figure 112006023025518-pat00162
는 신호 A, B 사이의 상관도를 나타내는 것을 특징으로 하는 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법.
9. The method of claim 8, wherein the complex channel gain
Figure 112006023025518-pat00156
) Is calculated by the following formula (E)
Figure 112006023025518-pat00157
For each iteration, we have a multipath number L E estimated at the previous iteration.
Figure 112006023025518-pat00158
Calculate in a newly defined manner, i = mod (k-1, M) + 1 in the formula (E),
Figure 112006023025518-pat00159
,
Figure 112006023025518-pat00160
ego,
Figure 112006023025518-pat00161
Is a received signal for one transmission period,
Figure 112006023025518-pat00162
Is a multipath detection method using a virtual sensor, characterized in that it represents a correlation between the signals A, B.
Figure 112006023025518-pat00163
...(E)
Figure 112006023025518-pat00163
... (E)
제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제3 단계에서의 랭크 확장과 관련하여, 상기 가상 센서에 의해 한 번에 증가시킬 수 있는 채널 파라미터 벡터의 랭크(rank)는 '이전의 반복 단계에서 존재한 안테나 센서의 개수-1'개인 것을 특징으로 하는 가상 센서를 이용한 다중경로 검출방법.4. A method according to any one of the preceding claims, wherein the rank of the channel parameter vector that can be incremented at one time by the virtual sensor in relation to the rank expansion in the third step is &quot; previous iteration. The multi-path detection method using a virtual sensor, characterized in that the number of antenna sensors present '-1' in step.
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