KR100634979B1 - Ultra wide band ranging device and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초광대역 레인징 장치를 나타낸 블럭도.1 is a block diagram showing an ultra-wideband ranging apparatus according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 초광대역 레인징 장치를 이용한 최초 도착 시간 정보를 추정하는 것을 나타낸 도면.FIG. 2 illustrates estimating initial arrival time information using the ultra-wideband ranging apparatus of FIG. 1. FIG.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초광대역 레인징 장치를 나타낸 블럭도.3 is a block diagram illustrating an ultra-wideband ranging apparatus according to a second embodiment of the present invention.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 초광대역 레인징 장치를 이용한 최초 도착 시간 정보를 추정하는 것을 나타낸 도면.4A and 4B illustrate estimating initial arrival time information using the ultra-wideband ranging apparatus shown in FIG. 3.
도 5는 대역폭에 따른 이론적인 최초 도착 시간 정보의 한계점을 나타낸 도면.5 is a diagram showing the limit of theoretical initial arrival time information according to bandwidth;
도 6은 LR-WPAN에서 레인징을 위한 프리앰블 구조를 나타낸 도면.6 illustrates a preamble structure for ranging in LR-WPAN.
도 7은 직류-옵셋 성분이 제거된 파형을 나타낸 도면.7 is a diagram illustrating a waveform from which a DC-offset component has been removed.
도 8은 1 비트 아날로그-디지털 컨버터 통과후 수신된 신호의 펄스간 간격으로 누적된 신호의 파형을 나타낸 도면.8 illustrates waveforms of signals accumulated at intervals between pulses of a signal received after passing through a 1-bit analog-to-digital converter.
도 9는 SNR에 따른 임계치 설정을 나타낸 도면.9 illustrates threshold setting according to SNR.
도 10은 CM1 환경에서 SNR 변화에 따른 수신된 신호의 펄스간 간격의 누적횟수에 따른 레인징 방법의 성능을 나타낸 도면.10 is a view showing the performance of the ranging method according to the cumulative number of intervals between pulses of the received signal according to the SNR change in the CM1 environment.
도 11은 CM8 환경에서 SNR 변화에 따른 수신된 신호의 펄스간 간격의 누적횟수에 따른 레인징 방법의 성능을 나타낸 도면.11 is a view showing the performance of the ranging method according to the cumulative number of intervals between pulses of the received signal according to the SNR change in the CM8 environment.
도 12는 CM1 환경에서 수신된 신호의 펄스간 간격의 누적회수에 따른 레인징 에러 적응 적용시 레인징 방법의 성능을 나타낸 도면.FIG. 12 is a diagram illustrating the performance of a ranging method when a ranging error adaptation is applied according to a cumulative number of intervals between pulses of a signal received in a CM1 environment.
도 13은 CM8 환경에서 수신된 신호의 펄스간 간격의 누적회수에 따른 레인징 에러 적응 적용시 레인징 방법의 성능을 나타낸 도면.FIG. 13 is a diagram illustrating the performance of a ranging method when a ranging error adaptation is applied according to a cumulative number of intervals between pulses of a signal received in a CM8 environment.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 > <Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10, 20 : 안테나 11, 21 : 저잡음 증폭기10, 20:
12, 22 : 아날로그 에너지 검출기 13, 23 : 직류-옵셋 추정기12, 22:
14, 24 : 윈도우 뱅크 15, 25 : 다중 1비트 ADC14, 24: Windows
16, 26 : 윈도우 버퍼 17, 27 : 누적기16, 26:
18, 28 : 타이밍 추정기 29 : 비교기18, 28: timing estimator 29: comparator
본 발명은 초광대역 레인징 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 아날로그 에너지 윈도우 뱅크와 1 비트 아날로그-디지탈 컨버터를 이용한 비 간섭 초광대역 레인징 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-wideband ranging apparatus and method, and more particularly to a non-interfering ultra-wideband ranging apparatus and method using an analog energy window bank and a 1-bit analog-to-digital converter.
최근에, 광대역 통신을 넘어 초광대역통신(UWB-Ultra Wide Band) 3∼10GHz의 고주파대역을 활용하는 무선 통신 기술이 개발되고 있다. 초광대역통신(UWB) 이란, 극초단파를 이용해 데이터를 교환하는 기술로서 전력소모가 적고, 전송거리가 10m 안팎으로 짧지만 초광대역 신호특성으로 정밀한 무선측위가 가능하기 때문에 홈네트워킹 시스템이나 유비쿼터스 환경을 구현할 새로운 무선통신기술로 주목받고 있다.Recently, a wireless communication technology that utilizes a high frequency band of 3 to 10 GHz ultra wide band (UWB-Ultra Wide Band) has been developed. Ultra Wideband Communication (UWB) is a technology that exchanges data using microwaves, which consumes less power and has a short transmission distance of about 10m. It is attracting attention as a new wireless communication technology.
초광대역은 사용하는 주파수 대역이 아주 넓은 것을 의미하는데, FCC(Federal Communications Commission)는 초광대역 통신을 중심 주파수 대비 대역폭이 20% 이상이거나 500MHz 이상의 주파수 대역폭을 차지하는 통신방식으로 이를 규정하고 있다. 초광대역 통신은 초-저전력 라디오 신호를 1조 분의 1초 단위의 매우 짧은 펄스를 이용하여 모든 주파수에 동시에 전달할 수 있다.Ultra-wideband means that the frequency band used is very wide. The Federal Communications Commission (FCC) defines the ultra-wideband communication as a communication method that has a bandwidth of 20% or more of the center frequency or 500MHz or more. Ultra-wideband communication can deliver ultra-low power radio signals simultaneously on all frequencies using very short pulses of a trillionth of a second.
즉, 초광대역 통신은 대역폭이 넓어질수록 그 송신 신호의 세기가 작아질 수 있다. 따라서 이 초광대역 통신시스템은 작은 파워의 신호를 넓은 대역에 실어 송신하고 이 넓은 대역의 신호를 다시 모아 높은 파워의 신호로 재생할 수 있는 특징이 있다. 이러한 초광대역 통신 시스템은 임펄스와 같은 nsec 단위의 매우 짧은 펄스를 발생시켜 전송하기 때문에 다중 경로 페이딩에 강인한 특성을 가지며, 매우 정확한 위치 인식 기능을 제공한다. 이러한 위치 인식은 자재관리, 메디컬 이미징 (medical imaging), 충돌 감지(collision avoidance)와 같은 어플리케이션에 응용 가능하다. 또한, 초광대역 통신은 이미 다른 시스템이 사용하고 있는 주파수를 이용해 데이터를 송수신할 수 있다. 초광대역 통신의 신호는 넓은 주파수 대역 이용으로 전력 밀도값을 아주 작게 할 수 있어, 다른 통신신호가 존재하는 주파수에 중첩돼 사용하더라도 간섭을 거의 주지 않게 된다. 즉, 초광대역 통신은 기존의 무선 시스템의 잡음과 같은 수준의 매우 낮은 스펙트럼 전력 밀도를 사용함으로써 이동통신, 방송, 위성 등의 기존 통신 시스템과 상호 간섭 영향 없이 주파수를 공유하여 사용할 수 있다. That is, the ultra wideband communication may have a smaller strength of the transmission signal as the bandwidth is wider. Therefore, this ultra-wideband communication system is characterized by being able to transmit a small power signal in a wide band and to collect the wide band signal and reproduce it as a high power signal. This ultra-wideband communication system is robust to multipath fading because it generates and transmits a very short pulse of nsec unit such as an impulse, and provides a very accurate position recognition function. This location recognition is applicable to applications such as material management, medical imaging, and collision avoidance. Ultra-wideband communications can also transmit and receive data using frequencies already in use by other systems. The signal of the ultra wideband communication can make the power density value very small by using the wide frequency band, so that even if it is superimposed on the frequency in which other communication signals exist, it hardly interferes. That is, the ultra-wideband communication uses a very low spectral power density at the same level as the noise of a conventional wireless system, so that the frequency can be shared and used without interfering with existing communication systems such as mobile communication, broadcasting, and satellite.
이에 따라, 초광대역 통신은 일반 방송이나 이동 통신용 시스템보다는 홈 네트워크나 유무선 전기설비 네트워크를 완성시킬 차세대 전송기술이며, 유비쿼터스 시장을 선점할 수 있는 기술로 각광을 받고 있다. 국내에서는 유비쿼터스 환경을 구성하는 핵심 기술로서 홈 네트워크 분야가 차세대 10대 신성장 동력으로 선정됨에 따라 그 중요성이 특히 부각되고 있다.Accordingly, ultra-wideband communication is the next generation transmission technology to complete a home network or a wired / wireless electric facility network, rather than a general broadcasting or mobile communication system, and has been in the spotlight as a technology capable of preoccupying the ubiquitous market. In Korea, the importance of the home network sector is selected as one of the next 10 new growth engines as a core technology for ubiquitous environment.
이러한 초광대역 통신을 이용한 유비쿼터스 환경에서는 사물의 위치를 인지하는 장치 및 방법이 필요하며, 사물의 위치를 정확히 인지하기 위해서 정확한 레인징(Ranging) 정보 획득이 필수 요인이 된다.In such a ubiquitous environment using ultra-wideband communication, an apparatus and method for recognizing a location of an object are required. In order to accurately recognize a location of an object, obtaining accurate ranging information becomes an essential factor.
이러한 레인징 정보 획득 방법은 시스템의 동기 유무에 따라 획득 방법이 각기 다르다. 즉, 동기식 시스템일 경우, 레인징 정보 획득 방법은 단방향 전송(one-way)을 통해 레인징이 가능하지만 GPS(Global Positioning System)와 같은 절대 지표가 필요하여 초기 설치비용이 증가하게 된다. 그리고, 비동기식 시스템일 경우, 양방향(two-way)을 통해 라운드 트립 타입(Round Trip Time) 정보를 획득하여 레인징 정보를 획득하게 된다. 이러한 동기식 및 비동기식 시스템은 레인징 정보획득을 위하여 최초 도착 시간 정보가 필요하며, 최초 도착시간 정보를 추정하는 레인징 기법에서 다중 경로, 백색 노이즈(Additive White Gaussian Noise : AWGN), 다른 시스템간의 간섭, 부정확한 동기, 지터 등에 의해 레인징 성능이 급격히 열화되게 된다. 이러한 레인징 성능의 열화는 넌-로스(Non-LOS) 다중 경로 환경에서 더욱 심화되어 실질적인 최초 도착 시간 정보의 추적이 불가능한 문제가 있다. 이러한 최초 도착 시간 정보의 추적 불가능은 레인징 성능을 급격하기 저하시키는 요인이 된다.These ranging information acquisition methods are different depending on whether the system is synchronized. That is, in the case of a synchronous system, the ranging information acquisition method can be ranging through one-way transmission, but an initial installation cost increases because an absolute index such as a global positioning system (GPS) is required. In the case of the asynchronous system, ranging information is obtained by obtaining round trip time information through two-way. Such synchronous and asynchronous systems require the first arrival time information to obtain ranging information, and multipath, white noise (AWGN), interference between different systems, Incorrect synchronization, jitter, etc., causes the ranging performance to deteriorate rapidly. Such deterioration of ranging performance is further exacerbated in a non-LOS multipath environment, which makes it impossible to track actual first arrival time information. This inability to track the first arrival time information is a factor that drastically degrades the ranging performance.
따라서, 본 발명의 목적은 에너지 검출을 이용한 비 간섭 초광대역 방식에서 저속의 표본화율을 요구하는 다수 개의 1 비트 아날로그-디지털 컨버터들을 이용하여 로스 또는 넌-로스의 다중 경로 환경에서 최초 도착 시간 정보를 추정하기 위한 방법으로 수신 신호를 펄스간의 간격으로 일정량만큼 누적시킨 후 임계치를 이용하여 최초 도착 시간정보를 추정할 수 있는 비 간섭 초광대역 레인징 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide initial arrival time information in a loss or non-loss multipath environment using a plurality of 1-bit analog-to-digital converters that require a low sampling rate in a non-interfering ultra-wideband method using energy detection. The present invention provides a non-interfering ultra-wideband ranging apparatus and method for estimating initial arrival time information using a threshold value after accumulating a predetermined amount of signals at intervals between pulses.
본 발명의 다른 목적은 비 간섭 초광대역 통신 방식에서 최초 도착 시간 정보를 수신된 신호를 1 비트 아날로그-디지털 컨버터를 이용하여 양자화시키고, 양자화된 결과값들은 일정 간격으로 누적시킨 후, 임계치를 이용하여 추정된 최초 도 착 시간 정보와, 수신된 신호를 일정 시간 동안 지연 시킨 뒤, 1 비트 아날로그-디지털 컨버터를 이용하여 양자화시키고, 양자화된 결과값들은 일정 간격으로 누적시킨 후, 임계치를 이용하여 추정된 최초 도착 시간 정보를 상호 비교하여 특정 값을 선택함으로써 수신 시점이 모호한 상황에서 최초 도착 시간 정보를 효율적으로 추정할 수 있는 비 간섭 초광대역 레인징 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to quantize the received time information using a 1-bit analog-to-digital converter in the non-interfering ultra-wideband communication scheme, and accumulate the quantized results at regular intervals, and then use a threshold. After the estimated initial arrival time information and the received signal is delayed for a predetermined time, quantized using a 1-bit analog-to-digital converter, the quantized results are accumulated at regular intervals, and then estimated using a threshold. The present invention provides a non-interfering ultra-wideband ranging apparatus and method capable of efficiently estimating initial arrival time information in a situation where reception time is ambiguous by selecting a specific value by comparing first arrival time information with each other.
본 발명의 다른 목적은 국제표준화그룹인 IEEE 802.15.4a에서 제시한 2개의 채널 상에서 SNR의 변화와 펄스와 펄스간의 간격 변화를 조절함으로써 비 간섭 초광대역 통신에서의 레인징 성능이 가장 효과적으로 분포하는 조건을 추정하고, 이러한 조건을 토대로 최적의 성능을 발휘할 수 있는 초광대역 레인징 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to adjust the variation of the SNR and the interval between the pulses and the pulses on the two channels proposed by the international standardization group IEEE 802.15.4a, so that the ranging performance in the non-interfering ultra-wideband communication is most effectively distributed. To provide an ultra-wideband ranging apparatus and method that can estimate the optimal performance based on these conditions.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 초광대역 레인징 장치는 송신단으로부터 송신된 신호를 수신하는 안테나와; 안테나에 의해 수신된 신호 중 저잡음을 증폭시키는 저잡음 증폭기; 증폭된 신호의 에너지를 일정 간격으로 검출하는 아날로그 에너지 검출기; 검출된 에너지에 대응하는 직류-옵셋 에너지를 계산하는 직류-옵셋 추정기; 아날로그 에너지 검출기에 의해 검출된 에너지를 데이터로서 저장하는 윈도우 뱅크; 상기 직류-옵셋 에너지를 임계치에 적용하여 윈도우 뱅크에 저장된 데이터를 양자화하는 다수개의 1 비트 아날로그-디지털 컨버터; 양자화된 데이터를 일정간격으로 저장하는 윈도우 버퍼; 윈도우 버퍼에 저장된 양자화 데이터을 누적시키는 누적기; 및 누적된 데이터로부터 최초 도착 시간 정보를 추정하는 타이밍 추정기를 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an ultra-wideband ranging apparatus according to an embodiment of the present invention includes an antenna for receiving a signal transmitted from a transmitting end; A low noise amplifier for amplifying low noise among signals received by the antenna; An analog energy detector for detecting energy of the amplified signal at regular intervals; A DC-offset estimator for calculating a DC-offset energy corresponding to the detected energy; A window bank for storing energy detected by the analog energy detector as data; A plurality of 1-bit analog-to-digital converters that apply the DC-offset energy to a threshold to quantize data stored in a window bank; A window buffer for storing the quantized data at predetermined intervals; An accumulator for accumulating quantized data stored in the window buffer; And a timing estimator for estimating first arrival time information from the accumulated data.
상기 직류-옵셋 추정기는 아날로그 에너지 검출기로부터 검출된 에너지를 아날로그 저역필터를 이용하여 직류-옵셋 에너지를 추정하는 것을 특징으로 한다.The DC-offset estimator estimates the DC-offset energy from the energy detected by the analog energy detector using an analog low pass filter.
윈도우 뱅크는 다수개의 겹쳐지지 않은 윈도우 버퍼들로 구성되는 것을 특징으로 한다.The window bank is composed of a plurality of non-overlapping window buffers.
누적기는 일정 간격으로 배열된 다수의 윈도우 버퍼 중 각 윈도우 버퍼 내에 동일한 주소 값을 가지는 데이터를 누적하여 누적 데이터를 타이밍 추정기에 공급하는 것을 특징으로 한다.The accumulator accumulates data having the same address value in each window buffer among a plurality of window buffers arranged at regular intervals and supplies the accumulated data to the timing estimator.
타이밍 추정기는 상기 누적 데이터를 사전에 설정된 임계치를 상호 비교하여 임계값 이상의 값 중 첫번째 값을 선택함으로써 최초 도착 시간 정보를 결정하는 것을 특징으로 한다.The timing estimator determines first arrival time information by comparing the accumulated data with a predetermined threshold and selecting a first value among the threshold values or more.
상기 아날로그-디지털 컨버터의 출력은 1 또는 -1 중 어느 하나 인 것을 특징으로 한다.The output of the analog-to-digital converter is characterized in that either one or -1.
본 발명의 실시 예에 따른 초광대역 레인징 장치는 송신단으로부터의 송신신호를 수신하는 안테나; 상기 안테나에 의해 수신된 신호를 증폭시키는 저잡음 증폭기; 증폭된 신호의 에너지를 일정간격으로 검출하는 아날로그 에너지 검출기; 검출된 에너지에 대응하는 직류-옵셋 에너지를 계산하는 직류-옵셋 추정기; 아날로그 에너지 검출기에 의해 검출된 에너지를 데이터로서 저장하는 윈도우 뱅크; 윈도우 뱅크에 저장된 각각의 데이터를 양자화하는 다수개의 1 비트 아날로그-디지털 컨버 터; 양자화된 데이터를 일정간격으로 저장하는 제1 버퍼 및 일정기간 지연된 양자화 데이터를 저장하는 제2 버퍼를 가지는 윈도우 버퍼; 제1 및 제2 버퍼에 각 저장된 데이터를 비교하여 큰 값을 가지는 버퍼를 선택하는 비교기; 비교기에 의해 선택된 버퍼에 저장된 데이터를 누적시켜 누적 데이터를 생성하는 누적기; 누적 데이터로부터 최초 도착 시간 정보를 추정하는 정밀 타이밍 추정기를 구비하는 것을 특징으로 한다.An ultra-wideband ranging apparatus according to an embodiment of the present invention includes an antenna for receiving a transmission signal from a transmitter; A low noise amplifier for amplifying the signal received by the antenna; An analog energy detector for detecting energy of the amplified signal at a predetermined interval; A DC-offset estimator for calculating a DC-offset energy corresponding to the detected energy; A window bank for storing energy detected by the analog energy detector as data; A plurality of 1-bit analog-digital converters for quantizing each data stored in the window bank; A window buffer having a first buffer for storing quantized data at predetermined intervals and a second buffer for storing quantized data delayed for a period of time; A comparator for selecting a buffer having a large value by comparing the data stored in the first and second buffers; An accumulator for accumulating data stored in a buffer selected by the comparator to generate cumulative data; And a precision timing estimator for estimating the first arrival time information from the accumulated data.
상기 제1 버퍼는 상기 1 비트 아날로그-디지털 컨버터에 의해 양자화된 표본 값들을 수신된 신호의 펄스간 간격으로 저장하는 것을 특징으로 한다.The first buffer stores sample values quantized by the 1-bit analog-to-digital converter at intervals between pulses of the received signal.
상기 제2 버퍼는 상기 제1 버퍼 길이의 절반에 해당하는 시간만큼 지연된 표본값들을 수신된 신호의 펄스간 간격으로 저장하는 것을 특징으로 한다.The second buffer may store sample values delayed by a time corresponding to half of the length of the first buffer at intervals between pulses of the received signal.
상기 비교기는 상기 제1 버퍼와 상기 제2 버퍼에 각각 저장된 데이터를 사전에 정한 임계치와 비교하여 임계치 이상의 값을 가지는 데이터를 선택하고, 선택된 데이터들 중 각 버퍼의 첫번째 주소에 해당하는 데이터를 상호 비교하여 데이터가 큰 버퍼의 저장된 데이터를 누적기에 공급하는 것을 특징으로 한다.The comparator compares data stored in each of the first buffer and the second buffer with a predetermined threshold, selects data having a value greater than or equal to a threshold, and compares data corresponding to the first address of each buffer among the selected data. It is characterized in that for supplying the stored data of the large data buffer to the accumulator.
본 발명의 실시 예에 따른 초광대역 레인징 방법은 송신단으로부터 송신된 신호를 수신하여 저잡음 증폭시키는 단계; 상기 증폭된 신호의 에너지를 검출하는 단계; 에너지 검출기에 의해 검출된 에너지를 데이터로서 저장하는 단계; 상기 저장된 데이터를 임계치에 따라 양자화하는 단계; 양자화된 데이터를 일정간격으로 윈도우 버퍼에 저장하는 단계; 상기 일정간격으로 윈도우 버퍼에 저장된 양자화 데이터를 각 주소별로 누적시키는 단계; 상기 누적된 데이터를 미리 정한 임계값과 비교하여 임계값 이상이고 첫번째 데이터일 경우 최초 도착 시간 정보로 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Ultra-wideband ranging method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of receiving a signal transmitted from a transmitting end to low noise amplification; Detecting energy of the amplified signal; Storing the energy detected by the energy detector as data; Quantizing the stored data according to a threshold; Storing the quantized data in a window buffer at regular intervals; Accumulating quantized data stored in the window buffer at each predetermined interval for each address; And comparing the accumulated data with a predetermined threshold value and estimating the first arrival time information when the accumulated data is greater than or equal to a threshold value and the first data.
본 발명에 따른 초광대역 레인징 방법은 상기 검출된 에너지에 대응하는 직류-옵셋 에너지를 계산하는 단계를 더 포함하고, 상기 직류-옵셋 에너지를 상기 양자화 단계의 임계치에 적용하는 것을 특징으로 한다.The ultra-wideband ranging method according to the present invention further includes calculating a DC-offset energy corresponding to the detected energy, and applying the DC-offset energy to a threshold of the quantization step.
상기 저장된 각각의 데이터를 양자화하는 단계는 일정 간격으로 양자화된 데이터를 제1 버퍼에 저장하는 단계; 및 상기 제1 버퍼길이의 절반에 해당하는 시간만큼 지연된 일정 간격으로 양자화된 데이터를 제2 버퍼에 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Quantizing each of the stored data may include storing the quantized data in a first buffer at a predetermined interval; And storing the quantized data in the second buffer at predetermined intervals delayed by a time corresponding to half of the first buffer length.
상기 양자화된 결과값을 일정간격으로 윈도우 버퍼에 저장하는 단계 이후 제1 버퍼와 제2 버퍼를 상호 비교하여 첫번째 주소값이 큰 버퍼를 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And after storing the quantized result in the window buffer at a predetermined interval, comparing the first buffer and the second buffer with each other to compare the buffer having a large first address value.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.Other objects and features of the present invention in addition to the above object will be apparent from the description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 비 간섭 초광대역 레인징을 위한 장치를 나타낸 도면이다.1 illustrates an apparatus for non-interfering ultra-wideband ranging according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초광대역 레인징을 위한 장치는 초광대역 통신 신호를 수신하는 안테나(10)와, 안테나(10)에 의해 수신된 신호 중 저잡음을 증폭시키는 저잡음 증폭기(LNA)(11)와, 증폭된 신호의 에너지를 일정간격으로 검출하는 아날로그 에너지 검출기(12)와, 검출된 에너지에 대응하는 직류-옵 셋 에너지를 계산하는 직류-옵셋 추정기(13)와, 에너지 검출기(12)에 의해 검출된 에너지를 데이터로서 저장하는 윈도우 뱅크(14)와, 상기 직류-옵셋 에너지를 임계치에 적용하여 윈도우 뱅크(14)에 저장된 데이터를 양자화하는 다수개의 1 비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(15)와, 양자화된 데이터를 일정간격으로 저장하는 윈도우 버퍼(16)와, 윈도우 버퍼(16)에 저장된 양자화 데이터을 누적시키는 누적기(17)와, 누적된 데이터로부터 최초 도착 시간 정보를 추정하는 타이밍 추정기(18)을 구비한다.Referring to FIG. 1, an apparatus for ultra-wideband ranging according to an embodiment of the present invention includes an
저잡음 증폭기(11)는 안테나(10)에 의해 수신된 수신신호 중 저잡음을 증폭하여 아날로그 에너지 검출기(12)에 공급한다.The
아날로그 에너지 검출기(12)는 저잡음 증폭기(11)에 의해 증폭된 수신 신호에 대응하는 일정 레벨 이상의 직류-옵셋 성분을 가지는 에너지 신호를 일정 간격으로 계산하여 직류-옵셋 추정기(13)와 윈도우 뱅크(14)에 각각 공급한다.The
직류-옵셋 추정기(13)는 아날로그 에너지 검출기(12)로부터 공급된 에너지 신호를 아날로그 저역필터를 이용하여 직류-옵셋 정보를 추정한다. 이러한 직류-옵셋 정보는 1 비트 아날로그-디지털 컨버터의 임계치 정보로 사용되어 일정량의 직류-옵셋이 제거된 신호를 윈도우 버퍼(16)에 출력하게 된다. The DC-offset
윈도우 뱅크(14)는 다수개의 겹쳐지지 않은 윈도우 버퍼들로 구성되고 각각의 윈도우 버퍼 크기는 레인징의 해상도를 결정하는 요소로써 작용된다. 즉 윈도우 버퍼 크기가 작을수록 더욱 세밀하고 정확한 레인징 결과를 얻을 수 있다. The
다수개의 1 비트 아날로그-디지털 컨버터(15)는 저속의 표본화율로 동작하며 아날로그-디지털 컨버터(15) 간의 사이는 수 nsec 간격으로 체인 형태로 구성된다. 결과적으로, 다수개의 1 비트 아날로그-디지털 컨버터(15)들의 출력은 고속 표본화된 표본 값들을 얻게 된다. 즉, 아날로그-디지털 컨버터(15)들의 개수를 많이 구비할 수록 저속의 아날로그-디지털 컨버터(15) 사용이 가능하다. The plurality of 1-bit analog-to-
윈도우 버퍼(16)는 1비트 아날로그-디지털 컨버터(15)들로부터 출력된 1 비트로 양자화된 표본값들을 데이터로서 저장하게 된다.The
누적기(17)는 일정 간격으로 배열된 다수의 윈도우 버퍼(16) 중에 각 윈도우 버퍼(16) 내에 동일한 주소 값을 가지는 버퍼에 저장된 데이터를 누적한 누적 데이터를 타이밍 추정기(18)에 공급하게 된다.The
타이밍 추정기(18)는 누적기(17)에 의해 누적된 데이터들과 사전에 설정된 임계치를 상호 비교하여 임계값 이상의 값 중 첫번째 값을 선택함으로써 최초 도착 시간 정보를 결정하게 된다. The
이와 같은 구조를 가지는 본 발명의 실시 예에 따른 비 간섭 초광대역 레인징을 위한 장치를 이용하여 최초 도착 시간 정보를 추정하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.A method of estimating initial arrival time information using an apparatus for non-interfering ultra-wideband ranging according to an embodiment of the present invention having such a structure will be described.
본 발명의 실시 예에 따른 최초 도착 시간 정보를 추정하는 방법에 대하여 기술하기에 앞서, 본 발명의 실시 예에 따른 비 간섭 초광대역 레인징장치는 고정된 송수신기 사이에서의 다중 경로가 동일 간격으로 전송된 펄스에 동일하게 적용된다고 가정하며, 이에 따라, 동일 간격으로 수많은 샘플값들을 누적시킴으로써 잡음 성분과 신호 성분과의 차를 증가시켜 미약하게 수신된 최초 도착 성분에 대한 시간 정보를 추정하기로 한다.Prior to describing a method for estimating initial arrival time information according to an embodiment of the present invention, the non-interfering ultra-wideband ranging apparatus according to an embodiment of the present invention transmits multiple paths between fixed transceivers at equal intervals. It is assumed that the same application is applied to the received pulses. Accordingly, by accumulating a large number of sample values at equal intervals, the difference between the noise component and the signal component is increased to estimate the time information on the weakly received first arrival component.
최초, 송신단에서 PRI 간격으로 전송된 송신 신호는 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.First, a transmission signal transmitted at a PRI interval at a transmitter may be expressed as
여기서 p(t)는 하나의 초광대역 펄스, Tf는 펄스간의 간격(PRI),M은 펄스의 총 반복 회수를 나타낸다. 수신된 신호는 직접 수신된 신호 성분 예를 들면, 로스신호, 반사되어 수신된 신호 성분들, 잡음 그리고 간섭 성분들로 구성된다. 따라서 송신 신호에 따른 수신 신호 r(t)는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.Where p (t) is one ultra-wideband pulse, T f is the interval between pulses (PRI), and M is the total number of repetitions of the pulse. The received signal is composed of directly received signal components such as a loss signal, reflected and received signal components, noise and interference components. Therefore, the reception signal r (t) according to the transmission signal may be represented by
여기서 ad와 τd는 각각 LOS 성분의 세기와 도착 시간을 나타내며, 의미하고 an와 τn은 반사된 성분들의 세기와 도착 시간을 나타내며, n(t)는 평균이 0인 백색노이즈를 의미한다. 각 Tf 동안의 에너지 신호는 그 시간동안 수신 신호를 제곱 후 더함으로써 계산될 수 있으며, 이때의 에너지 신호 e(t)는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. Where a d and τ d represent the intensity and arrival time of the LOS component, respectively, and a n and τ n represent the intensity and arrival time of the reflected components, and n (t) means white noise with an average of 0. do. The energy signal for each T f can be calculated by adding the received signal squared during that time, and the energy signal e (t) can be expressed by
한편, 백색 노이즈에 대한 에너지 성분은 통계학 및 수학적 특성에 따라 특정 직류-옵셋 에너지를 갖는 Chi-square 분포를 따르게 된다. 이러한 직류-옵셋 에너지는 아날로그 저역 필터를 통해 대략적으로 얻을 수 있으며 이때의 직류-옵셋 에너지는 1비트 아날로그-디지털 컨버터의 기준 임계값으로 사용된다. 여기서 아날로그 저역 필터의 출력 y직류-offset(t)는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, the energy component of the white noise follows a Chi-square distribution having a specific DC-offset energy according to statistical and mathematical characteristics. This DC-offset energy can be roughly obtained through an analog low pass filter, and the DC-offset energy is used as a reference threshold of a 1-bit analog-to-digital converter. Here, the output y DC-offset (t) of the analog low pass filter may be expressed as
여기서 * 는 컴볼루션 연산자를 나타내며, hLPF(t) 아날로그 저역 필터의 임펄스 응답을 나타낸다. 한편, N개의 슬롯으로 나누어진 각 프레임의 간격에 대해 대응하는 에너지 값들은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.Where * represents the convolution operator and h implies the impulse response of the LPF (t) analog low pass filter. On the other hand, the corresponding energy values for the interval of each frame divided into N slots can be represented by
수학식 5에서 에너지 신호 는 아날로그 저역 필터 출력과 직류-옵셋 에너지와의 차를 통해 에너지 신호의 직류-옵셋 에너지를 줄일 수 있게 되며 결과 적으로 직류-옵셋 에너지가 줄어든 에너지 신호 는 수학식 6과 같이 나타내어 진다.Energy signal in equation (5) The difference between the analog low pass filter output and the dc-offset energy can reduce the dc-offset energy of the energy signal, resulting in an energy signal with a reduced dc-offset energy. Is expressed as in
이러한 직류-옵셋 에너지가 줄어든 신호는 1 비트 아날로그-디지털 컨버터에 의해 표본화되고 이때의 양자화된 표본값은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.This DC-off energy reduced signal is sampled by the 1-bit analog-to-digital converter and the quantized sample value at this time can be expressed as shown in Equation (7).
이러한 수학식 1 내지 7에 의해 계산된 결과값을 이용하여 결과적으로 수신신호의 양자화된 표본값을 출력하게 된다. 이 양자화된 표본값을 도 2에 도시된 최초 도착 시간 정보 처리구조에 적용함으로써 최초 도착 시간 정보를 추정하게 된다. 도 2에서 M은 펄스 반복의 수 즉, N개의 길이를 갖는 윈도우 버퍼들의 수를 의미한다. 제1 내지 제M 개(1st 내지 Mth)의 윈도우 버퍼는 각각 2진 데이터를 N개 저장하며, 제1 내지 제M 개의 윈도우 버퍼에 저장된 2진 데이터는 각 버퍼 단위로 누적하여 누적기 블럭(Accumulator Block)에 공급한다. 누적기 블럭은 이러한 2진 데이터를 최초 도착 시간 추정 블럭(Estimation of ToA)에 공급하고, 이에 따라, 최초 도착 시간 정보를 추정하게 된다. 이때 수학식 8에 나타낸 바와 같이 사 전 정해진 임계치(Threshold) 값 이상의 값들 중에 첫 번째에 해당하는 값의 인덱스를 선택함으로써 최초 도착 시간 정보(ToA)를 획득하게 된다.As a result, the quantized sample value of the received signal is output using the result value calculated by
여기서, ToA는 최초 도착 시간 정보를, t는 현재 시점의 시간을, Twin은 각 윈도우의 시간 간격을 의미하고 Tstart는 전송의 시작 시간을 나타낸다.In this case, ToA denotes first arrival time information, t denotes a time at the present time, T win denotes a time interval of each window, and T start denotes a start time of transmission.
이와 같은 방법으로 최초 도착 시간 정보를 추정하는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초광대역 레인징 장치 및 방법은 정해진 펄스 간격으로 신호를 수집하여 양자화 한 후, 양자화된 결과값을 누적하여 계산함으로써 미약한 신호로부터 최초 도착 시간 정보를 획득할 수 있다. 즉, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 1 비트 아날로그-디지털 컨버터(15)는 임계치 0을 중심으로 1 또는 -1로 신호를 양자화 함으로써 수신된 신호는 신호의 세기와 상관없이 양자화 되게 된다. 이에 따라, 버퍼에 저장된 표본값들을 여러번 누적함으로써 넌-로스 환경에서의 미약한 최초 도착 시간 정보에 대한 처리가 가능하게 된다.The ultra-wideband ranging apparatus and method according to the first embodiment of the present invention for estimating the first arrival time information in this manner is weak by collecting and quantizing a signal at a predetermined pulse interval, and then accumulating and calculating the quantized result. First arrival time information can be obtained from one signal. That is, the 1-bit analog-to-
그러나, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초광대역 레인징 장치 및 방법은 신호의 수신 시점이 불명확한 상황에서 수신된 신호를 일정 간격으로 누적할 경우 물체에 반사되어 수신된 최대 접근 지연 성분이 버퍼의 앞부분에 저장되어 정확한 최소 도착 성분을 획득할 수 없는 문제점이 있다. 이에 따라, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초광대역 레인징 장치 및 방법에서는 수신 시점의 모호성으로 인해 발생되는 타이밍 오차 문제를 해결할 수 있는 방법을 제안하기로 한다.However, in the ultra-wideband ranging apparatus and method according to the first embodiment of the present invention, when a received signal is accumulated at a predetermined interval in a situation where a reception point of a signal is unclear, a maximum access delay component reflected by an object is buffered. There is a problem in that it is not possible to obtain an accurate minimum arrival component stored at the front of the. Accordingly, the ultra-wideband ranging apparatus and method according to the second embodiment of the present invention will propose a method for solving the timing error problem caused by the ambiguity of the reception time.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비 간섭 초광대역 레인징 장치를 나타낸 도면이다.3 illustrates a non-interfering ultra-wideband ranging apparatus according to a second embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시에 따른 비 간섭 초광대역 레인징 장치는 초광대역 통신 신호를 수신하는 안테나(20)와, 안테나(20)에 의해 수신된 신호 중 저잡음을 증폭시키는 저잡음 증폭기(LNA)(21)와, 증폭된 신호의 에너지를 일정 간격으로 검출하는 아날로그 에너지 검출기(22)와, 검출된 에너지에 대응하는 직류-옵셋 에너지를 계산하는 직류-옵셋 추정기(23)와, 아날로그 에너지 검출기(22)에 의해 검출된 에너지를 데이터로서 저장하는 윈도우 뱅크(24)와, 상기 직류-옵셋 에너지를 임계치에 적용하여 윈도우 뱅크(24)에 저장된 각각의 데이터를 양자화하는 다수개의 1 비트 아날로그-디지털 컨버터(25)와, 양자화된 데이터를 일정간격으로 저장하는 제1 버퍼(26a) 및 일정기간 지연된 양자화 데이터를 저장하는 제2 버퍼(26b)를 가지는 윈도우 버퍼(26)와, 윈도우 버퍼(26)내의 제1 및 제2 버퍼(26a, 26b)의 값을 비교하여 인덱스가 큰 값을 가지는 버퍼를 선택하는 비교기(29)와, 비교기(29)에 의해 선택된 버퍼에 저장된 데이터를 누적시키는 누적기(27)와, 누적된 데이터로부터 최초 도착 시간 정보를 추정하는 정밀 타이밍 추정기(28)를 구비한다.Referring to FIG. 3, the non-interfering ultra-wideband ranging apparatus according to the second embodiment of the present invention provides an
여기서, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비 간섭 초광대역 레인징 장치는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비 간섭 초광대역 레인징 장치와 비교하여 윈도우 버퍼 (26)와, 비교기(29) 및 정밀 타이밍 추정기(28)를 제외하고 동일한 구성임으로 윈도우 버퍼(26)와, 비교기(29) 및 정밀 타이밍 추정기(28)를 제외한 구성의 설명은 생략하기로 한다.Here, the non-interfering ultra-wideband ranging apparatus according to the second embodiment of the present invention is compared with the
윈도우 버퍼(26)는 1 비트로 양자화된 표본 값들을 저장하는 제1 버퍼(26a)와 지연된 신호를 양자화하여 출력된 표본 값들을 양자화 데이터로 저장하는 제2 버퍼(26b)를 구비한다.The
제1 버퍼(26a)는 1 비트로 양자화된 표본 값들을 양자화 데이터로서 펄스와 펄스간의 간격 즉, PRI 간격으로 저장하게 된다.The
제2 버퍼(26b)는 제1 버퍼(26a)에 저장되는 표본 값들과 비교하여 간격이 N/2 지연된 표본값들을 지연된 양자화 데이터로서 PRI 간격으로 저장한다. 여기서, N은 버퍼의 길이를 나타낸다. PRI의 간격을 하나의 윈도우 뱅크(23)의 간격으로 나눈 길이와 동일하다. The
비교기(29)는 제1 버퍼(26a)와 제2 버퍼(26b)로부터 사전에 정한 임계치 이상의 값들을 선택하고, 선택된 출력값들 중 첫번째에 해당하는 버퍼의 주소번지 위치를 상호 비교하여 번지의 인덱스가 큰 버퍼에 저장된 값을 누적기(27)에 공급한다.The
정밀 타이밍 추정기(28)는 제1 및 제2 버퍼(26a, 26b) 중 비교기(29)에 의하여 선택된 버퍼에 저장된 양자화 데이터 및 지연된 양자화 데이터 중 어느 하나를 누적하여 미리 정한 임계치와 비교하여 임계치 이상의 값으로부터 최초 도착 시간 정보를 획득하게 된다.The
이와 같은 구조를 가지는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비 간섭 초광대역 레인징 장치의 최초 도착 시간 정보를 획득하는 방법에 대하여 살펴보기로 하자.A method of obtaining first arrival time information of a non-interfering ultra-wideband ranging apparatus according to a second embodiment of the present invention having such a structure will be described.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 비 간섭 초광대역 레인징 장치의 최초 도착 시간 정보를 획득하는 방법은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비 간섭 초광대역 레인징 장치의 최초 도착 시간 정보를 획득하는 방법으로부터 수학식 1 내지 8을 동일하게 적용하여 각 단계의 출력값들을 산출하고, 제1 및 제2 버퍼(26a, 26b)에 저장되는 데이터의 출력값과 그에 따른 최초 도착 정보 시간 추정은 도 4a와 도 4b 및 수학식 9와 수학식 10을 통하여 설명하기로 한다. 즉, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비 간섭 초광대역 레인징 장치의 최초 도착 시간 정보를 획득하는 방법은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비 간섭 초광대역 레인징 장치의 최초 도착 시간 정보를 획득하는 방법과 비교하여 1 비트 아날로그-디지털 컨버터를 이용한 양자화 단계까지 동일하게 적용된다.The method for acquiring the first arrival time information of the non-interfering ultra-wideband ranging apparatus according to the second embodiment of the present invention is to obtain the first arrival time information of the non-interfering ultra-wideband ranging apparatus according to the first embodiment of the present invention.
도 4a는 1 비트 아날로그-디지털 컨버터(25)를 통해 양자화된 표본값들을 Tf 간격으로 저장했을 시의 결과를 나타내면, 도 4b는 Tf/2 지연 후에 표본값들을 버퍼에 저장했을 시의 결과를 나타낸다. 즉, 두 개의 버퍼(26a, 26b) 중에 도 4a에 버퍼가 최초 도착 지연 성분을 잘못 판단한 경우이다. 따라서, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초광대역 레인징 방법에서 최초 도착 시간 정보 추정방법은 두 개의 버퍼로부터 사전에 정한 임계치 이상의 값들 중 첫번째에 해당하는 버퍼의 주소번지의 위치를 상호 비교하여 번지의 인덱스가 큰 버퍼를 수신 시점의 모호성이 해결된 버퍼로 선택하고, 모호성이 해결된 선택된 버퍼의 양자화된 데이터를 누적함으로써 최초 도착 시간 정보를 획득하게 된다. 여기서, Tf/2 지연 후에 표본값들을 저장한 버퍼에서 임계치를 통해 최초 도착 시간 정보를 획득하는 방법은 수학식 9와 같다.FIG. 4A shows the result when the quantized sample values are stored in the T f interval through the 1-bit analog-to-
여기서, ToAbuffer2는 Tf/2 지연 후 표본 값들을 누적시킨 버퍼를 나타낸다.Here, ToA buffer2 represents a buffer in which sample values are accumulated after T f / 2 delay.
한편, 최초 도착 시간 정보는 Tf/2 지연 후 표본 값들을 누적시킨 버퍼가 선택되었을 경우, 수학식 10에 나타낸 바와 같이 Tf/2에 해당하는 시간 성분을 포함하여 최초 도착 시간 정보를 계산해야 한다.On the other hand, when the first arrival time information is a buffer in which sample values are accumulated after a delay of T f / 2 is selected, the first arrival time information should be calculated including a time component corresponding to T f / 2 as shown in
여기서, ToA는 최초 도착 시간 정보를, ToAbuffer1는 제1 버퍼(26a)로부터 계산된 최초 도착 시간 정보를, ToAbuffer2는 제2 버퍼(26b)로부터 계산된 최초 도착 시간 정보를 나타낸다. 여기서, 비교기(29)는 제1 버퍼(26a) 및 제2 버퍼(26b)의 첫번째 주소값을 서로 비교하게 됨으로, 제1 버퍼(26a) 및 제2 버퍼(26b)에 저장된 값을 모두 계산하지 않고 선택된 버퍼의 저장 값만을 누적하여 최초 도착 시간 정 보를 추정할 수 있다.Here, ToA represents first arrival time information, ToA buffer1 represents first arrival time information calculated from the
이와 같은 방법으로 추정되는 본 발명의 제1 및 제2 실시 예에 따른 최초 도착 시간 정보 획득을 위한 한계치 즉, 레인징 성능의 한계점을 불편추정량이고 표본의 크기가 충분히 클 경우 사용되는 CRLB(Cramer-Rao Lower Bound)를 이용하여 이론적으로 모델링하기로 한다.CRLB (Cramer-) used when the threshold for acquiring the first arrival time information according to the first and second embodiments of the present invention estimated by the above method, that is, the threshold of ranging performance, is an uncomfortable amount and the sample size is sufficiently large. We will model it theoretically using Rao Lower Bound.
CRLB를 이용한 본 발명의 최초 도착 시간 정보에 대한 신뢰성 있는 지연 추정에 대한 한계점은 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.The limit of the reliable delay estimation for the first arrival time information of the present invention using the CRLB can be expressed by Equation (11).
여기서, 는 최초 도착 시간 정보 추정값의 변이량을 나타내며, βf 는 수신 신호의 대역폭을, 그리고 SNR은 에너지와 노이즈의 비율인 Eb/No를 나타낸다. 이러한 수학식 11을 이용하여 레인징 거리에 대한 CRLB는 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.here, Denotes the amount of variation of the estimated time of arrival information, β f denotes the bandwidth of the received signal, and SNR denotes Eb / No, which is a ratio of energy and noise. Using the
수학식 11 및 수학식 12를 토대로, SBR을 선형적으로 증가하였을 경우 각 레인징 거리에 대한 CRLB가 도 5에 도시되어 있다.Based on
도 5를 참조하면, 대역폭이 증가함에 따라 레인징의 정확도는 현저하게 증가 되며, 대역폭이 2GHz 일때 이론적인 제한 범위가 10dB ~ -10dB 사이에서 대략 5cm보다 작게 나타난다.Referring to FIG. 5, as the bandwidth increases, the accuracy of ranging is significantly increased, and when the bandwidth is 2 GHz, the theoretical limit range appears to be less than about 5 cm between 10 dB and -10 dB.
이러한 본 발명의 제1 및 제2 실시 예에 따른 레인징 장치 및 방법의 성능을 IEEE 802.15.4a Task Group에서 제시한 2가지 채널 모델 즉, CM1(Residential LOS environments)와 CM8(Industrial NLOS environments)을 바탕으로 각 채널 모델 당 100개의 채널을 실험한 실험결과를 도 6 내지 도 13를 참조하여 설명하기로 한다. 여기서, 도 7 및 도 11은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레인징 장치 및 방법의 성능을 나타낸 도면들이며, 도 12 및 도 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 레인징 장치 및 방법의 성능을 나타낸 도면이다. 또한, 레인징 장치 및 방법의 성능 실험을 위해 도 6에 도시된 IEEE 802.15.4의 표준안에서 제시한 프리앰블 구조를 채택하였으며, 프리 앰블의 총 길이는 4 바이트(Byte)이고, 그 중 3 바이트를 레인 측정을 위한 용도로, 1 바이트는 잡음 측정용 복조시 임계치를 결정하기 위한 정보로 사용하도록 설정하였다.The performance of the ranging apparatus and the method according to the first and second embodiments of the present invention are described in terms of two channel models presented by the IEEE 802.15.4a Task Group, that is, CM1 (Residential LOS environments) and CM8 (Industrial NLOS environments). An experimental result of experimenting with 100 channels per channel model will be described with reference to FIGS. 6 to 13. 7 and 11 are diagrams illustrating the performance of the ranging apparatus and method according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 12 and 13 illustrate the ranging apparatus and method according to the second embodiment of the present invention. The figure which shows the performance. In addition, for the performance experiment of the ranging apparatus and method, the preamble structure presented in the IEEE 802.15.4 standard shown in FIG. 6 is adopted, and the total length of the preamble is 4 bytes, of which 3 bytes For the purpose of the lane measurement, one byte is set to use as information for determining the threshold value for demodulation for noise measurement.
도 6은 IEEE 802.15.4의 표준안에서 제시한 프리앰블 구조인 LR-WPAN을 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating LR-WPAN, a preamble structure presented in the IEEE 802.15.4 standard.
여기서, Tp는 펄스의 폭을, PRI(=Tf)는 펄스와 펄스 간의 폭을, 한 심볼(Tb)은 2개의 펄스가 발생된다. 레인징을 위해 사용되는 3 바이트는 정해진 범위내에서 누적횟수를 최대로 하여 신호성분과 잡음성분을 구분하기 위하여 "1"로 설정한다. 또한, 실험 파라메터는 표 1과 같이 설정한다. 즉, 중심주파수는 4.1GHz, 대 역폭은 2GHz인 2nsec의 펄스 폭을 가지는 초광대역 펄스, 다중 경로로 인한 IPI(Inter Pulse Interference)를 방지하기 위하여 PRI는 IEEE 802.15.4a Task Group에서 규정된 채널 모델의 RMS(Root Mean Square) 지연 확산을 고려하여 400nsec로 설정한다.Here, Tp is the width of the pulse, PRI (= T f ) is the width between the pulse and the pulse, one symbol (T b ) is generated two pulses. The 3 bytes used for ranging are set to "1" to distinguish between signal components and noise components by maximizing the cumulative number within a predetermined range. In addition, the experimental parameters are set as shown in Table 1. That is, in order to prevent Interband Interference (IPI) due to multi-path, ultra-wideband pulses having a pulse width of 2 nsec with a center frequency of 4.1 GHz and a bandwidth of 2 GHz, PRI is a channel model defined by the IEEE 802.15.4a Task Group. Set to 400 nsec considering root mean square (RMS) delay spread.
도 7은 아날로그 에너지 검출기를 통해 얻은 에너지 신호로부터 아날로그 저역 필터의 출력 정보인 직류-옵셋 성분을 뺀 신호의 일부분에 해당하는 파형을 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이 직류-옵셋 성분이 줄었음을 알 수 있다.FIG. 7 shows waveforms corresponding to a portion of a signal obtained by subtracting a DC-off component, which is output information of an analog low pass filter, from an energy signal obtained through an analog energy detector. As shown in FIG. 7, it can be seen that the DC-offset component is reduced.
여기서 x측의 각 표본은 80개(=Tp)의 표본값에 해당하는 에너지를 의미하고 결국, 에너지 표본값들로 구성된 PRI의 길이는 200(=Tf/Tp)개가 된다. Here, each sample on the x side represents energy corresponding to 80 sample values (= T p ), and eventually, the length of PRI composed of energy sample values becomes 200 (= T f / T p ).
도 8은 LOS가 존재하는 채널 환경에서 1비트 아날로그-디지털 컨버터를 통해 양자화된 표본값들을 버퍼에 저장한 후 이를 PRI 간격으로 누적했을 경우의 결과를 나타낸다. FIG. 8 shows the result of storing quantized sample values in a buffer in a channel environment in which LOS exists and accumulating them in a PRI interval.
여기서, 1 비트 아날로그-디지털 컨버터가 신호 성분을 모두 1이라고 판단할 경우 최대 누적 횟수만큼 증가하게 되며 도시된 바와 같이 48개의 펄스를 사용하게되면, 최대값이 48이 된다. 반면 잡음 성분을 평균이 0인 백색노이즈라고 가정할 경우, 이에 대한 에너지 성분은 Chi-square 분포를 따르게 되고 이때의 직류-옵셋을 줄였을 때의 잡음 성분에 대한 분포 역시 평균이 거의 0이 된다. 결과적으로 잡음 성분은 여러 번 누적할 경우 서로 상쇄되어 0으로 수렴하게 된다.Here, when the 1-bit analog-to-digital converter determines that the signal components are all 1, the signal is increased by the maximum cumulative number, and when the 48 pulses are used as shown, the maximum value becomes 48. On the other hand, if the noise component is assumed to be white noise with a mean value of 0, the energy component of this method follows the Chi-square distribution, and the distribution of the noise component when the DC-offset is reduced at this time is also almost zero. As a result, noise components cancel each other out and accumulate to zero when accumulated several times.
도 9는 최초 도착 성분을 획득하기 위해서 SNR에 따른 임계치값을 나타낸다.9 shows a threshold value according to SNR to obtain an original arrival component.
여기서 임계치를 설정하기 위해서 해당 파라미터를 Non-LOS 환경에서 PRI의 반복 횟수는 48로, SNR은 각각 -6, -3, 0dB로 설정하였으며, 아날로그-디지털 컨버터를 통과한 후의 최초 도착 성분이 모두 1로 판단됐을 때, 즉 48을 100%라고 할 경우 0 ~ 50%까지 5%간격으로 증가시켜 적절한 임계치값을 설정한다. 도 9에서 나타난 바와 같이 약 25 ~ 30%에서 최초 도착 성분과의 오차가 최소가 된다.In order to set the threshold, the parameter is set to 48 iterations of PRI in non-LOS environment, and SNR is -6, -3, 0dB, respectively, and the first arrival component after passing through analog-to-digital converter is 1 If it is determined that 48 is 100%, increase the threshold value by 5% interval from 0 to 50% to set an appropriate threshold value. As shown in FIG. 9, the error with the first arrival component is minimized at about 25-30%.
도 10은 LOS가 존재하는 CM1환경에서 SNR을 6dB에서 -6dB까지 변화시키면서 PRI의 누적횟수에 따른 제안된 레인징 장치 및 방법의 성능 결과를 나타낸 도면이다. 단, 수신 시점은 알고 있는 것으로 가정한다. 여기서 y축은 1m 이내의 레인징 오차가 발생될 확률을 나타낸다. 도 10에 나타난 바와 같이 레인징 장치 및 방법의 성능은 PRI가 증가할수록 성능이 개선됨을 알 수 있다.10 is a diagram showing the performance results of the proposed ranging apparatus and method according to the cumulative number of PRI while changing the SNR from 6dB to -6dB in the CM1 environment with LOS. However, it is assumed that the reception time point is known. Here, the y-axis represents the probability that a ranging error occurs within 1m. As shown in FIG. 10, it can be seen that the performance of the ranging apparatus and method improves as the PRI increases.
도 11은 Non-LOS가 존재하는 CM8환경에서 SNR을 변화시키면서 PRI의 누적횟수에 따른 제안된 Ranging 기법의 성능 결과를 나타낸 도면이다. 단, 수신 시점은 알고 있는 것으로 가정한다. Non-LOS 환경에서는 미약한 최초 도착 신호 성분으로 인해 LOS가 존재하는 환경에서의 성능 결과보다 다소 열화되는 특성을 나타낸다.11 is a diagram showing the performance results of the proposed Ranging technique according to the cumulative number of PRIs while changing the SNR in a CM8 environment with Non-LOS. However, it is assumed that the reception time point is known. In the non-LOS environment, the weak first arrival signal component degrades slightly compared to the performance result in the LOS environment.
도 12 및 도 13은 각각 CM1과 CM8의 환경에서 수신 시점의 모호성으로 인해 발생되는 레인징 오차를 제안한 레인징 에러 적응 방안을 적용할 경우 SNR의 변화와 PRI 누적 횟수에 따른 레인징 장치 및 방법의 성능 결과를 나타낸다. 도 12에서 동그라미로 표현된 결과는 수신 시점의 모호성으로 인해 발생되는 레인징 오차에 따라 그 성능이 도 12와 도 13의 다른 그래프와 비교했을 경우 매우 성능이 열화되는 것을 나타내고 있다. 그러나, 레인징 에러 적응 방안을 적용할 경우 도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이 레인징 성능이 거의 유사하게 나타나게 된다. 또한, 도 12 및 도 13에 나타난 바와 같이 레인징 성능은 PRI의 횟수가 많을수록 개선된다. 12 and 13 illustrate a ranging apparatus and method according to a change in SNR and a cumulative number of PRIs when applying a ranging error adaptation method that proposes a ranging error generated due to ambiguity of a reception time in the environment of CM1 and CM8, respectively. Show performance results. The results represented by circles in FIG. 12 indicate that the performance is very deteriorated when the performance is compared with other graphs of FIGS. 12 and 13 according to the ranging error generated due to ambiguity of the reception time. However, when the ranging error adaptation scheme is applied, the ranging performance is almost similar to that shown in FIGS. 12 and 13. 12 and 13, the ranging performance is improved as the number of PRIs increases.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 초광대역 레인징 장치 및 방법은 에너지 검출을 이용한 저속의 표본화율을 요구하는 다수 개의 1 비트 아날로그-디지털 컨버터들을 이용하여 로스 또는 넌-로스의 다중 경로 환경에서 최초 도착 시간 정보를 추정하기 위한 방법으로 수신 신호를 펄스간의 간격으로 일정량만큼 누적시킨 후 임계치를 이용하여 최초 도착 시간정보를 추정할 수 있는 비 간섭 초광대역 레인징 장치 및 방법을 제공하는 효과가 있다.As described above, the ultra-wideband ranging apparatus and method according to an embodiment of the present invention uses a plurality of 1-bit analog-to-digital converters that require a low sampling rate using energy detection. As a method for estimating initial arrival time information in an environment, an effect of providing a non-interfering ultra-wideband ranging apparatus and method capable of estimating initial arrival time information by using a threshold value after accumulating a predetermined amount at intervals between pulses There is.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 초광대역 레인징 장치 및 방법은 최초 도착 시간 정보를 수신된 신호를 1 비트 아날로그-디지털 컨버터를 이용하여 양자화시키고, 양자화된 결과값들은 일정 간격으로 누적시킨 후, 임계치를 이용하여 추정된 최초 도착 시간 정보와, 수신된 신호를 일정 시간 동안 지연 시킨 뒤, 1 비트 아날로그-디지털 컨버터를 이용하여 양자화시키고, 양자화된 결과값들은 일정 간격으로 누적시킨 후, 임계치를 이용하여 추정된 최초 도착 시간 정보를 상호 비교하여 특정 값을 선택함으로써 수신 시점이 모호한 상황에서 최초 도착 시간 정보를 효율적으로 추정할 수 있다. The ultra-wideband ranging apparatus and method according to another embodiment of the present invention quantizes the received signal by using a 1-bit analog-to-digital converter, and accumulates the quantized result at a predetermined interval, and then thresholds the initial arrival time information. Delay the received signal with the estimated time of arrival and the received signal for a certain period of time, and then quantized using a 1-bit analog-to-digital converter, the quantized results are accumulated at a predetermined interval, and then using a threshold By comparing the estimated first arrival time information with each other and selecting a specific value, it is possible to efficiently estimate the first arrival time information in a situation where the reception time is ambiguous.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 초광대역 레인징 장치 및 방법은 다른 목적은 IEEE 802.15.4a에서 제시한 2개의 채널 상에서 SNR의 변화와 펄스와 펄스간의 간격 변화를 조절함으로써 비 간섭 초광대역 통신에서의 레인징 성능이 가장 효과적으로 분포하는 조건을 추정하고, 이러한 조건을 토대로 최적의 성능을 발휘할 수 있는 초광대역 레인징 장치 및 방법을 제공하는 효과가 있다.Another object of the ultra-wideband ranging apparatus and method according to another embodiment of the present invention is to provide a method for non-interfering ultra-wideband communication by controlling a change in SNR and a change in pulse-to-pulse spacing on two channels presented in IEEE 802.15.4a. It is effective to estimate a condition in which the ranging performance is most effectively distributed, and to provide an ultra-wideband ranging apparatus and method capable of exhibiting optimal performance based on these conditions.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다. Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification but should be defined by the claims.
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