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KR101447027B1 - Apparatus and method for beam forming in a multiple antenna system - Google Patents

Apparatus and method for beam forming in a multiple antenna system Download PDF

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KR101447027B1
KR101447027B1 KR1020130140838A KR20130140838A KR101447027B1 KR 101447027 B1 KR101447027 B1 KR 101447027B1 KR 1020130140838 A KR1020130140838 A KR 1020130140838A KR 20130140838 A KR20130140838 A KR 20130140838A KR 101447027 B1 KR101447027 B1 KR 101447027B1
Authority
KR
South Korea
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matrix
received signal
channel information
beamforming
reception
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KR1020130140838A
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Inventor
장재원
이철수
이규송
Original Assignee
국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 다중 안테나 시스템의 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 빔포밍 방법은 (a) 복수의 안테나를 통하여 수신신호를 수신하는 단계; (b) 상기 수신신호의 공분산 행렬(Covariance Matrix)을 분해(Decomposition)하여 채널정보를 추정하고, 상기 채널정보를 기초로 상기 수신신호의 수신 빔포밍(Beamforming) 벡터를 구하는 단계; 및 (c) 상기 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 수신신호에 대한 수신 빔포밍을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이를 통하여, 불특정 신호를 수신하는 경우에도 채널정보를 추정하고, 이를 기초로 산출된 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 수신 빔포밍을 수행함으로써 신호의 수신감도를 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a beamforming apparatus and method for a multi-antenna system, and a method for beamforming according to the present invention includes the steps of: (a) receiving a received signal through a plurality of antennas; (b) estimating channel information by decomposing a covariance matrix of the received signal, and obtaining a reception beamforming vector of the received signal based on the channel information; And (c) performing reception beamforming on the reception signal using the reception beamforming vector. In this way, even when an unspecified signal is received, channel information is estimated, and reception beamforming is performed using the calculated reception beamforming vector based on the estimated channel information, thereby improving the signal reception sensitivity.

Description

다중 안테나 시스템의 빔포밍 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BEAM FORMING IN A MULTIPLE ANTENNA SYSTEM}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a beamforming apparatus and method for a multi-

본 발명은 불특정 신호의 수신 성능을 향상시키기 위한 다중 안테나 시스템의 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a beamforming apparatus and method for a multi-antenna system for improving reception performance of an unspecified signal.

최근 무선통신 환경에서 동일한 주파수 자원과 전력을 이용하면서도 시스템의 성능을 향상시키고, 통신용량을 극대화하기 위한 방법의 일환으로서 다중입출력 시스템(Multiple Input Multiple Output: MIMO)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.2. Description of the Related Art [0002] In recent years, research on a Multiple Input Multiple Output (MIMO) system has been actively conducted as a method for improving system performance and maximizing communication capacity while using the same frequency resources and power in a wireless communication environment.

다중입출력 시스템은 다중의 입출력이 가능한 안테나 시스템으로서, 종래의 단일의 송신 안테나와 수신 안테나의 이용에서 탈피하여 다중의 송신 안테나와 다중의 수신 안테나를 채택함으로써 송수신 데이터의 전송 효율을 향상시킬 수 있다.A multi-input / output system is a multi-input / output antenna system that can improve transmission efficiency of transmission / reception data by adopting multiple transmission antennas and multiple reception antennas by avoiding use of a single transmission antenna and a reception antenna.

다중입출력 시스템 기술에는 송신 다이버시티(Transmit Diversity), 공간 다중화(Spatial Multiplexing) 및 빔포밍(Beamforming) 등이 있다. 이중 빔포밍은 다중 안테나에서 채널상태에 따른 가중치를 가하여 신호의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 증가시키는 것이 목적이다. Transmit diversity, spatial multiplexing, and beamforming are examples of the multi-input / output system technology. The purpose of dual beamforming is to increase the SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) of a signal by applying a weight according to the channel state in multiple antennas.

빔포밍의 일종인 수신 빔포밍은 다중입출력 시스템에 의하여 신호를 수신할 때 수신하는 신호에 수신단의 위상을 정합하여 신호의 수신 성능을 향상시키기 위하여 수행하는 것으로, 수신신호에 수신 빔포밍 벡터를 곱하는 것으로 모델링된다.The receive beamforming, which is a type of beamforming, is performed to improve the reception performance of a signal by matching the phase of the receiving end to the signal received when a signal is received by the multiple input / output system. The received beamforming is performed by multiplying the received signal by a received beamforming vector Lt; / RTI >

종래의 수신 빔포밍 기술은 모두 송신기와 수신기간의 통신 규격이 정해져 있고, 상호간에 기본적인 무선신호정보가 공유되어 있는 무선통신환경을 상정한 것이 대부분이다. 따라서 종래의 수신 빔포빙 기술은 수신되는 신호에 대한 정보가 알려지지 않는 경우에는 적용되기 어렵다. 전자전(Electronic Warfare)을 수행할 때를 일예로 들면, 전자전 지원 장비(Electronic Warfare Support, ES)를 위한 수신기는 적군으로부터 송신된 신호와 같이 신호에 대한 정보 즉, 신호의 프레임 규격 등이 알려지지 않는 불특정 신호를 수신하는 것이 대부분이다. 이 경우에는 무선채널의 정보를 추정하는 것이 불가하므로 종래의 수신 빔포밍 기술을 이용하여 신호의 수신 성능을 향상시키는데 어려움이 존재한다. 종래기술에 따른 다중 안테나 시스템의 빔포밍 장치는 한국 특허 출원 번호 10-2004-0054565에 개시되어 있다.Most of the conventional reception beamforming techniques assume a wireless communication environment in which the communication standard between the transmitter and the reception period is fixed and basic radio signal information is mutually shared. Therefore, it is difficult to apply the conventional reception beamforming technique when the information on the received signal is unknown. For example, when an electronic warfare is performed, a receiver for Electronic Warfare Support (ES) receives information about a signal such as a signal transmitted from an enemy group, that is, an unspecified Most of them receive a signal. In this case, since it is impossible to estimate the information of the radio channel, there is a difficulty in improving the signal reception performance by using the conventional reception beamforming technique. A conventional beamforming apparatus for a multi-antenna system is disclosed in Korean Patent Application No. 10-2004-0054565.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 불특정 신호를 수신하는 무선 환경에서도 수신 성능을 향상시킬 수 있는 다중 안테나 시스템의 빔포밍 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a beamforming apparatus and method for a multi-antenna system capable of improving reception performance even in a wireless environment receiving an unspecified signal.

상기한 목적은 본 발명의 일 양태에 따른 (a) 복수의 안테나를 통하여 수신신호를 수신하는 단계; (b) 상기 수신신호의 공분산(Covariance Matrix)을 분해(Decomposition)하여 채널정보를 추정하고, 상기 채널정보를 기초로 상기 수신신호의 수신 빔포밍(Beamforming) 벡터를 구하는 단계; 및 (c) 상기 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 수신신호에 대한 수신 빔포밍을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 빔포밍 방법에 의하여 달성될 수 있다.According to an aspect of the present invention, the above-mentioned object can be achieved by a method comprising: (a) receiving a received signal through a plurality of antennas; (b) estimating channel information by decomposing a covariance matrix of the received signal, and obtaining a reception beamforming vector of the received signal based on the channel information; And (c) performing reception beamforming on the reception signal using the reception beamforming vector.

상기 채널정보는 상기 공분산 행렬에서 상기 수신신호의 잡음 신호 전력값을 제거한 결과를 특이값 분해(Singular Value Decomposition)를 이용하여 추정할 수 있으며, 상기 채널정보는 상기 공분산 행렬의 고유벡터(Eigenvector)로 이루어진 유니터리 행렬 Q, 상기 Q행렬을 구성하는 열벡터(Column Vector)에 대응하는 상기 공분산 행렬의 고유값(Eigenvalue)을 성분으로 갖는 대각행렬, 및 상기 Q행렬의 허미션(Hermitian) 행렬의 곱으로 이루어질 수 있다.The channel information may be estimated by removing a noise signal power value of the received signal from the covariance matrix using Singular Value Decomposition, and the channel information may be an eigenvector of the covariance matrix. A diagonal matrix having as elements a unitary matrix Q, an eigenvalue of the covariance matrix corresponding to a column vector constituting the Q matrix, and a product of a Hermitian matrix of the Q matrix ≪ / RTI >

상기 수신 빔포밍 벡터는 상기 대각행렬의 성분인 고유값들 중 상기 수신신호의 이득을 최대로 하는 고유값에 대응되는 상기 Q행렬의 고유벡터의 허미션 벡터로 결정될 수 있다.The reception beamforming vector may be determined as a hermetian vector of an eigenvector of the Q matrix corresponding to an eigenvalue that maximizes a gain of the received signal among eigenvalues that are components of the diagonal matrix.

또한, 상기한 목적은 본 발명의 또 다른 양태에 따른 복수의 안테나를 통하여 수신신호를 수신하는 수신부; 상기 수신신호의 공분산 행렬(Covariance Matrix)을 분해(Decomposition)하여 상기 수신신호의 채널정보를 추정하는 채널정보 추정부; 상기 채널정보를 기초로 상기 수신신호의 수신 빔포밍(Beamforming) 벡터를 구하는 빔포밍 벡터 산출부; 및 구해진 상기 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 수신신호에 대한 수신 빔포밍을 수행하는 빔포밍 수행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 빔포밍 장치에 의해서도 달성될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a receiver comprising: a receiver for receiving a received signal through a plurality of antennas; A channel information estimator for estimating channel information of the received signal by decomposing a covariance matrix of the received signal; A beamforming vector calculator for calculating a reception beamforming vector of the received signal based on the channel information; And a beamforming unit for performing reception beamforming with respect to the received signal using the calculated reception beamforming vector. The present invention can also be achieved by a beamforming apparatus for a multi-antenna system.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 불특정 수신신호의 채널정보를 추정하고, 이를 기초로 산출된 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 수신 빔포밍을 수행함으로써 신호의 수신감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, channel information of an unspecified received signal is estimated and reception beamforming is performed using the calculated reception beamforming vector based on the channel information, thereby improving signal reception sensitivity.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 시스템의 빔포밍 장치의 블록도;
도 2는 도 1의 빔포밍 장치에 의하여 수신 빔포밍을 수행하는 과정을 나타낸 흐름도; 및
도 3과 도 4는 종래의 단일 안테나에 의한 수신 성능과 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 방법을 적용하였을 때의 다중 안테나 수신 성능을 비교한 그래프이다.
1 is a block diagram of a beamforming apparatus of a multi-antenna system according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a flowchart illustrating a process of performing reception beamforming by the beamforming apparatus of FIG. 1; And
FIGS. 3 and 4 are graphs comparing reception performance of a conventional single antenna and multi-antenna reception performance when a beamforming method according to an embodiment of the present invention is applied.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.It is noted that the technical terms used herein are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. It is also to be understood that the technical terms used herein are to be interpreted in a sense generally understood by a person skilled in the art to which the present invention belongs, Should not be construed to mean, or be interpreted in an excessively reduced sense. Further, when a technical term used herein is an erroneous technical term that does not accurately express the spirit of the present invention, it should be understood that technical terms that can be understood by a person skilled in the art are replaced. In addition, the general terms used in the present invention should be interpreted according to a predefined or prior context, and should not be construed as being excessively reduced.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Also, the singular forms "as used herein include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the term "comprising" or "comprising" or the like should not be construed as necessarily including the various elements or steps described in the specification, Or may be further comprised of additional components or steps.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Furthermore, terms including ordinals such as first, second, etc. used in this specification can be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or similar elements throughout the several views, and redundant description thereof will be omitted.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. It is to be noted that the accompanying drawings are only for the purpose of facilitating understanding of the present invention, and should not be construed as limiting the scope of the present invention with reference to the accompanying drawings.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 시스템의 빔포밍 장치의 블록도이다. 1 is a block diagram of a beamforming apparatus in a multi-antenna system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 시스템의 빔포밍 장치는 수신부(10), 채널정보 추정부(20), 빔포밍 벡터 산출부(30), 및 빔포밍 수행부(40)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a beamforming apparatus of a multi-antenna system according to an embodiment of the present invention includes a receiver 10, a channel information estimator 20, a beamforming vector calculator 30, and a beamforming unit 40 ).

수신부(10)는 복수의 안테나를 이용하여 신호를 수신한다. 수신되는 신호는 정보가 공유된 특정 방사체로부터 송신되는 신호뿐 아니라, 불특정 방사체로부터 송신되는 신호로서, 프레임 규격, 채널정보 등 수신신호에 대한 정보가 알려지지 않은 불특정 신호라도 무방하다.The receiving unit 10 receives signals using a plurality of antennas. The received signal may be a signal transmitted from an unspecified radiator in addition to a signal transmitted from a specific radiator in which information is shared, and may be an unspecified signal in which information on a received signal such as a frame size and channel information is not known.

수신부(10)를 통하여 수신되는 수신신호의 벡터를 r이라고 할 때, r 다음의 수학식과 같이 나타낼 수 있다. 참고로 수신부(10)는 NR개의 다중 안테나를 이용하여 신호를 수신한다고 가정한다.The vector of the reception signal received through the receiving unit 10 when the called r, r is Can be expressed by the following mathematical expression. For reference, it is assumed that the receiving unit 10 receives signals using N R multiple antennas.

Figure 112013105280374-pat00001
Figure 112013105280374-pat00001

여기서, h는 방사체와 수신부(10) 사이의

Figure 112013105280374-pat00002
채널 벡터, s는 송신된 데이터 심볼, n
Figure 112013105280374-pat00003
잡음 벡터이다.Here, h is the distance between the radiator and the receiver 10
Figure 112013105280374-pat00002
Channel vector, s is the transmitted data symbol, n is
Figure 112013105280374-pat00003
It is a noise vector.

채널정보 추정부(20)는 방사체와 수신부(10) 사이에 수신신호의 프레임 규격 등의 정보가 공유되지 않은 상태에서 채널정보를 추정한다. 이때, 채널정보 추정부(20)는 수신신호의 공분산 행렬(Covariance Matrix)을 분해(Decomposition)하여 채널정보를 추정하게 된다. 채널정보의 추정과정을 수식으로 표현하면 다음과 같다.The channel information estimator 20 estimates channel information between the radiator and the receiver 10 without sharing information such as a frame size of a received signal. At this time, the channel information estimation unit 20 estimates channel information by decomposing a covariance matrix of the received signal. The process of estimating the channel information is expressed as follows.

Figure 112013105280374-pat00004
Figure 112013105280374-pat00004

여기서,

Figure 112013105280374-pat00005
은 수신신호의 공분산 행렬, Q는 공분산 행렬의 고유벡터(Eigenvector)로 이루어지는 유니터리 행렬,
Figure 112013105280374-pat00006
는 공분산 행렬의 고유값(Eigenvalue)을 성분으로 갖는 대각행렬,
Figure 112013105280374-pat00007
Q행렬의 허미션(Hermitian)행렬,
Figure 112013105280374-pat00008
은 잡음 신호의 평균전력이고,
Figure 112013105280374-pat00009
Figure 112013105280374-pat00010
단위행렬을 의미한다.here,
Figure 112013105280374-pat00005
Quot; is a covariance matrix of received signals, Q is a unitary matrix consisting of eigenvectors of a covariance matrix,
Figure 112013105280374-pat00006
A diagonal matrix having an eigenvalue of the covariance matrix as a component,
Figure 112013105280374-pat00007
Is a Hermitian matrix of the Q matrix,
Figure 112013105280374-pat00008
Is the average power of the noise signal,
Figure 112013105280374-pat00009
silver
Figure 112013105280374-pat00010
Unit matrix.

수학식 2와 같이 채널정보 추정부(20)는 공분산 행렬에서 수신신호의 잡음신호 전력값을 제거한 결과에 대하여

Figure 112013105280374-pat00011
와 같이 특이값 분해(Singular Value Decomposition: SVD) 과정을 수행하여 채널정보를 추정한다. 채널정보는 위의 수학식 2에 나타난 바와 같이
Figure 112013105280374-pat00012
로 표현될 수 있다.As shown in Equation 2, the channel information estimation unit 20 estimates the noise signal power value of the received signal in the covariance matrix,
Figure 112013105280374-pat00011
And performs a singular value decomposition (SVD) process to estimate channel information. The channel information is expressed as shown in Equation (2)
Figure 112013105280374-pat00012
. ≪ / RTI >

빔포빙 벡터 산출부(30)는 채널정보 추정부(20)를 통해 추정된 수신신호의 채널정보를 기초로 수신 빔포밍(Beamforming) 벡터를 구한다. 빔포밍 벡터 산출부(30)는 수학식 2에서 대각행렬

Figure 112013105280374-pat00013
의 성분인 고유값(
Figure 112013105280374-pat00014
)들 중 수신신호의 이득을 최대로 하는 고유값을 찾고, Q행렬의 열벡터 안에서 그 고유값에 대응되는 고유벡터(q)의 허미션 벡터인
Figure 112013105280374-pat00015
를 수신 빔포밍 벡터로 결정한다. 예컨대, 수신신호의 이득을 최대로 하는 고유값이
Figure 112013105280374-pat00016
이라면, Q행렬 중
Figure 112013105280374-pat00017
에 대응되는 고유벡터인
Figure 112013105280374-pat00018
를 수신 빔포밍 벡터로 결정한다.The beamforming vector calculator 30 calculates a beamforming vector based on the channel information of the received signal estimated through the channel information estimator 20. The beamforming vector calculator 30 calculates the beamforming vector < RTI ID = 0.0 >
Figure 112013105280374-pat00013
The eigenvalues (
Figure 112013105280374-pat00014
) Of the eigenvector ( q ) corresponding to the eigenvalue in the column vector of the Q matrix, which is a hermetian vector of the eigenvector
Figure 112013105280374-pat00015
As a reception beamforming vector. For example, when the eigenvalue that maximizes the gain of the received signal is
Figure 112013105280374-pat00016
Q matrix < RTI ID = 0.0 >
Figure 112013105280374-pat00017
Is an eigenvector corresponding to
Figure 112013105280374-pat00018
As a reception beamforming vector.

빔포밍 수행부(40)는 빔포밍 벡터 산출부(30)에서 구한 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 수신신호에 대한 수신 빔포밍을 수행한다. 수신 빔포밍 벡터를 w로 표현하고, 빔포밍 벡터 산출부(30)에서 구해진 수신 빔포밍 벡터를

Figure 112013105280374-pat00019
라 한다면, 이를 이용하여 수신 빔포밍을 수행하는 것은 다음의 수식을 이용하여 나타낼 수 있다.The beamforming unit 40 performs reception beamforming on the reception signal using the reception beamforming vector obtained by the beamforming vector calculator 30. [ The reception beamforming vector calculated by the beamforming vector calculator 30 is represented by w ,
Figure 112013105280374-pat00019
, The reception beamforming can be performed using the following equation.

Figure 112013105280374-pat00020
Figure 112013105280374-pat00020

빔포밍 수행부(40)는 위와 같이 수신 빔포밍을 수행하여 수신부(10)의 위상을 수신신호에 정합함으로써 수신 성능을 향상시킬 수 있다. The beamforming performing unit 40 may improve the reception performance by performing the reception beamforming as described above to match the phase of the reception unit 10 to the reception signal.

도 2는 도 1의 빔포밍 장치에 의하여 수신 빔포밍을 수행하는 과정을 나타낸 흐름도이다. 2 is a flowchart illustrating a process of performing reception beamforming by the beamforming apparatus of FIG.

도 2를 참조하면, 복수의 안테나를 통하여 신호를 수신한다(S10). 이때, 수신되는 신호는 프레임 규격, 채널정보 등 신호에 대한 정보가 공유되지 않은 불특정 신호라도 상관없다. Referring to FIG. 2, a signal is received through a plurality of antennas (S10). At this time, the received signal may be an unspecified signal in which information on signals such as a frame standard and channel information is not shared.

수신 빔포밍을 수행하기 위해서는 방사체와 수신기 간의 채널정보를 알아야 하므로 수신신호의 공분산 행렬(Covariance Matrix)을 분해(Decomposition)하여 채널정보를 추정한다(S11). 즉, 수학식 2에서 알 수 있듯이 공분산 행렬에서 수신신호의 잡음신호 전력값을 제거한 결과에 대하여 특이값 분해를 수행하여 채널정보를 추정한다. 이때, 추정된 채널정보는 공분산 행렬의 고유벡터(Eigenvector)로 이루어진 유니터리 행렬 Q, Q행렬을 구성하는 열벡터(Column Vector)에 대응하는 공분산 행렬의 고유값(Eigenvalue)을 성분으로 갖는 대각행렬, 및 Q행렬의 허미션(Hermitian) 행렬의 곱으로 모델링 될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다. In order to perform reception beamforming, channel information between a radiator and a receiver must be known, so channel information is estimated by decomposing a covariance matrix of a received signal (S11). That is, as shown in Equation (2), the channel information is estimated by performing singular value decomposition on the result of removing the noise signal power value of the received signal in the covariance matrix. The estimated channel information includes a unitary matrix Q made up of eigenvectors of a covariance matrix, a diagonal matrix Q having an eigenvalue Eigenvalue of a covariance matrix corresponding to a column vector forming a Q matrix, , And the Hermitian matrix of the Q matrix, as described above.

구해진 Q행렬은 수신 빔포밍 벡터의 후보들을 열벡터로 하는 행렬로서, 택일된 열벡터를 이용하여 수신 빔포밍을 수행하게 된다. 열벡터의 택일은 다음의 단계를 거쳐 이루어진다. The obtained Q matrix is a matrix having candidates of the reception beamforming vector as column vectors, and performs reception beamforming using the selected column vectors. The selection of column vectors is done through the following steps.

추정된 채널정보의 대각행렬은 공분산 행렬의 고유값(

Figure 112013105280374-pat00021
)들을 성분으로 갖는다. 이 고유값들 중 수신신호의 이득을 최대로 하는 고유값을 찾는다(S13). 이때, 수신신호의 이득을 최대로 하는 고유값은 가장 큰 값을 찾음으로 얻을 수 있다.The diagonal matrix of the estimated channel information is the eigenvalue of the covariance matrix
Figure 112013105280374-pat00021
). An eigenvalue that maximizes the gain of the received signal among the eigenvalues is searched (S13). At this time, the eigenvalue that maximizes the gain of the received signal can be obtained by finding the largest value.

대각행렬에서 고유값이 택일되면, Q행렬의 열벡터 중 선택된 고유값에 대응하는 고유벡터를 찾고, 이 고유벡터의 허미션 벡터를 수신 빔포밍 벡터로 이용하여 빔포밍을 수행함으로써 수신신호에 대한 감도를 향상시킬 수 있다(S15, S17).If eigenvalues are selected in the diagonal matrix, an eigenvector corresponding to a selected eigenvalue of the column vectors of the Q matrix is found, and beamforming is performed using the hermetian vector of the eigenvector as a reception beamforming vector, The sensitivity can be improved (S15, S17).

종래에는 전자전에서 적군의 데이터를 수신할 때와 같이 송신기와 수신기 사이에 프레임 규격 등 데이터의 정보가 공유되지 않은 경우 채널정보를 추정할 수 없어 수신 빔포밍을 수행하는데 어려움이 존재하였다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치 및 빔포밍 방법에 의하면, 위와 같이 불특정 신호를 수신하는 경우에도 공분산 행렬을 기초로 추정된 채널정보를 이용하여 빔포밍을 수행함으로써 수신감도를 향상시킬 수 있다.Conventionally, when information of data such as a frame size is not shared between a transmitter and a receiver as in the case of receiving data of an enemy group in an electronic warfare, channel information can not be estimated, and thus it is difficult to perform reception beamforming. However, according to the beamforming apparatus and the beamforming method according to the embodiment of the present invention, even when an unspecified signal is received as described above, beamforming is performed using channel information estimated based on the covariance matrix, have.

다음의 도 3 및 도 4는 종래의 단일 안테나를 이용하여 신호를 수신할 때와 신호의 수신 성능을 비교하기 위한 그래프이다. 도 3은 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio : SNR)가 0dB일 때, 도 4는 신호 대 잡음비가 비교적 높은 16dB에서 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 방법을 통한 수신 성능과 비교하기 위한 것이다. 참고로 그래프의 x축은 수신신호의 샘플 수를 의미한다.FIG. 3 and FIG. 4 are graphs for comparing the reception performance of a signal with that of a conventional single antenna. FIG. 3 is for comparing the signal-to-noise ratio (SNR) of 0 dB, and FIG. 4 is for comparing the reception performance with the beamforming method according to the embodiment of the present invention at a relatively high signal-to-noise ratio of 16 dB. Note that the x-axis of the graph represents the number of samples of the received signal.

도 3 및 도 4를 참조하면, 단일 안테나를 이용하여 신호를 수신할 때보다 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 방법을 적용하여 다중 안테나를 통해 수신할 때 최대 9dB 정도의 수신 성능 이득이 발생됨을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 3 and 4, a reception performance gain of about 9 dB is generated when receiving a signal through multiple antennas by applying a beamforming method according to an embodiment of the present invention, compared to receiving a signal using a single antenna Can be confirmed.

위의 분석결과를 통하여 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치 및 방법은 송신기와 수신기 사이에 채널정보가 공유되지 않은 상태에서도 수신 빔포밍을 수행할 수 있으므로 특히 국방분야를 비롯하여 채널정보가 공유되지 않은 무선 환경에서 활용가치가 높음을 알 수 있다.As can be seen from the above analysis results, the beamforming apparatus and method according to the embodiment of the present invention can perform reception beamforming even when channel information is not shared between a transmitter and a receiver, It can be seen that it is worth using in wireless environment where information is not shared.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

10 : 수신부 20 : 채널정보 추정보
30 : 빔포밍 벡터 산출부 40 : 빔포밍 수행부
10: Receiver 20: Channel information weight information
30: beamforming vector calculating unit 40: beamforming performing unit

Claims (8)

(a) 복수의 안테나를 통하여 수신신호를 수신하는 단계;
(b) 상기 수신신호의 공분산 행렬(Covariance Matrix)을 분해(Decomposition)하여 채널정보를 추정하고, 상기 채널정보를 기초로 상기 수신신호의 수신 빔포밍(Beamforming) 벡터를 구하는 단계; 및
(c) 상기 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 수신신호에 대한 수신 빔포밍을 수행하는 단계를 포함하며,
상기 채널정보는,
상기 공분산 행렬에서 상기 수신신호의 잡음 신호 전력값을 제거한 결과를 특이값 분해(Singular Value Decomposition)를 이용하여 추정하고,
상기 공분산 행렬의 고유벡터(Eigenvector)로 이루어진 유니터리 행렬 Q, 상기 Q행렬을 구성하는 열벡터(Column Vector)에 대응하는 상기 공분산 행렬의 고유값(Eigenvalue)을 성분으로 갖는 대각행렬, 및 상기 Q행렬의 허미션(Hermitian) 행렬의 곱으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 빔포밍 방법.
(a) receiving a received signal through a plurality of antennas;
(b) estimating channel information by decomposing a covariance matrix of the received signal, and obtaining a reception beamforming vector of the received signal based on the channel information; And
(c) performing receive beamforming on the received signal using the receive beamforming vector,
Wherein the channel information comprises:
Estimating a result of removing the noise signal power value of the received signal from the covariance matrix using Singular Value Decomposition,
A unitary matrix Q composed of eigenvectors of the covariance matrix, a diagonal matrix having as elements an eigenvalue of the covariance matrix corresponding to a column vector constituting the Q matrix, And a Hermitian matrix of the matrix.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 수신 빔포밍 벡터는 상기 대각행렬의 성분인 고유값들 중 상기 수신신호의 이득을 최대로 하는 고유값에 대응되는 상기 Q행렬의 고유벡터의 허미션 벡터로 결정되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 빔포밍 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reception beamforming vector is determined as a hermetian vector of an eigenvector of the Q matrix corresponding to an eigenvalue that maximizes a gain of the received signal among eigenvalues that are components of the diagonal matrix. / RTI >
복수의 안테나를 통하여 수신신호를 수신하는 수신부;
상기 수신신호의 공분산 행렬(Covariance Matrix)을 분해(Decomposition)하여 상기 수신신호의 채널정보를 추정하는 채널정보 추정부;
상기 채널정보를 기초로 상기 수신신호의 수신 빔포밍(Beamforming) 벡터를 구하는 빔포밍 벡터 산출부; 및
상기 구해진 상기 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 수신신호에 대한 수신 빔포밍을 수행하는 빔포밍 수행부를 포함하며,
상기 채널정보 추정부는 상기 공분산 행렬에서 상기 수신신호의 잡음 신호 전력값을 제거한 결과에 대하여 특이값 분해(Singular Value Decomposition) 과정을 수행하여 채널정보를 추정하며,
상기 채널정보 추정부에서 추정하는 채널정보는 상기 공분산 행렬의 고유벡터(Eigenvector)로 이루어진 유니터리 행렬 Q, 상기 Q행렬을 구성하는 열벡터(Column Vector)에 대응하는 상기 공분산 행렬의 고유값(Eigenvalue)을 성분으로 갖는 대각행렬, 및 상기 Q행렬의 허미션(Hermitian) 행렬의 곱으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 빔포밍 장치.
A receiver for receiving a received signal through a plurality of antennas;
A channel information estimator for estimating channel information of the received signal by decomposing a covariance matrix of the received signal;
A beamforming vector calculator for calculating a reception beamforming vector of the received signal based on the channel information; And
And a beamforming unit for performing reception beamforming on the received signal using the obtained reception beamforming vector,
Wherein the channel information estimator estimates channel information by performing a Singular Value Decomposition process on a result of removing the noise signal power value of the received signal in the covariance matrix,
The channel information estimated by the channel information estimator includes a unitary matrix Q made up of eigenvectors of the covariance matrix, an eigenvalue of the covariance matrix corresponding to a column vector constituting the Q matrix, ) And a Hermitian matrix of the Q matrix. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI >
삭제delete 삭제delete 제5항에 있어서,
상기 빔포밍 벡터 산출부는 상기 대각행렬의 성분인 고유값들 중 상기 수신신호의 이득을 최대로 하는 고유값에 대응되는 상기 Q행렬의 고유벡터의 허미션 벡터를 상기 수신 빔포밍 벡터로 산출하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 빔포밍 장치.
6. The method of claim 5,
The beamforming vector calculator calculates the hermetian vector of the eigenvector of the Q matrix corresponding to the eigenvalue that maximizes the gain of the received signal among the eigenvalues that are components of the diagonal matrix as the reception beamforming vector Wherein the beamforming system is a multi-antenna system.
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