임페리얼 칼리지 런던, LabVIEW와 NI USRP를 사용하여 방향 찾기와 빔포밍 개선

“LabVIEW 및 NI USRP 플랫폼을 사용하여 무선 위치 추정 MUSIC 알고리즘과 같은 여러 종류의 배열 처리 기술을 신속하게 프로토타이핑함으로써 연구를 보다 매우 신속하게 진행할 수 있었습니다.”

- Marc Willerton, 임페리얼 칼리지 런던, 통신 및 신호 처리 그룹

과제:

배열형 RF 프론트엔드의 고비용 및 특수한 성격으로 인해 활발하게 진행되지 못했던 신호 탐지, 방향 찾기, 위치 추정, 빔포밍, 목표 추적 어플리케이션용 배열 알고리즘을 프로토타이핑할 수 있는 더 많은 가능성을 모색합니다.

해결책:

NI LabVIEW 시스템 디자인 소프트웨어가 제공하는 신속한 실시간 프로토타이핑 기능과 NI USRP 소프트웨어 기반 무선 플랫폼이 제공하는 유연성을 활용하면 단일 원소 트랜시버를 여러 개 사용하여 완벽하게 동기화되는 배열을 설계할 수 있습니다. 이 트랜시버들은 실행동안 게인, 위상, 위치 불확실성에 대해 교정되므로 고급 배열 신호 처리 알고리즘의 성능을 평가하고 최적화할 수 있습니다.

필자:

Marc Willerton - 임페리얼 칼리지 런던, 통신 및 신호 처리 그룹
David Yates -임페리얼 칼리지 런던, 회로 및 시스템 그룹

 

재구성 가능한 안테나 배열 테스트베드의 필요성

안테나 배열은 공간 다양성 (spatial diversity) 기법을 활용하여 신호 탐지, 파라미터 추정과 수신 성능을 높여 빔포밍, 방향 탐지, 목표 위치 추정, 목표 추적, 레이더와 같은 기능의 성능을 개선합니다. 이러한 기술은 군사, 산업, 무역, 보건 등 다양한 분야에 사용됩니다. 최근 이론상으로 상당히 우수한 성능을 제공하는 새로운 배열 처리 기술이 개발되었습니다. 그러나, 통신 연구 분야의 경우 배열 RF 프론트엔드의 고비용과 특수한 성격으로 인해 실제 하드웨어를 사용하여 이러한 알고리즘을 프로토타이핑할 기회가 절대적으로 부족합니다. 이러한 이유로 촉망되는 새로운 알고리즘이 실제 시스템에 도입되지 못하는 경우가 많습니다.

 

이같은 문제를 해결하기 위해 임페리얼 칼리지 런던의 통신 및 신호 처리 그룹은 동대학의 회로 및 시스템 그룹과 협업하여, 다양한 배열 처리 아키텍처 및 알고리즘을 신속하게 프로토타이핑할 수 있는 저가의 재구성 가능한 안테나 배열 테스트베드를 개발하였습니다. 이 프로젝트는 영국 국방성 및 기술 과학 협의회의 후원을 받는 University Defense Research Centre in Signal Processing의 일환으로 진행되었습니다.

 

사용자 요구사항

다양한 어플리케이션을 위해 개발된 여러 알고리즘을 테스트하기 위해서는 주파수 대역, 대역폭, 배열 요소의 개수 등을 편리하게 재구성할 수 있는 테스트베드가 필수적이며, 각 채널은 송수신 기능을 모두 갖추고 있어야 합니다. 일반적으로 다양한 환경에서 테스트하려면 배열의 휴대성이 매우 중요하며, 무선 센서 네트워크 및 바이스태틱 MIMO 기법 등의 일부 어플리케이션의 경우, 배열식 트랜시버 채널이 넓은 공간에 배포되어야 합니다. 배열을 성공적으로 운영하기 위해서는 주파수, 위상 및 타임스탬프를 동기화해야 합니다. 또한, 대역폭이 크면 성능 향상에 도움이 됩니다. 원시 데이터를 실시간으로 처리하면 새로운 알고리즘을 신속하게 프로토타이핑하는 데에 도움이 되므로 성능을 편리하게 평가하고 개선할 수 있습니다. 우리는 주로 The MathWorks Inc. MATLAB® 소프트웨어 및 LabVIEW MathScript RT Module과 연동되는 .m 파일을 사용하여 PC 인터페이스로 알고리즘을 프로토타이핑합니다.

 

위상 정렬된 고성능의 RF 시스템은 이러한 알고리즘을 개발하는 연구원들의 예산을 넘는 고가이며 이러한 시스템은 대부분 필요한 만큼 재구성 가능하지 않습니다. 이 그룹은 과거에 Mini-Circuits 부품을 사용하는 RF 리시버를 직접 개발하여 NI PXI-5105 디지타이저와 함께 배열 테스트베드로 사용한 적이 있습니다. 그러나 그 RF 프론트엔드는 노이즈가 심했고 수신 전용이었을 뿐 아니라, 주파수 대역, 리시버 개수 및 배열 리시버 채널의 위치를 재구성할 수 없었습니다. 이와 대조적으로 NI USRP 플랫폼을 LabVIEW 소프트웨어와 함께 사용하면 앞서 말한 요구 조건을 충족하기에 충분한 시스템을 비용 효율적으로 구현할 수 있습니다. 위상 동기식 소프트웨어 정의 라디오로서, 이 솔루션은 위상 정렬을 얻기 위해 위상 보정이 필요했습니다. 따라서, 이 연구 프로젝트의 상당 부분은 위상 정렬 배열로 성공적으로 운영할 수 있도록 개별 NI USRP 보드에 필요한 동기화 및 교정 기술을 개발하는 데 초점이 맞춰졌습니다.

 

배열 테스트베드 구성

각 NI USRP 보드는 모델에 따라 50MHz~5.9GHz 주파수 범위를 커버하는 단일 요소 트랜시버입니다. 임페리얼 칼리지 런던의 배열 테스트베드는 2.4GHz의 산업, 과학, 의학용 대역을 커버하는 최대 12개의 NI USRP 라디오로 구성 (그림 1)됩니다. 각 보드에는 하나의 배열 채널이 있으며 안테나는 RX1 포트에 연결됩니다. 보드는 이더넷 스위치를 통해 PC와 연결되며, 각 보드는 공통 10MHz 클럭 기준 신호와 1PPS 신호를 제공합니다. 이는 각 보드의 로컬 오실레이터를 동일한 주파수로 맞출 수 있고 타임스탬프 동기화에도 도움을 줄 수 있다는 뜻입니다. 그러나 이것 만으로는 위상 정렬 배열 시스템을 만들 수 없습니다. 추가로, 각 무선 장치에서 10MHz 기준 클럭으로부터 로컬 오실레이터가 파생될 때 발생하는 위상 모호성이 반드시 교정되어야 합니다. 주파수 재동조 명령이 보내질 때마다 이 위상 모호성 때문에 채널 간 위상이 바뀌게 됩니다. 위상 차이가 핵심인 위상 배열 어플리케이션의 경우, 새로운 데이터가 수집될 때마다 이 문제가 반드시 보정되어야 합니다. 위상을 동기화는 공통의 2.401GHz 톤을 스플리터를 통해 배열 각 보드의 RX2 포트에 보내 수행할 수 있습니다. 이 신호는 디지털 필터를 사용하여 OTA (over-the-air) 신호에서 분리되며, 보드의 위상 모호성을 추정할 때 사용됩니다. 이러한 위상 모호성은 그 후 위상 교정으로 OTA 신호에 적용되어 동기화된 배열 시스템을 구현합니다.

 

 


테스트베드 사용 사례

소위 “초해상 방향 탐지 및 위치 추정 알고리즘”이라 불리는 여러 알고리즘이 NI 플랫폼에 기반한 테스트베드에서 구현되었습니다. 이러한 알고리즘은 이상적인 조건하에서 오류가 제로에 가깝습니다. 또한 이러한 알고리즘은 사이드 로브의 영향을 받지 않기 때문에 빔포밍을 통한 위치 추정과 비교해 개선된 성능을 제공합니다. 이는 특정 방향의 해상도를 구현하는 데 배열 내 원소 수를 크게 줄일 수 있다는 뜻입니다. 그러나 이러한 알고리즘은 배열 불확실성을 따르는 성능 저하의 영향을 크게 받기 때문에 배열 교정이 중요한 선결 과제입니다. 일반적인 배열 불확실성으로는 배열 요소와 관련된 게인, 위상 불확실성과 배열의 배치에서 발생하는 불확실성이 있습니다. 우리는 이를 보정하기 위해 파일럿 기반의 배열 교정 알고리즘을 구현했습니다. 여기서, 알려진 위치에서 전송되는 파일럿 소스의 응답은 선형 방정식의 해를 통해 배열의 불확실성을 도출합니다.

 

 


사례 A: MUSIC (MUltiple SIgnal Classification) 알고리즘

MUSIC 알고리즘은 잘 알려진 부분 공간 기반 방향 찾기 알고리즘입니다 [1]. N=4 센서가 있는 균일한 선형 배열을 생각해보십시오. 2.43GHz의 단일 소스 신호가 배열의 원거리장 32도에 위치하며, 이 때 위치는 MUSIC 알고리즘을 사용하여 추정되어야 합니다. 그리고, L=100 스냅샷의 데이터가 무반향실에서 신호 대 노이즈비 (SNR)=X dB로 배열로부터 수집됩니다. 파일럿 소스는 배열 원거리장의 105도에 위치하여 게인과 및 위상 교정을 수행합니다. 그 후 방향 찾기가 수행되고 그림 2와 같은 결과가 나타납니다. 교정 과정 후, 방향 찾기 알고리즘의 성능은 실제 소스 방향에서 2도 이내입니다.

 

 

 

 

사례 B: 대형 개구면 배열 위치 추정 알고리즘

MUSIC 알고리즘과 같은 방향 탐지 알고리즘은 소형의 개구면 배열을 사용하여 전송 신호 소스의 방향을 추정합니다. 따라서 신호 소스의 위치를 추정하기 위해 여러 개의 배열 장치가 필요합니다. 이와 반대로, 우리는 대형의 개구면 배열 방식 즉, 하나의 배열에 여러 요소를 장거리에 걸쳐 배치하는 알고리즘[2]을 사용하였습니다. 이러한 큰 개구면은 NI USRP 플랫폼 기반 배열 테스트 베드의 유연성을 활용할 수 있도록 합니다.

 


그림 3과 같은 배치를 갖는 N=4 센서의 넓은 개구면 배열을 생각해 보십시오. 2.43GHz에서 작동하는 소스는 위치가 아직 결정되지 않은 배열 원소 사이에 놓일 것입니다. 이 경우도 마찬가지로, L=100 스냅샷 데이터가 SNR=35.14 dB 조건의 무반향실에서 배열로부터 수집됩니다. 파일럿 소스가 필드에 배치되어 배열의 게인과 위상 불확실성을 추정합니다. 그림 4는 교정 후의 결과를 보여줍니다. 시스템은 대략 6cm의 낮은 위치 측정 에러를 얻을 수 있습니다. 이 작업과 관련된 보다 실용적인 결과는 무선 혁신 포럼 커뮤니케이션 기술 및 소프트웨어 정의 라디오 (SDR’11-WInnComm) 컨퍼런스에서 공개된 “Experimental Characterization of a Large Aperture Array Localization Technique Using an SDR Testbench” 논문에서 확인할 수 있습니다 [3].

 

향후 계획

LabVIEW와 NI USRP 플랫폼은 임페리얼 칼리지 런던에서 개발한 알고리즘을 신속하게 프로토타이핑할 수 있는 저비용의 재구성 가능 안테나 배열 테스트베드를 제공합니다. 지금까지 이 테스트베드를 통한 결과는 고무적이며, 앞으로도 임페리얼 칼리지 런던에서 개발된 더욱 정교한 배열 교정 절차에 테스트베드를 사용하여 심층적인 연구를 진행할 수 있기를 기대합니다. 안테나와 안테나 배치의 비일관성을 교정하게 되면 시스템의 성능이 더 개선될 것으로 전망합니다. 앞으로는 이 알고리즘과 배열을 이용하여 전송하는 알고리즘들을 포함하는 기타 배열 처리 알고리즘을 검토할 것입니다.

 

MATLAB®은 The MathWorks, Inc.의 등록 상표입니다.

 

참조 문헌

  1. 1]    Schmidt, R., “Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 34, pp. 276-280, Mar. 1986.
  2. 2]    Manikas, A., Y.I. Kamil, and M. Willerton, “Source Localization using Large Aperture Sparse Arrays,” IEEE Transactions on Signal Processing, 2012, to appear.
  3. 3]    Willerton, M., D. Yates, V. Goverdovsky, and C. Papavassiliou, “Experimental Characterization of a Large Aperture Array Localization Technique Using an SDR Testbench,” Wireless Innovation Forum Conference on Communications Technologies and Software Defined Radio (SDR’11-WInnComm), 2011.

 

저자 정보:

David Yates
회로 및 시스템 그룹
임페리얼 칼리지 런던
E-메일: david.yates@imperial.ac.uk

 

저자 정보:

Marc Willerton
임페리얼 칼리지 런던, 통신 및 신호 처리 그룹
marc.willerton05@imperial.ac.uk

그림 1. 이 예는 4개의 안테나와 NI USRP 보드로 이루어진 배열 테스트벤치 구성을 보여줍니다.
그림 2. 이 그래프는 32도의 소스 신호에 대해 파일럿 기반 게인 및 위상 교정을 실시하고 MUSIC 알고리즘을 수행한 결과와 교정 전 결과를 보여줍니다. L=100 스냅샷, SNR=X dB.
그림 3. 이 그래프는 알 수 없는 송신기 위치에 대한 교정 후 대형 개구면 배열 위치 추정을 실시한 결과를 나타냅니다. L=100 스냅샷, SNR=35.14 dB.