KR100941697B1 - Apparatus and method for estimating location of single source in uniform circular array - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 균일 원 배열(Uniform Circular Array) 센서의 중앙 대칭성(Centrosymmetry)과 음원의 비순환성(Noncircularity)을 이용하여 음원 신호의 위치를 추정하는 균일 원 배열 센서에서 단일 음원 신호의 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로 이동통신 서비스의 욕구가 점차 다양해지면서 그 수요도 크게 늘어남에 따라 기존의 기술만으로는 증대되는 고성능, 고용량의 필요를 충족시키기는 점차 어려워지고 있다. 그 외에도 여러 패킷 및 영상 신호 전송을 위한 고성능 데이터 및 영상 서비스 시스템에 대한 필요도 크게 부각되고 있는 것이 현 실정이어서, 향후 이동통신시스템은 기존의 셀룰러 및 개인휴대통신과 비교할 때 고품질에 훨씬 높은 용량을 필요로 하는 멀티미디어 통신서비스가 될 것이며, 음질조차도 유선 통화음질 정도나 그 이상의 고품질 음성 서비스를 요구받게 된다. 이러한 간섭신호 및 채널 특성에 의한 성능 열화 현상에 대한 해결책으로 상용화 개발가치가 가장 높은 유망 핵심기술로 평가되어지고 있는 것이 스마트 안테나 기술이다. 기존의 두 개 디버시티 안테나를 사용하여 다중경로 신호를 결합하는 경우와는 달리 스마트 안테나 기술은 안테나 배열과 첨단 고성능 디지털 신호처리 기술을 이용하여 RF 신호환경의 변화에 따른 적응적 안테나 빔 패턴 제어에 의해 송, 수신 성능 및 용량의 극대화를 가능케 하는 첨단 신호처리 및 안테나 기술이다. 즉, 전 방향으로 방사 빔을 형성하는 대신 해당 가입자에게만 지향성의 빔을 방사함으로써 섹터에서 활동하고 있는 전 가입자에게 신호간섭 효과를 최소화함으로써 통신품질과 시스템 채널용량을 그 만큼 높일 수 있는 기술이다In general, as the needs of mobile communication services are diversified, the demands are greatly increased, making it difficult to meet the needs of high performance and high capacity, which are only increased by existing technologies. In addition, the need for high-performance data and video service systems for the transmission of multiple packets and video signals has been highlighted. As a result, future mobile communication systems will have higher quality and much higher capacities than conventional cellular and personal cellular communications. It will be the multimedia communication service that is needed, and even the sound quality will be required for the high quality voice service of the wire call quality or more. As a solution to the performance degradation caused by the interference signal and the channel characteristics, the smart antenna technology has been evaluated as a promising core technology with the highest commercial development value. Unlike the case of combining multipath signals using two conventional diversity antennas, smart antenna technology uses an antenna array and advanced high-performance digital signal processing technology to control the adaptive antenna beam pattern according to the change of RF signal environment. Advanced signal processing and antenna technology enables maximum transmission and reception performance and capacity. In other words, instead of forming a radiation beam in all directions, by radiating a directional beam only to the subscriber, it is possible to increase the communication quality and system channel capacity by minimizing the signal interference effect to all subscribers operating in the sector.
이러한 스마트 안테나는 안테나 배열 크기에 따라 기지국 및/또는 단말기에 위치할 수 있다. 스마트 안테나가 기지국에 위치할 경우, 상향 링크에서 적응적으로 원하는 방향으로부터 수신하고 하향 링크에서는 적응적으로 원하는 방향으로 송신하도록 하여 원하는 사용자에게 안테나 이득과 다양성 이득을 증가시키는 동시에 상향 링크에서 다른 방향으로부터 수신되는 간섭 신호나 하향 링크에서 다른 방향으로 송신되는 간섭 신호를 줄일 수 있다. 이렇게 스마트 안테나를 사용하면, 더 많은 사용자를 수용할 수 있으며 그에 따라 시스템 용량을 늘릴 수 있다. 이러한 스마트 안테나의 구성 중에는 안테나 배열(Antenna Array)이 있다.Such a smart antenna may be located in the base station and / or the terminal according to the antenna array size. When the smart antenna is located in the base station, it is adaptively received in the uplink on the uplink and adaptively transmitted in the downlink on the downlink, thereby increasing antenna gain and diversity gain to the desired user, while simultaneously increasing the antenna gain and diversity gain on the uplink. The interference signal received or the interference signal transmitted in the other direction in the downlink can be reduced. This smart antenna can accommodate more users and increase system capacity accordingly. Among the smart antennas, there is an antenna array.
안테나 배열은 다수의 안테나로 구성되며, 원하는 안테나 빔 패턴을 생성하는데, 안테나 수가 증가할수록 빔 패턴이 좁아져서 성능이 증가하지만 시스템의 복잡도를 고려하여 보통 4~12개가 사용된다. 안테나 빔 패턴에 따라 균일 선 배열(Uniform Linear Array) 센서 및 균일 원 배열(Uniform Circular Array) 센서 등 이 있다. The antenna array is composed of a plurality of antennas, and generates the desired antenna beam pattern. As the number of antennas increases, the beam pattern is narrowed and the performance increases, but 4 to 12 are usually used in consideration of the system complexity. According to the antenna beam pattern, there are a uniform linear array sensor and a uniform circular array sensor.
종래 균일 원 배열 센서에 신호가 입사되는 경우, 음원의 위치를 추정하는 과정을 설명하면 다음과 같다.When a signal is incident on the conventional uniform circle array sensor, a process of estimating the position of the sound source will be described.
M+1개의 센서로 이루어진 반지름 R인 균일 원 배열센서는 원주상에 M개의 센서가 일정한 간격으로 형성되어 있으며, 원 중앙에도 1개의 센서가 구비되어 있다. 이러한 균일 원 배열 센서에 음원으로부터 신호가 입사되면, m번째 센서에서의 n번째 시간에 수신되는 신호는 아래 <수학식 1>로 표현된다.In the uniform circle array sensor having a radius R composed of M + 1 sensors, M sensors are formed at regular intervals on the circumference, and one sensor is provided at the center of the circle. When a signal is input from the sound source to the uniform circle array sensor, the signal received at the nth time in the mth sensor is expressed by
상기 <수학식 1>에서 s(n)은 BPSK(Binary Phase Shift Keying), ASK(Amplitude Shift Keying), AM(Amplitude Modulation) 변조, PAM(Pulse Amplitude Modulation) 변조 신호등과 같이 비순환성 신호이다. 이러한 s(n)은 일반적으로 상관관계(Correlation)와 공액 상관관계(Conjugate Correlation)가 각각 
그리고, 상기 <수학식 1>을 벡터 형태로 표현하면 아래 <수학식 2>로 표현된다.When
상기 <수학식 2>에서 T는 벡터의 전치연산(Transpose)이다. 그리고, x(n)은 공분산 행렬(Covariance Matrix)과 고유치분해(Eigendecomposition)는 아래 <수학식 3>과 같이 표현된다.In
상기 <수학식 3>에서 
상기 <수학식 4>에서 
상기 <수학식 5>에서 
그런데, 종래 3차원 MUSIC등과 같이 탐색 기반의 음원 위치 추정 기법은 최적의 성능을 제공하지만, 탐색격자 설정기준의 모호하고, 입사된 음원의 방위각, 고각, 거리를 함께 구하기 때문에, 3차원 탐색에 따른 고연산량이 요구되는 문제점이 있다.However, the search-based sound source position estimation method, like the conventional three-dimensional MUSIC, provides the best performance, but since the search lattice criteria are ambiguous, and the azimuth, elevation, and distance of the incident sound source are obtained together, There is a problem that a high amount of computation is required.
본 발명은 상술한 종래 문제점을 해결하기 위해서 착안된 것으로서, 상기한 바를 달성하기 위한 본 발명은 균일 원 배열 장치의 중앙 대칭성과 음원의 비순환성을 결합하여, 3차원 탐색이 필요 없는 저연산량의 간단한 처리 구조를 가지는 균일 원 배열 센서에서 음원 위치 추정 장치 및 방법을 제공한다.The present invention has been conceived to solve the above-mentioned conventional problems, and the present invention for achieving the above-described simple combination of the central symmetry of the uniform circle arrangement device and the acyclic nature of the sound source, so that a simple calculation of a low calculation amount without the need for three-dimensional search Provided are a sound source position estimation apparatus and method in a uniform circle array sensor having a processing structure.
상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 균일 원 배열 센서에서 음원 신호의 위치 추정 방법에 있어서, 음원 신호가 입사되면, 상기 원 배열에서 대칭관계에 있는 센서간의 상관 관계를 추정하여 상기 입사된 음원 신호의 입사각을 계산하는 제 1 과정과, 상기 대칭관계에 있는 센서간의 공액 상관관계를 추정하여 상기 입사된 음원 신호의 입사각 및 거리를 계산하는 제2 과정과, 상기 제1 과정에서 계산된 입사각 및 제2 과정에서 계산된 입사각 및 거리를 이용하여, 상기 입사된 음원 신호의 거리를 계산하는 과정과, 상기 계산된 거리를 이용하여 상기 입사된 음원 신호의 위치를 추정하는 과정을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of estimating a position of a sound source signal in a uniform circle array sensor. When a sound source signal is incident, the correlation between the sensors having a symmetric relationship in the circle array is estimated. A first process of calculating an angle of incidence, a second process of estimating the angle of incidence and distance of the incident sound source signal by estimating a conjugate relationship between the symmetrical sensors, and the angle of incidence and the second computed in the first process Comprising a step of calculating the distance of the incident sound source signal using the incident angle and the distance calculated in the process, and estimating the position of the incident sound source signal using the calculated distance.
또한, 상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 원 배열(Uniform Circular Array) 센서에서 음원 신호의 위치 추정 장치에 있어서, 음원 신호가 입사되면, 상기 균일 원 배열에서 대칭관계에 있는 센서간의 상관 관계를 추정하여 상기 입사된 음원 신호의 제1 입사각을 계산하고, 상기 대칭관계에 있는 센서간의 공액 상관관계를 추정하여 상기 입사된 음원 신호의 제2 입사각 및 거리를 계산하고, 상기 계산된 제 1 및 제 2입사각과 상기 거리를 이용하여 상기 입사된 음원 신호의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 음원 신호의 위치 추정 장치를 포함한다. In addition, the present invention for achieving the above-mentioned in the apparatus for estimating the position of the sound source signal in a uniform circular array sensor, when the sound source signal is incident, the correlation between the sensors in the symmetrical relationship in the uniform circle array is estimated The first incident angle of the incident sound source signal is calculated, the conjugate angle between the sensors in the symmetric relationship is estimated, the second incident angle and distance of the incident sound source signal are calculated, and the calculated first and second And an apparatus for estimating the distance of the incident sound source signal using the incident angle and the distance.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 균일 원 배열 장치는 입사된 음원 신호의 2차원 입사각(방위각과 고각)을 먼저 구하고, 입사된 음원 신호의 거리를 분리하여 계산함으로써 3차원 MUSIC에 비해 구조가 간단하며, 적은 연산량으로 음원의 위치 추정할 수 있는 효과가 있다.As described above, the uniform circle array device according to the present invention obtains a two-dimensional incidence angle (azimuth and elevation) of the incident sound source signal first, and calculates by separating the distance of the incident sound source signal, which is simpler than the three-dimensional MUSIC. In addition, there is an effect that can estimate the position of the sound source with a small amount of calculation.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리 를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operating principle of the preferred embodiment of the present invention. In the following description of the present invention, detailed descriptions of well-known functions or configurations will be omitted if it is determined that the detailed description of the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to a user, a user's intention or custom. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 균일 원 배열과 음원의 기하학적 구조를 나타낸 예시도이다.1 is an exemplary view showing a uniform circle arrangement and the geometry of the sound source according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, M+1개의 센서로 이루어진 반지름 R인 균일 원 배열센서는 x, y, z축의 3차원 기하학적인 구조이며, 반지름이 R인 원주상에 M개의 센서가 일정한 간격으로 형성되어 있으며, 원 중앙에도 1개의 센서가 구비되어 있다. 이러한, M+1개의 센서 중 각각은 원점을 기준으로 서로 대칭적으로 형성되어 있다. 이러한, 반지름이 R인 균일 원 배열 센서에 음원으로부터 신호가 입사되면, 각각의 센서들의 상관 관계와 공액 상관 관계는 아래 <수학식 6>과 <수학식 7>을 통해 구한다.As shown, the uniform circle array sensor of radius R consisting of M + 1 sensor is a three-dimensional geometric structure of the x, y, z axis, M sensors are formed at regular intervals on the circumference of radius R, One sensor is also provided in the center of the circle. Each of the M + 1 sensors is formed symmetrically with respect to the origin. When a signal is input from the sound source to the uniform circular array sensor having a radius of R, the correlations and conjugate correlations of the respective sensors are obtained through Equations 6 and 7 below.
상기 <수학식 6>에서 *는 공액 연산자(Conjugate)이다.In Equation 6, * is a conjugate operator (Conjugate).
상기 상관 관계라 함은 대칭관계에 있는 센서에 입사되는 음원 신호의 닮은 비를 의미하는 것이다. 예를 들어, M=12인 경우 도 1에서 2번째 센서의 대칭 센서는 8번째 센서이며, 이들 2번째와 8번째 대칭관계라 함은 2번째 센서에서 수신되는 신호와 8번째 센서에서 수신되는 신호가 얼마나 닮아 있는지를 나타내는 닮은 비를 말한다. 그리고, 상기 <수학식 6> 및 <수학식 7>을 이용하여 입사된 신호의 입사각과 음원의 거리를 구할 수 있으며, 이하, <수학식 6>을 이용하여 2차원 입사각을 추정하는 과정을 설명하면 다음과 같다.The correlation means a similar ratio of sound source signals incident on a symmetrical sensor. For example, in the case of M = 12, the symmetric sensor of the second sensor in FIG. 1 is the eighth sensor, and the second and eighth symmetry relationships are the signals received from the second sensor and the signals received from the eighth sensor. Resembles a rain that represents how much resemblance is. Then, the angle of incidence of the incident signal and the distance of the sound source can be obtained using Equations 6 and 7, and a process of estimating a two-dimensional angle of incidence using Equation 6 will now be described. Is as follows.
균일 원배열센서의 중앙 대칭성 
상기 <수학식 8>에서 
이하, 본 발명의 실시예에 따른 2차원 입사각을 추정하는 기법과 음원의 거리를 추정하는 기법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a technique for estimating a two-dimensional incident angle and a technique for estimating a distance of a sound source according to an embodiment of the present invention will be described.
1. 본 발명의 실시예에 따른 2차원 입사각 추정 기법1. Two-dimensional incident angle estimation technique according to an embodiment of the present invention
<수학식 8>에서 
이때, 
상기 <수학식 11>에서 
상기 <수학식 11>을 이용하여 최소자승법을 이용하여 b의 해를 구하면 아래 <수학식 12>로 표현된다.The solution of b using the least square method using Equation 11 is expressed by Equation 12 below.
상기 <수학식 12>를 통해서 
상기 <수학식 14>에서 
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 균일 원 배열 센서의 2차원 입사각은 상술한 <수학식 6> 및 <수학식 10> ~ <수학식 13>을 통해 구할 수 있다.As described above, the two-dimensional incidence angle of the uniform circular array sensor according to the present invention can be obtained through the above-described Equation 6 and
2. 본 발명의 실시예에 따른 거리 추정 기법2. Distance Estimation Technique According to an Embodiment of the Present Invention
본 발명의 실시예에 따른 균일 원 배열 센서에서 입사된 음원의 거리는 상기 <수학식 7>을 이용한다. The distance of the sound source incident from the uniform circle array sensor according to the embodiment of the present invention uses Equation (7).
음원의 거리 추정은 2차원 입사각 추정에서와 같이 최소 자승법을 통한 접근법을 이용할 수 있지만, 상기 <수학식 7>에서 
즉, 음원의 초기 위상의 추정은 균일 원 배열 센서 중심에 위치한 기준 센서 
따라서, 음원 신호의 초기 위상이 보상된 공액 상관관계 
상기 <수학식 16>을 벡터 형태로 표현하면 아래 <수학식 17>과 같이 표현할 수 있다.If Equation 16 is expressed in a vector form, it may be expressed as Equation 17 below.
상기 <수학식 17>에서 
상기 <수학식 17>을 이용하여 최소자승법의 해를 구하면 아래 <수학식 18>과 같다.Using the equation (17), the solution of the least squares method is shown in Equation (18) below.
최종적으로 입사하는 음원의 거리는 아래 <수학식 19>를 통해 구할 수 있다.The distance of the last incident sound source can be obtained through Equation 19 below.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환형배열센서에서 단일 음원의 3차원 위치 추정 방법을 나타낸 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a three-dimensional position estimation method of a single sound source in an annular array sensor according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 균일 원 배열 센서에서 단일 음원의 3차원 위치 추정 방법은 균일 원 배열 센서에 음원 신호가 입사되면, 대칭관계에 있는 센서간의 상관관계를 추정한다(S212). 즉, 반지름이 R인 균일 원 배열 센서의 둘레에 구비된 임의의 센서와 대칭관계에 있는 센서의 상관관계를 추정한다. 상기 추정된 상관관계를 통해서, 입사된 음원 신호의 2차원 입사각을 파악할 수 있다. 그리고, 대칭 관계에 있는 센서간의 공액 상관관계를 추정한다(S214). 상기 과정(S212)에서 상관 관계가 추정된 두 센서의 공액 상관관계를 추정함으로써, 상기 입사된 음원 신호의 2차원 입사각과 거리를 추정한다. 상기 추정된 상관관계 값에서 상기 입사된 음원 신호의 2차원 입사각을 추정한다(S216). 그리고, 추정된 공액 상관관계 값에서 입사된 음원 신호의 2차원 입사각 및 거리를 추정한다(S218). 상기 218과정(S218)에서 추정된 값들을 연산하여 입사된 음원 신호의 거리를 계산한다(S220). 그리고, 상기 216과정(S216)에서 추정된 입사각과 상기 220과정(S220)에서 계산된 거리를 이용하여 입사된 음원 신호의 위치를 추정한다.As shown, in the method of estimating a three-dimensional position of a single sound source in the uniform circle array sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, when a sound source signal is incident on the uniform circle array sensor, the correlation between the sensors having a symmetric relationship is estimated (S212). ). That is, the correlation of the sensor which is symmetrical with the arbitrary sensor provided in the periphery of the uniform circular array sensor whose radius is R is estimated. Through the estimated correlation, the 2D incident angle of the incident sound source signal may be detected. The conjugate correlation between the sensors in the symmetrical relationship is estimated (S214). By estimating the conjugate correlation of two sensors whose correlation is estimated in step S212, the two-dimensional incidence angle and distance of the incident sound source signal are estimated. A two-dimensional incident angle of the incident sound source signal is estimated from the estimated correlation value (S216). Then, the 2D incidence angle and distance of the sound source signal incident on the estimated conjugate correlation value are estimated (S218). The distances of the incident sound source signals are calculated by calculating the values estimated in step 218 (S220). Then, the position of the incident sound source signal is estimated using the incident angle estimated in step 216 (S216) and the distance calculated in step 220 (S220).
그런데, 상기 과정(S218)에서 입사된 음원 신호의 2차원 입사각 및 거리 외에 추정된 값에는 상기 입사된 음원 신호의 초기 위상값이 포함될 수 있다. 입사된 음원 신호의 초기 위상값이 포함되면, 균일 원 배열 센서의 중심에 위치한 기준 센서 
도 3a, 3b, 3c 및 3d는 본 발명의 실시예에 따른 균일 원 배열 센서에서 단일 음원의 3차원 위치 추정 방법과 3차원 MUSIC의 신호대 잡음비에 대한 RMSE(Root Mean Squared Error)를 비교한 예시도이다.3A, 3B, 3C, and 3D are exemplary diagrams comparing a root mean squared error (RMSE) with respect to a signal-to-noise ratio of a three-dimensional MUSIC and a three-dimensional position estimation method of a single sound source in a uniform circle array sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. to be.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 균일 원 배열 센서에서 단일 음워의 3차원 위치 추정 방법의 성능을 알아보기 위해 벤치마크인 3차원 MUSIC의 음원 위치 추정 결과를 비교하였다. 균일 원 배열 센서는 M=12이고, 반지름이 이웃한 두 센서간의 간격이 음원 신호의 반파장에 해당하는 
따라서, 본 발명에 따른 음원의 3차원 위치 추정 방법은 상관관계와 공액상관관계 수행에 복소곱셈 (M+1)N과 복소덧셈(M+1)(N-1)의 연산량이 필요하며, 최소자승법 수행에 O(M)의 연산량이 필요하다. 반면에, 3차원 MUSIC은 공분산행렬 계산에 복소곱셈 
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 균일 원 배열과 음원의 기하학적 구조를 나타낸 예시도.1 is an exemplary view showing a uniform circle arrangement and the geometry of the sound source according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환형배열센서에서 단일 음원의 3차원 위치 추정 방법을 나타낸 순서도.Figure 2 is a flow chart showing a three-dimensional position estimation method of a single sound source in the annular array sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3a, 3b, 3c 및 3d는 본 발명의 실시예에 따른 균일 원 배열 센서에서 단일 음원의 3차원 위치 추정 방법과 3차원 MUSIC의 신호대 잡음비에 대한 RMSE를 비교한 예시도.3A, 3B, 3C, and 3D are exemplary diagrams comparing the RMSE of the signal-to-noise ratio of the three-dimensional MUSIC and the three-dimensional position estimation method of a single sound source in a uniform circle array sensor according to an embodiment of the present invention.
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