KR101883557B1 - 영상정보용 데이터링크 통신장비의 프리앰블 시작점 판단 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영상정보용 데이터링크 통신장비를 통해 수신되는 수신신호와 기준신호 저장기에 저장된 프리앰블(preamble) 기준신호로부터 최대 상관값을 검출하여 프리앰블 시작점을 판단하되, 상기 프리앰블 기준신호의 길이를 원 프리앰블 신호 길이의 두 배로 증가시킨 것을 특징으로 하는 영상정보용 데이터링크 통신장비의 프리앰블 시작점 판단 장치로서, 본 발명에 의하면, 영상정보용 데이터링크 통신장비의 프레임 구조에서 프리앰블의 길이를 증가시키지 않고도 프리앰블의 시작점을 정확하게 판단하는 확률을 증가시킬 수가 있다.

Description

영상정보용 데이터링크 통신장비의 프리앰블 시작점 판단 장치{APPARATUS FOR DETECTING PREAMBLE OF MULTI-PLATFORM IMAGE AND INTELLIGENCE DATA LINK}

본 발명은 유인 또는 무인의 감시정찰 플랫폼의 영상 및 신호탐지 센서가 획득한 영상(image) 데이터와 신호(intelligence) 데이터를 장거리에 떨어진 지상 통신장비에 송신하는 영상정보용 데이터링크 통신시스템의 데이터를 구성하는 프레임 구조에서 프리앰블의 시작점을 판단하는 장치 및 판단 방법에 관한 것이다.

미래전에서는 정보의 중요성이 더욱 부각되고 있으며, 정보의 수집 및 전파, 정확한 지휘결심 및 전파, 기동타격체계의 통제 등으로 이어지는 지휘통제의 전 과정을 유기적으로 연결하여, 그 성능을 극대화시키는 것이 네트워크 중심전(NCW, Net-Centric Warfare)의 개념이다.

NCW 실현을 위해서 개발중인 여러 체계 중 주목받고 있는 것이 무인기(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)이다.

무인기는 감시정찰, 고정밀 타격, 그리고 전투피해평가 기능 등을 수행하며, 전술적인 상황인식이 가능하게 한다.

무인기가 이러한 임무를 수행하기 위해서는 비행체의 상태정보, 비행체의 조종통제정보, 그리고 임무 탑재체가 획득한 정보의 정확한 전달이 요구된다.

이러한 정보를 전송하기 위한 비행체와 지상체 간의 제반 통신을 데이터링크(Data Link)라 하며, NCW 구현에 있어서 가장 핵심적인 요소이다.

즉, 영상정보용 데이터링크는 유인 또는 무인의 감시정찰 비행체가 찍은 영상 데이터를 수십 ~ 수백km의 장거리에 떨어진 지상 통신장비로 송신하는 무선 통신시스템이다.

영상정보용 데이터링크는 무선 채널로 수십 ~ 수백Mbps의 고속 데이터를 전송함에 있어 송, 수신기 간에 주파수 및 클럭 동기를 획득하기 용이하도록 하기 위해 송, 수신기 상호 간에 약속된 신호인 프리앰블(Preamble)을 임의의 신호인 일반 데이터 사이에 삽입하여 전송한다.

도 1은 일반적인 고속으로 전송되는 영상정보용 데이터링크의 프레임 구조를 나타내며, 프레임(Frame)은 송, 수신기 간에 약속된 신호인 프리앰블과 비행체에 탑재된 페이로드 등에서 생성한 임의의 사용자 데이터로 구성된다.

영상정보용 데이터링크의 수신기는 무선으로 전송된 전체 프레임 신호를 수신한 후 가장 먼저 프레임 내에서 프리앰블이 시작되는 위치를 검출하게 된다.

프리앰블은 신호 자체로도 수신기가 필요한 동기(synchronization)정보를 획득하기 용이하게 하며, 송, 수신기 간의 물리계층에서 교환해야 할 정보를 포함하고 있다.

또한 프리앰블이 끝나는 지점부터 사용자의 일반 데이터가 시작되므로 수신기는 프리앰블의 위치를 정확하게 판단해야만 한다.

도 2는 영상정보용 데이터링크에서 프리앰블의 위치를 찾기 위해 일반적으로 사용하는 최대 상관(Correlation) 검출기의 구조를 나타낸다.

수신기의 최대 상관 검출기는 약속된 프리앰블을 저장하고, 수신되는 프레임 신호를 이동하면서 저장된 기준 프리앰블과 상관도를 측정하기 위한 구성으로 이루어진다.

도 3 및 도 4는 최대 상관 검출기가 두 개의 프레임 시간 동안 신호를 수신하여 저장된 기준 프리앰블과의 상관도를 측정한 예시를 나타내며, 최대 상관 검출기는 각 프레임 구간 내에서 상관도가 최대인 지점을 프리앰블이 수신되는 시작점으로 판단한다.

도 5는 최대 상관 검출기에서 기준 신호인 프리앰블의 길이에 따른 프리앰블의 시작점을 정확하게 찾을 확률을 분선한 결과를 예시한 것이다.

최대 상관 검출기가 프리앰블의 시작점을 정확하게 판단하는 확률은 수신되는 잡음 및 간섭신호가 클수록 떨어지며, 영상정보용 데이터링크 통신장비 측면에서는 프리앰블의 길이가 증가할수록 정확하게 판단할 확률이 증가한다.

영상정보용 데이터링크에서 정의하는 전송속도는 프레임 구조에서 사용자 데이터에 해당하는 부분이며, 프리앰블은 송, 수신기 간에 약속된 정보량이 없는 신호다.

반면, 프리앰블도 무선 채널로 전송하기 위해서는 프리앰블 데이터 량에 해당하는 대역폭을 소모하기 때문에 프리앰블의 길이가 증가하면 전체 영상정보용 데이터링크 통신장비의 데이터 전송효율이 떨어지게 된다.

프리앰블 길이 증가에 맞추어 데이터 길이를 증가시켜 전송효율을 유지할 수도 있으나 그 경우에는 프리앰블의 발생 주기가 증가하여 프리앰블을 이용하는 부분의 수신기 성능이 떨어지는 문제가 있다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 영상정보용 데이터링크 통신장비의 프레임 구조에서 프리앰블의 길이를 증가시키지 않고도 프리앰블의 시작점을 정확하게 판단하는 확률을 증가시킬 수 있는 프리앰블 시작점 판단 장치 및 판단 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 영상정보용 데이터링크 통신장비의 프리앰블 시작점 판단 장치는, 영상정보용 데이터링크 통신장비를 통해 수신되는 수신신호와 기준신호 저장기에 저장된 프리앰블(preamble) 기준신호로부터 최대 상관값을 검출하여 프리앰블 시작점을 판단하되, 상기 프리앰블 기준신호의 길이를 원 프리앰블 신호 길이의 두 배로 증가시킨 것을 특징으로 한다.

그리고, 수신기로부터 프레임의 전송속도의 2배에 해당하는 속도로 수신된 신호를 AD 변환기에서 샘플링하고, 상기 샘플링된 신호를 정합필터(Matched Filter)에 의해 필터링하며, 최대 상관 검출기에 입력될 필터링된 수신신호를 수신신호 저장기에 의해 저장하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기준신호 저장기에 저장된 프리앰블을 원 프리앰블 전송속도의 두 배로 오버 샘플링하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 오버 샘플링된 프리앰블을 송신필터 및 수신필터를 포함하는 통합 필터를 통해 필터링하는 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 영상정보용 데이터링크 통신장비의 프리앰블 시작점 판단 방법은, 영상정보용 데이터링크 통신장비를 통해 수신신호를 수신하고, 프리앰블을 원 프리앰블 전송속도의 두 배로 오버 샘플링하여 프리앰블 기준신호의 길이를 두 배로 증가시킨 기준신호에 의해 최대 상관값을 검출하여, 프리앰블 시작점을 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 영상정보용 데이터링크 통신장비의 프리앰블 시작점 판단 장치 및 판단 방법에 의하면, 영상정보용 데이터링크 통신장비의 프레임 구조에서 프리앰블의 길이를 증가시키지 않기 때문에, 데이터의 전송효율을 유지한 상태에서 상관값 계산을 위한 기준신호의 길이를 두 배로 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 프리앰블의 시작점을 정확하게 찾을 수 있는 확률을 증가시키고, 그에 따라 영상정보용 데이터링크의 데이터 전송 효율을 증가시킬 수 있으며, 결국 정보전에 크게 기여할 수가 있다.

도 1은 영상정보용 데이터링크 프레임의 구조를 예시한 것이다.
도 2는 기존의 최대 상관 검출기의 구조를 개념적으로 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 기존의 최대 상관 검출기가 두 개의 프레임 시간 동안 신호를 수신하여 저장된 기준 프리앰블과의 상관도를 측정한 예시이다.
도 5는 기존의 최대 상관 검출기에서 기준 신호인 프리앰블의 길이에 따른 프리앰블의 시작점을 정확하게 찾을 확률을 분석한 예시이다.
도 6은 본 발명에 의한 최대 상관 검출기가 상관값을 계산하기 위해 수신기에 저장하는 기준신호를 기존 기준신호와 비교한 것이다.
도 7은 본 발명에 의한 최대 상관값 계산에 사용하는 기준신호 길이가 증가한 최대 상관 검출기를 개념적으로 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 의해 기준신호의 길이가 증가했을 때, 프리앰블 길이에 따른 프리앰블의 시작점을 정확하게 찾을 확률을 기존 방법과 비교한 결과이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 6은 본 발명에 의한 최대 상관 검출기가 상관값을 계산하기 위해 수신기에 저장하는 기준신호를 기존 기준신호와 비교한 것이고, 도 7은 본 발명에 의한 최대 상관값 계산에 사용하는 기준신호 길이가 증가한 최대 상관 검출기를 개념적으로 도시한 것이며, 도 8은 본 발명에 의해 기준신호의 길이가 증가했을 때, 프리앰블 길이에 따른 프리앰블의 시작점을 정확하게 찾을 확률을 기존 방법과 비교한 결과이다.

이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 영상정보용 데이터링크 통신장비의 프리앰블 시작점 판단 시스템 및 판단 방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 프리앰블 시작점 판단 시스템 및 판단 방법에서 영상정보용 데이터링크 통신장비는 프리앰블 신호가 통신장비 송신기의 펄스 성형 필터와 수신기의 정합 필터를 통과한 심볼 속도의 두 배로 샘플링한 신호를 상관값을 계산하기 위한 기준 신호로 사용한다.

이로 인해서 프리앰블의 시작점을 찾는 최대 상관 검출기가 프리앰블을 직접 기준 신호로 사용하는 것에 비해 프리앰블의 길이를 두 배로 증가하는 것과 같은 효과를 나타낼 수 있도록 한다.

우선, 프리앰블 길이가 최대 상관 검출기의 성능에 미치는 영향을 설명하기 위해, 기존의 프리앰블의 길이에 따른 최대 상관 검출기의 성능을 가우시안 분포 및 중심극한 정리를 이용하여 분석한다.

수학식 1에서,

은 최대 상관 값 계산을 위해 수신기가 저장하고 있는 길이가 M인 프리앰블 신호,

은 수신기가 저장하고 있는 기준신호

보다 m 심볼이 지연되어 수신되는 프레임 신호이며,

은 신호 성분을 나타내고,

은 잡음 성분을 나타낸다.

M은 최대 상관값을 계산하기 위한 전체 길이이며, 기존 최대 상관 검출기의 경우에는 프리앰블 길이와 동일하다.

은 수신기가 저장하고 있는 기준신호(프리앰블)와 기준신호보다 m 심볼이 지연되어 수신되는 프레임 신호 간의 상관(Correlation) 값을 나타내며,

은 기준신호와 수신 프레임 신호에서 프리앰블이 시작되는 시점이 일치할 경우의 상관도를 나타내며,

인 경우는 기준신호와 수신 프레임의 프리앰블이 시작되는 시점이 일치하지 하는 경우의 상관도를 나타낸다.

수학식 2는 수학식 1을 수식적으로 분석이 용이하도록 신호 부분과 잡음 부분으로 구분한 것으로, 분산이

인 가우시안 잡음(AWGN: Additive White Gaussian Noise) 환경을 가정하면 수학식 2는 m에 따라 수학식 3과 같은 분포를 가진다.

수학식 2에서 신호 부분의 계산된 결과는 기준신호와 수신 프레임 신호에서 프리앰블의 시작점이 일치하는

인 경우에는 기준신호와 수신 프레임 신호의 부호가 +1로 동일하거나 -1로 동일하기 때문에 이를 M개 심볼 간 누적하면 M의 상관 값이 발생한다.

반면에,

인 경우에는 기준신호와 수신 프레임 신호 간의 상관기 각 탭의 출력이 +1 또는 -1이 0.5의 확률로 발생하는 이항(Binomial) 분포를 가지므로, 이를 M개 심볼 간 누적한 상관값은 중심극한 정리(Central Limit Theorem)에 의하여 평균이 0, 분산이 M인 정규분포를 가진다.

수학식 2에서 잡음 부분의 상관 값을 계산한 결과는 +1 또는 -1인 기준신호와 잡음신호 간을 상관기 각 탭 별로 곱해 M개 심볼만큼 누적하는데, 분산이

인

의 가우시안 잡음을 M개 심볼만큼 누적하면 가우시안 함수의 덧셈에 의해

의 분포를 가진다.

수학식 4는 수학식 3을 기준신호(프리앰블)의 길이로 정규화(Normalized)한 결과로, 가우시안 잡음이 없는 경우에는 프리앰블 시작점이 일치하는

에서는 상관값이 1이 되고, 프리앰블 시작점이 일치하지 않는

에서의 상관값은 평균이 0이고 분산이 1/M인 분포를 가진다.

프리앰블 시작점의 일치하는 지점을 정확히 찾기 위해서는

의 상관 값이

의 상관 값보다 커야 하며, 수학식 4에서 프리앰블의 길이인 M을 크게 설정할 필요가 있다.

도 5는 최대 상관 검출기에서 기준 신호인 프리앰블의 길이에 따른 프리앰블의 시작점을 정확하게 찾을 확률을 분석한 결과의 예시를 나타낸 것이다.

도 1의 영상정보용 데이터링크 프레임 구조의 예시에서 사용자 데이터 부분의 길이는 5120 심볼로 동일하게 유지한 상태에서 프리앰블의 길이를 128 심볼의 1, 2, 4, 8배로 변경하면서 프리앰블의 시작점을 정확하게 찾을 확률을 분석한 결과, 프리앰블 길이가 증가함에 따라 동일한 가우시안 잡음환경에서 더 높은 확률로 프리앰블 시작점을 찾을 수 있음을 알 수가 있다.

반면, 영상정보용 데이터링크 통신장비의 데이터 전송효율은 프리앰블 심볼의 길이가 128 심볼의 1, 2, 4, 8배로 증가함에 따라 97.56%, 95.24%, 90.90%, 80%로 점차 감소한다.

프리앰블이 송, 수신기 간에 약속된 정보로 비록 전송되는 정보량이 없는 신호지만 실제 무선 채널 상에 전송할 경우에는 프리앰블 심볼율에 해당하는 추가적인 대역폭이 필요하며, 프리앰블이 없는 경우에 비해 데이터 전송효율이 80%인 경우에는 이의 역수에 해당하는 1.25배의 대역폭이 필요하다.

그래서, 본 발명은 영상정보용 데이터링크 통신장비의 프레임 구조에서 프리앰블의 길이를 증가시키지 않아 데이터의 전송효율을 유지하면서, 상관값 계산을 위한 기준신호의 길이를 두 배로 증가시킴으로써 프리앰블의 시작점을 정확하게 판단하는 확률을 증가시키고자 한다.

도 6은 기존의 최대 상관 검출기와 본 발명에서 제안하는 최대 상관 검출기가 상관 값을 계산하기 위한 기준 신호를 비교한 것으로, 전체 프리앰블 기준 중에 설명을 위해 최초 10개 프리앰블을 표현하였다.

도 6에서 기존 최대 상관 검출기는 +1 또는 -1의 프리앰블 신호를 상관 값을 계산하기 위한 기준 신호로 직접 사용한다.

반면에, 본 발명에서 제안하는 최대 상관 검출기는 프리앰블 신호가 영상정보용 데이터링크 통신장비 송신기의 펄스 성형 필터(Pulse shaping filter)와 수신기의 정합 필터(Matched filter)를 통과한 신호를 심볼 속도의 두 배로 샘플링한 신호를 상관 값을 계산하기 위한 기준 신호로 사용하며 이 경우에 기존 방법에 비해 기준 신호의 길이가 두 배로 증가한다. 매 프레임마다 프리앰블 신호는 동일하기 때문에 프리앰블이 펄스 성형 필터와 정합 필터를 통과한 신호도 매 프레임마다 동일하게 수신한다.

도 7은 본 발명에 의한 최대 상관값 계산에 사용하는 기준신호 길이가 증가한 최대 상관 검출기의 구조를 나타내는 개념도다.

먼저 수신신호는 송신기의 펄스 성형필터를 거쳐 무선채널에 적합한 대역이 제한된 신호로 송신기에서 송신되어 열잡음과 같은 무선채널의 영향을 받은 후 수신기에 수신된다.

수신기의 아날로그 디지털 변환기에서는 프레임의 전송속도의 2배에 해당하는 속도로 수신된 신호를 샘플링하고 수신기의 성능을 최적화하기 위한 정합필터(Matched Filter)를 통과시킨 후 최대 상관 검출기에 입력될 필터링 수신신호 저장기에 저장된다.

이 때, 기존의 최대 상관 검출기의 수신신호 저장기에서 출력되는 전송 주기가 Ts라고 하면 본 발명에 의한 필터링 수신신호 저장기에서 출력되는 전송 주기는 Ts/2가 되므로 두 배로 빠르게 신호를 처리해야 한다.

수신신호와 마찬가지로 기준신호인 프리앰블도 두 배의 속도로 필터링 되어야 하는데 수신 신호에 포함된 프리앰블이 송신기의 펄스 성형필터를 거친 것과는 달리 수신기에 저장되어 기준신호로 사용할 프리앰블은 송신기의 펄스 성형필터를 거치지 않았다. 따라서 본 발명에 따라 수신기에서 기존의 프리앰블을 두 배 속도로 오버 샘플링하고 필터링을 수행할 때 정합필터에 앞서 펄스 성형필터를 통과시켜야 하며 이를 도 7에서는 송신, 수신 통합필터라는 명칭으로 표현하였다.

수학식 5와 수학식 6은 도 7의 송신, 수신 통합필터의 주파수 및 시간 영역의 특성을 나타낸다. 송신, 수신 통합필터는 주파수 영역에서는 송신기의 펄스 성형필터인 HTX(f)와 수신기의 정합 필터인 HRX(f)의 곱으로 표현되며, 시간 영역에서는 컨벌루션(Convolution) 신호 처리로 표현된다.

본 발명에 의해 오버 샘플링 및 필터링을 통해 두 배로 길어진 수신신호 및 기준신호를 이용하여 기존의 최대 상관 탐색기와 동일한 방법으로 프레임 구간 동안에 상관 값을 계산하여 프레임 구간에서 도 3과 같이 상관값이 가장 큰 지점을 프리앰블의 시작점으로 판단할 수 있다.

단, 제안된 방법은 기존 방법에 비해 두 배로 빠른 신호 처리가 필요하고 상관 값을 구하기 위해 수신신호를 저장할 시프트 레지스터와 기주신호를 저장할 레지스터의 길이가 두 배로 증가해야 한다.

도 8은 본 발명에 의해 기준신호의 길이가 증가했을 때, 프리앰블 길이에 따른 프리앰블의 시작점을 정확하게 찾을 확률을 기존 방법과 비교한 결과를 나타낸다.

동일한 무선채널 환경 및 프레임에서 데이터의 길이(5120 심볼)과 프리앰블 길이(256 심볼) 조건에서 본 발명에 의해 제안된 방법은 기존 방법에 비해 프리앰블의 시작점을 찾을 확률이 증가함을 알 수 있다.

단, 오버 샘플링 및 필터링을 통하지 않고 실제 프리앰블 길이를 두 배로 증가시킨 경우에 비해서는 일부 성능이 부족하게 나타난다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 영상정보용 데이터링크 통신장비를 통해 수신되는 수신신호와 기준신호 저장기에 저장된 프리앰블(preamble) 기준신호로부터 최대 상관값을 검출하여 프리앰블 시작점을 판단하고,
   상기 프리앰블 기준신호의 길이를 원 프리앰블 신호 길이의 두 배로 증가시킨 것을 특징으로 하며,
   수신기로부터 프레임의 전송속도의 2배에 해당하는 속도로 수신된 신호를 AD 변환기에서 샘플링하고,
   상기 샘플링된 신호를 정합필터(Matched Filter)에 의해 필터링하며,
   최대 상관 검출기에 입력될 필터링된 수신신호를 수신신호 저장기에 의해 저장하되,
   상기 기준신호 저장기에 저장된 프리앰블을 원 프리앰블 전송속도의 두 배로 오버 샘플링하는 것을 특징으로 하며,
   상기 오버 샘플링된 프리앰블을 송신필터 및 수신필터를 포함하는 통합 필터를 통해서 상기 정합필터에 앞서 송신기의 펄스 성형필터를 거쳐 필터링하는 것을 특징으로 하는,
   영상정보용 데이터링크 통신장비의 프리앰블 시작점 판단 장치.
5. 삭제

Images