Estimating the accurate Angle-of-Aarrival (AOA) of a signal is one of the important issues of a modern wireless communication system based on beamforming. AOA of the signal is collected through an array antenna mounted on various systems existing on the ground, in the air, in space, etc. In order to satisfy the physical specifications of the system, various types of array antennas have been proposed, and an array antenna that improves the disadvantages of various existing array antennas is being actively studied. Various AOA estimation algorithms have been proposed as much as various array antennas, and AOA estimation algorithms are largely divided into a conventional method called a beam scan method and a subspace based method. In general, the AOA estimation performance of the subspace based method is superior to that of the conventional method. However, in the case of the subspace based AOA estimation algorithm, since there is no prior AOA information, the entire range can be searched or only a specific type of array antenna can be applied, which leads to poor operability. To solve this problem, in this dissertation, a cascade AOA estimation algorithm that can apply various array antennas while having AOA estimation performance similar to that of the subspace based AOA estimation algorithm is proposed. The proposed cascade AOA estimation algorithm consists of the Capon algorithm and the Beamspace MUSIC algorithm, and uses the two algorithms sequentially. Although the resolution of the Capon algorithm in the proposed algorithm is somewhat lower, the complexity is lower than that of the subspace-based AOA estimation algorithm, enabling fast AOA group estimation. Next, Beamspace MUSIC is applied to estimate the detailed signal AOA in the AOA group estimated through the Capon algorithm. Beamspace MUSIC algorithm has a very high resolution, although the complexity is rather high because beamspace processing is preceded. To evaluate the AOA estimation performance of the proposed cascade algorithm, computer simulations based on various scenarios are provided. The MUSIC algorithm, which has excellent resolution and can apply various array antennas, is the most representative algorithm used in the AOA estimation. However, if the system uses a Massive Array (MA) antenna in which multiple antenna elements are used, the multiple antenna elements are increases the computational complexity to the extent that real time estimation is difficult in case of MUSIC algorithm. In order to solve the problem of computational complexity of AOA estimation algorithms that may occur in MA antennas where multiple antenna elements are used, in this dissertation, a cascade AOA estimation algorithm based on a Flexible Massive Rectangular Array (FMRA) antenna is proposed. The FMRA antenna based cascade algorithm has the same basic structure as the cascade algorithm applying the general arrangement presented above. In order to reduce the algorithm complexity while maintaining the AOA estimation performance, the FMRA antenna based cascade algorithm estimates the approximate signal AOA group by activating some antenna elements among the entire antenna elements using Capon algorithm. The detailed signal AOA of the AOA group is estimated using the Beamspace MUSIC algorithm using all antenna elements. By selectively turning on/off antenna elements, it is possible to significantly reduce the computational complexity of algorithms that may occur due to multiple antenna elements, as well as dramatically reduce the computational complexity of algorithms according to the search range. A computer simulation for AOA estimation performance comparison of the proposed FMRA based cascade algorithm is provided, and a mathematical model for complexity analysis is presented. Based on the presented mathematical model, a computer simulation for comparison of computational complexity is provided. In the previously proposed cascade algorithm using an FMA antenna, a beamspace transformation matrix with a fixed size that is twice as large as the number of signals in a group is applied. This causes an unnecessary amount of calculation when estimating the AOA. To solve this problem, in this dissertation, a cascade AOA estimation algorithm based on an FMLA (Flexible Massive Linear Array) antenna to which an optimized beamspace transformation matrix is applied is suggested. For beamspace transformation matrix optimization, a beamspace MDL algorithm for estimating the number of signals is inserted between the Capon algorithm and the Beamspace MUSIC algorithm. Through beamspace transformation matrix optimization, the AOA can be efficiently estimated by optimizing the beamspace applied to the Beamspace MUSIC algorithm. Computer simulations based on various scenarios are provided to compare the AOA estimation performance and computational complexity.
목차
List of Tables viiList of Figures ixABSTRACT xvi제1장 서론 1제1절 도래각 추정 알고리즘 개요 11. Bartlett 32. Minimum Variance Distortionless Response (MVDR) 33. Multiple Signal Classification (MUSIC) 34. Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques (ESPRIT) 45. Minimum Norm 4제2절 연구 배경 및 방법 7제3절 논문의 구성 10제2장 다양한 형상의 배열 안테나 적용을 위한 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 11제1절 배열 안테나 모델 121. 등간격 선형 배열 안테나 132. 등간격 사각 배열 안테나 143. 등간격 원형 배열 안테나 154. 동심원 배열 안테나 165. 통합 배열 안테나 18제2절 Capon과 Beamspace MUSIC으로 구성된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 201. 수신신호 모델 202. 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 21제3절 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘의 도래각 추정 성능평가 281. 다양한 배열 안테나가 적용된 시뮬레이션 시나리오 282. 배열 안테나에 따른 도래각 추정 결과 및 분석 31제4절 2장 요약 46제3장 안테나 요소 ON/OFF 기능을 탑재한 Massive 사각 배열 안테나 기반 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 47제1절 FMRA 안테나 기본 구조 48제2절 FMRA 안테나를 적용한 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 기본 구조 49제3절 FMRA 안테나 적용을 위한 수학적 모델 511. FMRA 안테나 모델 512. FMRA 안테나가 적용된 수신신호 모델 52제4절 FMRA 안테나가 적용된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 531. 도래각 그룹 추정을 위한 Capon 552. 개별 도래각 추정을 위한 Beamspace MUSIC 55제5절 FMRA 안테나가 적용된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘의 도래각 추정 성능평가 571. 도래각 추정 성능평가를 위한 시뮬레이션 시나리오 572. 도래각 추정 결과 및 분석 60제6절 3장 요약 74제4장 FMRA 안테나를 적용한 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘의 계산복잡도 분석 75제1절 FMRA 안테나가 적용된 계산복잡도 수학적 모델 75제2절 FMRA 안테나를 기반으로 모델링 된 수학적 모델 검증 80제3절 FMRA 안테나를 적용한 계산복잡도 시뮬레이션 821. 안테나 개수와 검색범위가 고려된 시나리오 822. 안테나 개수 및 검색범위에 따른 계산복잡도 시뮬레이션 결과 및 분석 85제4절 4장 요약 92제5장 안테나 요소 ON/OFF 기능을 탑재한 Massive 선형 배열 안테나 기반 최적화된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 93제1절 FMLA 안테나 기본 구조 94제2절 FMLA 안테나 기반 최적화된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 기본 구조 95제3절 FMLA 안테나 적용을 위한 수학적 모델 971. FMLA 안테나 모델 972. FMLA 안테나가 적용된 수신신호 모델 98제4절 FMLA 안테나 기반 최적화된 빔공간 변환 행렬이 적용된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 991. 도래각 그룹 및 검색범위 결정을 위한 Capon 992. 그룹 내 신호 개수 추정을 위한 Beamspace MDL 1023. 최적화된 빔공간 변환 행렬이 적용된 Beamspace MUSIC 104제5절 FMLA 안테나 기반 최적화된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘의 도래각 추정 성능평가 1061. FMLA 안테나 기반 시뮬레이션 시나리오 1062. FMLA 안테나 기반 도래각 추정 결과 및 분석 108제6절 5장 요약 117제6장 FMLA 안테나 기반 최적화된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘의 계산복잡도 분석 118제1절 FMLA 안테나가 적용된 계산복잡도 수학적 모델 118제2절 FMLA 안테나를 기반으로 모델링 된 수학적 모델 검증 124제3절 FMLA 안테나를 적용한 계산복잡도 시뮬레이션 1261. 신호 개수와 안테나 개수가 고려된 시나리오 1262. 신호 개수 및 안테나 개수에 따른 계산복잡도 시뮬레이션 결과 및 분석 128제4절 6장 요약 130제7장 결론 및 향후 연구 131REFERENCES 134ABBREVIATIONS 147