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Massive 안테나 기반 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘에 관한 연구

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Author(s)
김태윤
Issued Date
2022
Abstract
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.
Alternative Title
A Study on Cascade AOA Estimation Algorithm Based on a Massive Antenna
Alternative Author(s)
Tae-yun Kim
Affiliation
조선대학교 일반대학원
Department
일반대학원 전자공학과
Advisor
황석승
Awarded Date
2022-02
Table Of Contents
List of Tables vii
List of Figures ix
ABSTRACT xvi

제1장 서론 1
제1절 도래각 추정 알고리즘 개요 1
1. Bartlett 3
2. Minimum Variance Distortionless Response (MVDR) 3
3. Multiple Signal Classification (MUSIC) 3
4. Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques (ESPRIT) 4
5. Minimum Norm 4
제2절 연구 배경 및 방법 7
제3절 논문의 구성 10

제2장 다양한 형상의 배열 안테나 적용을 위한 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 11
제1절 배열 안테나 모델 12
1. 등간격 선형 배열 안테나 13
2. 등간격 사각 배열 안테나 14
3. 등간격 원형 배열 안테나 15
4. 동심원 배열 안테나 16
5. 통합 배열 안테나 18
제2절 Capon과 Beamspace MUSIC으로 구성된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 20
1. 수신신호 모델 20
2. 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 21
제3절 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘의 도래각 추정 성능평가 28
1. 다양한 배열 안테나가 적용된 시뮬레이션 시나리오 28
2. 배열 안테나에 따른 도래각 추정 결과 및 분석 31
제4절 2장 요약 46

제3장 안테나 요소 ON/OFF 기능을 탑재한 Massive 사각 배열 안테나 기반 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 47
제1절 FMRA 안테나 기본 구조 48
제2절 FMRA 안테나를 적용한 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 기본 구조 49
제3절 FMRA 안테나 적용을 위한 수학적 모델 51
1. FMRA 안테나 모델 51
2. FMRA 안테나가 적용된 수신신호 모델 52
제4절 FMRA 안테나가 적용된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 53
1. 도래각 그룹 추정을 위한 Capon 55
2. 개별 도래각 추정을 위한 Beamspace MUSIC 55
제5절 FMRA 안테나가 적용된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘의 도래각 추정 성능평가 57
1. 도래각 추정 성능평가를 위한 시뮬레이션 시나리오 57
2. 도래각 추정 결과 및 분석 60
제6절 3장 요약 74

제4장 FMRA 안테나를 적용한 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘의 계산복잡도 분석 75
제1절 FMRA 안테나가 적용된 계산복잡도 수학적 모델 75
제2절 FMRA 안테나를 기반으로 모델링 된 수학적 모델 검증 80
제3절 FMRA 안테나를 적용한 계산복잡도 시뮬레이션 82
1. 안테나 개수와 검색범위가 고려된 시나리오 82
2. 안테나 개수 및 검색범위에 따른 계산복잡도 시뮬레이션 결과 및 분석 85
제4절 4장 요약 92

제5장 안테나 요소 ON/OFF 기능을 탑재한 Massive 선형 배열 안테나 기반 최적화된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 93
제1절 FMLA 안테나 기본 구조 94
제2절 FMLA 안테나 기반 최적화된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 기본 구조 95
제3절 FMLA 안테나 적용을 위한 수학적 모델 97
1. FMLA 안테나 모델 97
2. FMLA 안테나가 적용된 수신신호 모델 98
제4절 FMLA 안테나 기반 최적화된 빔공간 변환 행렬이 적용된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘 99
1. 도래각 그룹 및 검색범위 결정을 위한 Capon 99
2. 그룹 내 신호 개수 추정을 위한 Beamspace MDL 102
3. 최적화된 빔공간 변환 행렬이 적용된 Beamspace MUSIC 104
제5절 FMLA 안테나 기반 최적화된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘의 도래각 추정 성능평가 106
1. FMLA 안테나 기반 시뮬레이션 시나리오 106
2. FMLA 안테나 기반 도래각 추정 결과 및 분석 108
제6절 5장 요약 117

제6장 FMLA 안테나 기반 최적화된 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘의 계산복잡도 분석 118
제1절 FMLA 안테나가 적용된 계산복잡도 수학적 모델 118
제2절 FMLA 안테나를 기반으로 모델링 된 수학적 모델 검증 124
제3절 FMLA 안테나를 적용한 계산복잡도 시뮬레이션 126
1. 신호 개수와 안테나 개수가 고려된 시나리오 126
2. 신호 개수 및 안테나 개수에 따른 계산복잡도 시뮬레이션 결과 및 분석 128
제4절 6장 요약 130

제7장 결론 및 향후 연구 131

REFERENCES 134

ABBREVIATIONS 147
Degree
Doctor
Publisher
조선대학교 대학원
Citation
김태윤. (2022). Massive 안테나 기반 캐스케이드 도래각 추정 알고리즘에 관한 연구.
Type
Dissertation
URI
https://oak.chosun.ac.kr/handle/2020.oak/17180
http://chosun.dcollection.net/common/orgView/200000603737
Appears in Collections:
General Graduate School > 4. Theses(Ph.D)
Authorize & License
  • AuthorizeOpen
  • Embargo2022-02-25
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