빔포밍

빔 형성 또는 공간 필터링은 지향성 신호 ^[1]송수신을 위한 센서 어레이에서 사용되는 신호 처리 기술입니다.이는 안테나 어레이 내의 요소를 조합하여 특정 각도의 신호가 건설적인 간섭을 발생시키는 반면 다른 각도의 신호는 파괴적인 간섭을 발생시키는 방식으로 실현됩니다.빔포밍은 공간선택성을 달성하기 위해 송수신단 양쪽에서 사용할 수 있다.전방위 수신/전송에 비해 개선된 것을 어레이의 지향성이라고 합니다.

빔 포밍은 전파나 음파에 사용할 수 있습니다.레이더, 음파탐지기, 지진학, 무선통신, 전파천문학, 음향학 및 생물의학 분야에서 수많은 응용 분야를 찾아냈다.적응형 빔 포밍은 최적의 (예를 들어 최소 제곱) 공간 필터링 및 간섭 제거를 통해 센서 어레이 출력에서 관심 신호를 검출하고 추정하기 위해 사용됩니다.

기술

전송 시 어레이의 방향성을 변경하기 위해 빔포머는 각 송신기에서 신호의 위상 및 상대 진폭을 제어하여 파면에 건설적이고 파괴적인 간섭 패턴을 만듭니다.수신 시 예상 방사선 패턴을 우선적으로 관찰하는 방식으로 서로 다른 센서로부터의 정보를 결합한다.

예를 들어, 음파탐지기에서, 멀리 있는 배를 향해 수중 소리의 날카로운 펄스를 보내는 것은 단순히 배열에 있는 모든 음파탐지기에서 그 날카로운 펄스를 동시에 전송하는 것이 실패하는데, 왜냐하면 그 배는 처음에 배에서 가장 가까운 스피커에서 펄스를 듣고 나중에 더 멀리 있는 스피커에서 펄스를 들을 것이기 때문이다.배를 조종하다빔 형성 기술은 각 프로젝터에서 펄스를 약간 다른 시간(배에서 가장 가까운 프로젝터)으로 전송하여 모든 펄스가 배에 정확히 동시에 닿도록 함으로써 하나의 강력한 프로젝터에서 하나의 강한 펄스의 효과를 발생시킵니다.라우드스피커를 사용하는 공기 중이나 안테나를 사용하는 레이더/라디오에서도 동일한 기술을 수행할 수 있습니다.

수동형 소나 및 능동형 소나 수신에서 빔 형성 기술은 각 하이드로폰으로부터의 지연 신호를 약간 다른 시간(가장 긴 지연 후 타깃에 가장 가까운 하이드로폰이 결합됨)에 결합함으로써 모든 신호가 정확하게 동시에 출력에 도달하여 신호와 같은 하나의 큰 신호를 만듭니다.매우 민감한 단일 하이드로폰에서 나오는 소리입니다.수신 빔 포밍은 마이크 또는 레이더 안테나에서도 사용할 수 있습니다.

협대역 시스템에서는 시간 지연은 "위상 이동"과 같기 때문에 이 경우 각각 약간 다른 양의 안테나가 이동되는 배열을 단계별 배열이라고 합니다.협대역 시스템은 레이더의 전형적인 것으로 대역폭이 중심 주파수의 극히 일부에 불과합니다.광대역 시스템에서는 이 근사치가 더 이상 유지되지 않으며, 이는 소나에서 일반적인 것입니다.

수신 빔포머에서 각 안테나로부터의 신호는 다른 "무게"로 증폭될 수 있다. 원하는 감도 패턴을 달성하기 위해 다른 가중치 패턴(예: 돌프-체비셰프)을 사용할 수 있다.주엽은 늘 및 사이드롭과 함께 생성된다.메인 로브폭(빔폭)과 사이드 로브레벨의 제어와 더불어 늘의 위치를 제어할 수 있다.이 기능은 특정 방향의 노이즈 또는 방해 전파를 무시하고 다른 방향의 이벤트를 수신할 때 유용합니다.송신에서도 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

진폭 및 위상 이동을 사용한 빔 방향 지정에 대한 전체 수학은 단계별 배열의 수학 단원을 참조하십시오.

빔 포밍 기법은 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

종래의 빔포머(스위치드 빔 또는 스위치드 빔)
어댑티브 빔포머 또는 페이즈드 어레이
- 원하는 신호 최대화 모드
- 간섭 신호 최소화 또는 취소 모드

Butler 매트릭스와 같은 기존 빔포머는 고정된 가중치 및 시간 지연(또는 페이싱) 세트를 사용하여 배열 내 센서로부터의 신호를 결합합니다. 주로 공간 내 센서의 위치와 관심 있는 파동 방향에 대한 정보만 사용합니다.이와는 대조적으로 적응형 빔 형성 기법(예: MUSIC, SAMV)은 일반적으로 이 정보를 어레이가 실제로 수신하는 신호의 특성과 결합하여 일반적으로 다른 방향에서 원하지 않는 신호의 거부를 개선한다.이 프로세스는 시간 영역 또는 주파수 영역에서 수행할 수 있습니다.

이름에서 알 수 있듯이 어댑티브 빔 포머는 다양한 상황에 대한 응답을 자동으로 조정할 수 있습니다.총 소음 출력 최소화 등 적응이 진행될 수 있도록 일부 기준을 설정해야 한다.주파수에 따른 노이즈의 변동으로 인해 광대역 시스템에서는 주파수 영역에서 프로세스를 수행하는 것이 바람직할 수 있습니다.

빔 포밍은 계산 부하가 높을 수 있습니다.Sonar 단계별 어레이는 소프트웨어에서 실시간으로 처리할 수 있을 정도로 데이터 레이트가 낮습니다.이는 여러 방향으로 동시에 송수신할 수 있을 정도로 유연합니다.한편, 레이더의 단계별 어레이는 데이터 레이트가 매우 높기 때문에, 통상, 전용의 하드웨어 처리가 필요합니다.이 하드웨어는 한 번에 한 방향으로만 송수신 할 수 있도록 유선 접속되어 있습니다.그러나 최신 필드 프로그램 가능 게이트 어레이는 레이더 데이터를 실시간으로 처리할 수 있을 만큼 빠르며 소프트웨어처럼 빠르게 재프로그래밍할 수 있어 하드웨어/소프트웨어의 구분이 모호해집니다.

소나 빔포밍 요건

소나 빔 포밍은 전자파 빔 포밍과 유사한 기술을 사용하지만 구현 세부 사항은 상당히 다릅니다.음파 탐지 애플리케이션은 1Hz에서 2MHz까지 다양하며 어레이 요소는 적거나 크거나 수백 개에 불과할 수 있습니다.이를 통해 "프런트 엔드"(트랜스듀서, 프리앰프 및 디지타이저)와 같은 시스템 구성요소의 요구와 실제 빔 이전의 계산 하드웨어 다운스트림 간에 음파탐지 빔 형성 설계 작업이 크게 변경됩니다.고주파, 집속빔, 다원소 이미지 검색 소나 및 음향카메라는 종종 프로세서에 이지스 레이더 수요에 상응하는 응력을 부여하는 5차 공간 처리를 구현합니다.

어뢰와 같은 많은 음파탐지 시스템은 100도 시야에서 빔 스티어링을 달성하고 능동 및 수동 모드 모두에서 작동해야 하는 최대 100개 요소의 배열로 구성됩니다.

소나 어레이는 1차원, 2차원 및 3차원 어레이에서 능동 및 수동적으로 사용됩니다.

1차원 "라인" 어레이는 일반적으로 선박 뒤에서 견인되는 멀티 소켓 패시브 시스템과 싱글 또는 멀티 소켓 사이드 스캔 음파 탐지기에 있습니다.
2차원 "선체" 배열은 선체에 장착된 활성/비활성 음파탐지기와 일부 측면 스캔 음파탐지기에 공통적으로 사용됩니다.
3차원 구형과 원통형 배열은 현대 잠수함과 선박의 '소나 돔'에 사용된다.

음파 탐지기는 광역 검색과 같은 일부 애플리케이션에서는 모든 방향을 청취해야 하며 일부 애플리케이션에서는 동시에 브로드캐스트해야 한다는 점에서 레이더와 다릅니다.따라서 멀티빔 시스템이 필요합니다.협대역 소나 수신기에서는 하드웨어를 사용하여 한 번에 한 방향으로 '청취'하는 현재의 레이더 시스템과 달리, 각 빔의 위상은 전적으로 신호 처리 소프트웨어로 조작할 수 있습니다.

음파탐지기는 또한 빔포밍을 사용하여 전자파 방사선에 비해 소리의 전파 속도가 느려지는 심각한 문제를 보완한다.사이드 룩 소나에서 음파 탐지기를 운반하는 견인 시스템 또는 차량의 속도는 음파를 "핑"하는 소리의 필드 밖으로 이동하기에 충분한 속도로 이동합니다.수신을 개선하기 위한 포커싱 알고리즘 외에도 많은 사이드 스캔 음파탐지기는 빔 스티어링을 사용하여 단일 사이드 도어 빔에 의해 놓쳤을 들어오는 펄스를 "캐치"합니다.

스킴

기존의 빔 포머는 지연 및 합 빔 포머라고도 하는 단순 빔 포머일 수 있습니다.안테나 요소의 모든 무게는 동일한 크기를 가질 수 있습니다.빔 포머는 각 안테나에 대해 적절한 위상을 선택하여 지정된 방향으로 조정됩니다.노이즈가 무관하고 방향 간섭이 없는 경우, L $(\displaystyle$ L $)$ 안테나를 $L$ $L$ 한 빔포머의 신호 대 잡음비는 $P$ (\ $displaystyle$ \ $sigma _{n}^$ 2 $\sigma _{n}^{2}$ })의 신호를 수신합니다. $\sigma _{n}^{2}$ 서 ${\frac {1}{\sigma _{n}^{2}}}P\cdot L$ $(\displaystyle$ \sigma _{n $}^{$ 2}})는 ${\frac {1}{\sigma _{n}^{2}}}P\cdot L$ 분산 ${\frac {1}{\sigma _{n}^{2}}}P\cdot L$ 또는 ${\frac {1}{\sigma _{n}^{2}}}P\cdot L$ 전력입니다 ${\frac {1}{\sigma _{n}^{2}}}P\cdot L$ $aystyle {\frac {1}{\sigma _{n}^{2}}P\cdot L}$
늘스티어링빔포머는 하나 이상의 간섭체 방향으로 제로응답이 되도록 최적화되어 있다.
주파수 영역 빔포머는 각 주파수 빈을 협대역 신호로 취급하며 필터는 각 주파수에 대해 개별적으로 최적화된 복소계수(게인 및 위상시프트)이다.

진화된 빔포머

지연 앤 섬 빔 형성 기술은 여러 개의 마이크를 사용하여 음원을 현지화합니다.이 기술의 단점 중 하나는 위치나 마이크 수를 조정하면 빔포머의 성능이 비선형적으로 변화한다는 것입니다.또한 가능한 조합의 수가 많기 때문에 최적의 구성을 찾는 것은 계산상 어렵습니다.이 문제를 해결하기 위한 기술 중 하나는 유전 알고리즘을 사용하는 것이다.이러한 알고리즘은 각 스티어링 방향에서 가장 높은 신호 대 잡음비를 제공하는 마이크 어레이 구성을 검색합니다.실험 결과 이러한 알고리즘은 며칠이 ^[2]아닌 몇 초 만에 약 3천 3백만 개의 솔루션으로 구성된 제한된 검색 공간의 최상의 구성을 찾을 수 있었다.

무선 통신 규격의 역사

휴대전화 표준에서 사용되는 빔포밍 기술은 세대를 거쳐 발전하여 보다 복잡한 시스템을 사용하여 고밀도 셀과 높은 스루풋을 실현하고 있습니다.

패시브 모드: (거의) 표준화되지 않은 솔루션
- Wideband Code Division Multiple Access(WCDMA; 와이드밴드코드분할다중접속)는 도착방향(DOA) 기반의 빔포밍을 지원합니다.
액티브 모드: 필수 표준화된 솔루션
- 2G – 기본^{[citation needed]} 빔 형성으로 안테나 선택
- 3G – WCDMA: 송신 안테나 어레이(TxAA) 빔 형성^{[citation needed]}
- 3G 진화 – LTE/UMB: 부분 공간 분할 다중 액세스(SDMA)^{[citation needed]}를 갖춘 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 프리코딩 기반 빔 포밍
- 3G를 넘어 (4G, 5G...)– 폐쇄 루프 빔 포밍 및 다차원 빔 포밍 등 SDMA를 지원하는 보다 고도의 빔 포밍 솔루션이 기대됩니다.

MIMO 기능을 탑재한 개인 사용자용 802.11ac Wi-Fi 디바이스는 빔 포밍을 지원하여 데이터 통신 ^[3]속도를 높일 수 있습니다.

디지털, 아날로그 및 하이브리드

수신(전송하지^{[citation needed]} 않음)하기 위해서는 아날로그 빔포밍과 디지털빔포밍의 구별이 있습니다.예를 들어 센서 요소가 100개인 경우, "디지털 빔 형성" 접근법은 100개의 신호 각각이 아날로그-디지털 변환기를 통과하여 100개의 디지털 데이터 스트림을 생성합니다.그런 다음 이러한 데이터 스트림을 적절한 스케일 팩터 또는 위상 편이와 함께 디지털 방식으로 합산하여 복합 신호를 가져옵니다.반면 "아날로그 빔 형성" 접근법에서는 100개의 아날로그 신호를 취하여 아날로그 방법을 사용하여 스케일링 또는 위상 시프트하고 합산한 다음 일반적으로 단일 출력 데이터 스트림을 디지털화합니다.

디지털 빔 포밍은 디지털 데이터 스트림(이 예에서는 100)을 여러 가지 가능한 방법으로 병렬로 조작 및 조합하여 많은 다른 출력 신호를 병렬로 얻을 수 있다는 장점이 있습니다.모든 방향의 신호를 동시에 측정할 수 있고 멀리 있는 물체를 연구할 때 신호를 더 오래 통합하고 빠르게 움직이는 근접 물체를 연구할 때 더 짧은 시간 동안 동시에 통합할 수 있습니다.^[4]이는 아날로그 빔포밍에 있어서 효과적인 방법이 아닙니다.각 병렬신호 조합에 자체 회로가 필요할 뿐만 아니라 근본적으로 디지털 데이터를 완벽하게 복사할 수 있지만 아날로그 데이터는 복사할 수 없기 때문입니다.(사용 가능한 아날로그 전력은 한정되어 있으며 증폭 시 노이즈가 증가합니다.)따라서 수신된 아날로그 신호가 분할되어 다수의 다른 신호 조합 회로로 전송되면 각각의 신호 대 잡음비를 줄일 수 있습니다.

대규모 MIMO 시스템이라고 불리는 다수의 안테나를 갖춘 MIMO 통신 시스템에서는 디지털 베이스밴드에서 실행되는 빔 형성 알고리즘이 매우 복잡해질 수 있습니다.또한 모든 빔 형성이 베이스밴드에서 이루어지는 경우 각 안테나에 자체 RF 공급이 필요합니다.고주파수 및 다수의 안테나 요소에서는 비용이 많이 들고 시스템의 손실과 복잡성이 증가할 수 있습니다.이러한 문제를 해결하기 위해 일부 빔 포밍이 디지털이 아닌 아날로그 구성요소를 사용하여 이루어지는 하이브리드 빔 포밍이 제안되었습니다.

디지털 베이스밴드 ^[5]^[6]^[7]대신 아날로그 컴포넌트를 사용하여 실행할 수 있는 기능은 여러 가지가 있습니다.

음성 오디오용

빔 포밍을 사용하여 칵테일 파티 문제에 있는 여러 스피커와 같이 룸에서 음원을 추출할 수 있습니다.이를 위해서는 스피커의 위치를 사전에 알 필요가 있습니다.예를 들어, 어레이의 소스로부터 마이크에의 도달 시간을 사용하고, 거리에서 위치를 추측하는 등입니다.

반송파 통신에 비해 자연 오디오에는 다양한 주파수가 포함되어 있습니다.주파수에 따라 최적의 빔폼필터가 다르기 때문에 빔포밍 전에 주파수 대역을 분리하는 것이 유리합니다(따라서 병렬로 별개의 문제로 취급하고 나중에 재결합할 수 있습니다).이러한 대역을 적절히 분리하려면 전문화된 비표준 필터 뱅크가 필요합니다.이와는 대조적으로 표준 고속 푸리에 변환(FFT) 대역 필터는 신호에 존재하는 주파수만 정확한 고조파라고 암묵적으로 가정합니다. 이러한 고조파 사이에 있는 주파수는 일반적으로 모든 FFT 채널을 활성화합니다(빔 형태 분석에서 필요한 주파수는 아님).대신 필터는^{[citation needed]} 로컬 주파수만 각 채널에 의해 감지되도록 설계할 수 있으며(원래 신호를 재구성할 수 있도록 재결합 특성을 유지한 상태에서), 일반적으로 FFT 기준과 달리 직교하지 않습니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ Van Veen, B. D.; Buckley, K. M. (1988). "Beamforming: A versatile approach to spatial filtering" (PDF). IEEE ASSP Magazine. 5 (2): 4. Bibcode:1988IASSP...5....4V. doi:10.1109/53.665. S2CID 22880273. Archived from the original (PDF) on 2008-11-22.
^ Lashi, Dugagjin; Quevy, Quentin; Lemeire, Jan (November 2018). "Optimizing Microphone Arrays for Delay-and-Sum Beamforming using Genetic Algorithms". 2018 4th International Conference on Cloud Computing Technologies and Applications (Cloudtech). Brussels, Belgium: IEEE: 1–5. doi:10.1109/CloudTech.2018.8713331. ISBN 978-1-7281-1637-2. S2CID 155107734.
^ Geier, Eric. "All about beamforming, the faster Wi-Fi you didn't know you needed". PC World. IDG Consumer & SMB. Retrieved 19 October 2015.
^ 유비쿼터스 레이더를 형성하는 디지털 빔의 시스템 측면, 메릴 스콜닉, 2002, [1]
^ Phyo, Zar Chi; Taparugssanagorn, Attaphongse (2016). "Hybrid analog-digital downlink beamforming for massive MIMO system with uniform and non-uniform linear arrays". 2016 13th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON). pp. 1–6. doi:10.1109/ECTICon.2016.7561395. ISBN 978-1-4673-9749-0. S2CID 18179878.
^ Zou, Yaning; Rave, Wolfgang; Fettweis, Gerhard (2016). "Analog beamsteering for flexible hybrid beamforming design in mmwave communications". 2016 European Conference on Networks and Communications (EuCNC). pp. 94–99. arXiv:1705.04943. doi:10.1109/EuCNC.2016.7561012. ISBN 978-1-5090-2893-1. S2CID 16543120.
^ Rajashekar, Rakshith; Hanzo, Lajos (2016). "Hybrid Beamforming in mm-Wave MIMO Systems Having a Finite Input Alphabet" (PDF). IEEE Transactions on Communications. 64 (8): 3337–3349. doi:10.1109/TCOMM.2016.2580671. S2CID 31658730.

일반

루에이 M. A. 잘룰과 샘.P. Alex, 「IEEE 802.16e 시스템의 평가 방법과 퍼포먼스」, 2006년 12월 7일, Orange County의 공동 장(ComSig), IEEE Communications and Signal Processing Society에 발표.입수처: chapters.comsoc.org/comsig/meet.html : //chapters.comsoc.org/comsig/meet.html
H. L. Van Trees, Optimum Array Processing, NY, Wiley, 2002.
Jian Li, Petre Stoica, eds.강력한 어댑티브 빔 포밍뉴저지: John Wiley, 2006.
솔타날리안 씨액티브 센싱 및 통신을 위한 신호 설계.웁살라 박사 논문 (Elanders Sverige AB 인쇄), 2014.
Toby Haynes의 "디지털 빔포밍에 관한 입문서", 1998년 3월 26일
Greg Allen의 소나 빔포밍 소개인 "빔포밍이란 무엇인가?"
Krim, H.; Viberg, M. (1996). "Two decades of array signal processing research: The parametric approach". IEEE Signal Processing Magazine. 13 (4): 67–94. Bibcode:1996ISPM...13...67K. doi:10.1109/79.526899.
"돌프-체비셰프 무게" antenna-theory.com
마이크 어레이 빔 포밍에 대한 간단한 소개를 제공하는 페이지

외부 링크

YouTube에서 단계별 어레이를 이용한 빔 스티어링 애니메이션
시공간섭에 의한 MU-MIMO 보형성, 울프램 시연 프로젝트

[1] Van Veen, B. D.; Buckley, K. M. (1988). "Beamforming: A versatile approach to spatial filtering" (PDF). IEEE ASSP Magazine. 5 (2): 4. Bibcode:1988IASSP...5....4V. doi:10.1109/53.665. S2CID 22880273. Archived from the original (PDF) on 2008-11-22.

[2] Lashi, Dugagjin; Quevy, Quentin; Lemeire, Jan (November 2018). "Optimizing Microphone Arrays for Delay-and-Sum Beamforming using Genetic Algorithms". 2018 4th International Conference on Cloud Computing Technologies and Applications (Cloudtech). Brussels, Belgium: IEEE: 1–5. doi:10.1109/CloudTech.2018.8713331. ISBN 978-1-7281-1637-2. S2CID 155107734.

[3] Geier, Eric. "All about beamforming, the faster Wi-Fi you didn't know you needed". PC World. IDG Consumer & SMB. Retrieved 19 October 2015.

[4] 유비쿼터스 레이더를 형성하는 디지털 빔의 시스템 측면, 메릴 스콜닉, 2002, [1]

[5] Phyo, Zar Chi; Taparugssanagorn, Attaphongse (2016). "Hybrid analog-digital downlink beamforming for massive MIMO system with uniform and non-uniform linear arrays". 2016 13th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON). pp. 1–6. doi:10.1109/ECTICon.2016.7561395. ISBN 978-1-4673-9749-0. S2CID 18179878.

[6] Zou, Yaning; Rave, Wolfgang; Fettweis, Gerhard (2016). "Analog beamsteering for flexible hybrid beamforming design in mmwave communications". 2016 European Conference on Networks and Communications (EuCNC). pp. 94–99. arXiv:1705.04943. doi:10.1109/EuCNC.2016.7561012. ISBN 978-1-5090-2893-1. S2CID 16543120.

[7] Rajashekar, Rakshith; Hanzo, Lajos (2016). "Hybrid Beamforming in mm-Wave MIMO Systems Having a Finite Input Alphabet" (PDF). IEEE Transactions on Communications. 64 (8): 3337–3349. doi:10.1109/TCOMM.2016.2580671. S2CID 31658730.

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