KR100287346B1 - 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신 시스템에서 단말기의 위치를 추적하는 방법에 관한 것으로, 특히 코드분할다중접속(CDMA)방식 이동통신 시스템에서 단말기의 위치를 추적하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 코드분할다중접속(CDMA)방식의 시스템에서 동작기지국이 해당 단말기로부터 주변 기지국들(active, candidate 및 neighbor set)의 파이롯 피엔 페이즈 및 상기 동작 기지국의 파이롯 신호 수신 응답 등을 받아 이를 토대로 상기 기지국들에서 해당 단말기 까지의 거리를 산출하여 현재 단말기의 위치를 정확히 파악한다.

Description

코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법

본 발명은 이동통신 시스템에서 단말기의 위치를 추적하는 방법에 관한 것으로, 특히 코드분할다중접속(Code Division Multiple Access;CDMA)방식 이동통신 시스템에서 단말기의 위치를 추적하는 방법에 관한 것이다.

최근, 세계적으로 이동통신이 보급됨에 따라 단말기의 위치를 추적하는 서비스를 제공하는 것이 법제화 되고 있다. 미국의 경우를 보면 연방통신위원회(FCC)에서 일정 정도의 정확도를 보장하는 위치 정보 서비스를 규정하고 있으며, 조만간 국내에서도 이러한 사항의 법제화가 예상된다.

이동통신 시스템에서 단말기의 위치를 추적하는 방법으로는, 단말기에 전세계 측위 시스템(GPS;Global Positioning System) 수신기를 내장시켜 위성에서 수신한 정보를 이용하여 위치를 파악하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 단말기에 별도의 수신기를 내장시켜야 한다는 문제가 있다.

또한, 아날로그 셀룰라 이동전화 방식(AMPS;Advanced Mobile Phone Service)에서는 단말기가 주변의 기지국들에게 송신하는 신호(역방향 채널)를 감시하여, 복수의 기지국에 수신되는 신호의 수신시간차이(TDOA;Time Difference Of Arrival)나 수신각도(AOA;Angle Of Arrival)의 정보를 수집하여 단말기의 위치를 계산하는 방법을 채용하고 있다. 이 방법에서 수신시간차이를 이용하는 방식에서는 단말기의 신호를 수신하는 기지국이 최소 3개 이상 필요하고, 상기 수신각도를 이용하는 방식에서는 기지국이 최소 2개 이상 필요하다.

그러나, 코드분할다중접속 방식의 이동통신 시스템에서는 역방향 채널의 전력 제어를 행하므로 핸드오프 영역이 아닌 경우에는 단말기의 신호를 수신하는 기지국이 하나로 될 수 있기 때문에, 아날로그 셀룰라 시스템의 역방향 채널을 이용한 단말기 위치 추적방법을 채용하는데 많은 문제점이 있다.

본 발명은 코드분할다중접속 방식의 이동통신 시스템에서 단말기가 동작 기지국과 후보 기지국으로 전송하는 메시지를 이용하여 단말기의 위치를 정확히 파악할 수 있는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 기지국 고유의 피엔 옵셋(PN offset)을 나타낸 도면 이고,

도 2는 기지국으로부터 단말기가 멀어진 상태의 피엔 옵셋을 나타낸 도면 이며,

도 3은 기지국으로부터 단말기가 가까워진 상태의 피엔 옵셋을 나타낸 도면 이고,

도 4는 파이롯 피엔 페이스(PILOT PN PHASE)를 나타낸 도면이다. 또한,

도 5는 라운드 트립 프로파게이션의 설명을 위한 참조도 이고,

도 6a, 6b는 단말기의 위치 추적을 위한 개념도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

BS1;동작 기지국 BS2,BS3;주변 기지국

MS;단말기

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법은, 단말기로부터 동작 기지국과 후보 기지국으로 전송되는 파이롯 세기 측정 메시지(PSMM ; Pilot Strength Measurement Message)에 동작 기지국(active set)과 후보 기지국(candidate set)들의 파이롯 위상(Pilot Phase)정보를 포함시켜 기지국으로 전송하고, 상기 파이롯 세기 측정 메시지에 포함된 파이롯 위상 정보에서 각 기지국이 송신한 파이롯 신호들이 단말기까지 도달하는데 소요된 도착 지연 시간의 차이를 구하여 각 기지국과 단말기 간의 거리를 계산한다.

여기서, 상기 파이롯 세기 측정 메시지를 그대로 이용할 경우, 단말기의 위치 측정을 위해서는 항상 3개 이상 기지국들의 파이롯 위상 정보를 필요로 하는데, 단말기의 핸드 오프 모드에서는 그런 조건을 충족치 못할 경우도 많이 발생하고, 핸드 오프 영역이 아닐 경우에도 문제가 발생한다.

물론, 기지국에서 제어 메세지를 이용하여 강제적으로 핸드 오프 기준값을 낮추도록 단말기에 지시하여 위치 계산에 필요한 3개 이상의 파이롯을 상기 동작 기지국과 후보 기지국에 포함되게 할 수 있으나, 그렇게 되면 핸드 오프에 관련된 또 다른 문제가 발생하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 단말기가 상기 동작 기지국과 후보 기지국 외에 주변 기지국(neighbor set)의 파이롯 신호를 탐색하는 것을 이용하여 단말기가 주변 기지국의 파이롯 신호의 파이롯 위상 정보를 계산하도록 한 후, 위치 계산에 필요한 3개 이상의 파이롯들의 파이롯 위상 정보를 상기 기지국에 전송하게 하는 한편, 상기 단말기가 상기 동작 기지국에서 송출한 페이징 신호의 수신 응답 메시지를 전송함으로써 동작 기지국과 단말기와의 도착 지연 시간(propagation delay)을 계산하고, 이를 토대로 인접 기지국이 송신한 상기 파이롯 신호들이 단말기 까지 도달하는데 소요된 도착 지연 시간을 구하여 항상 단말기의 위치를 추적할 수 있도록 한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

코드분할다중접속방식의 이동통신 시스템에서는 각 기지국마다 고유의 피엔 옵셋(Pseudo Noise offset)을 가지고 있으며, 이것은 2¹⁵개의 비트로 구성되어 있다. 상기 1 비트의 시간 간격은 칩(chip = 1sec/1.2288×10⁶= 833ns)으로 정의 된다. 또한, 각 기지국의 상기 피엔 옵셋은 2⁶개(64)비트씩 위상 차이를 가지게 구성되므로, 결과적으로 2⁹개(512)의 피엔 옵셋을 각각의 기지국으로 할당할 수 있다.

도 1은 기지국 고유의 피엔 옵셋을 보인 것으로, 현재 단말기와 통신하고 있는 기지국(동작 기지국)의 피엔 옵셋을 기준으로 하여 설명한다.

도면에서 보는 바와 같이, 각 기지국은 고유의 피엔 옵셋을 가지며, 이것은 각각 64비트의 위상 차이를 갖는다. 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 상기 동작 기지국(BS1)의 피엔 옵셋 값을 0, 주변 기지국 BS2, BS3의 피엔 옵셋 값을 각각 64, 128이라 한다.

이런 경우에 상기 3개의 기지국과 단말기와의 거리가 각각 동일(여기에서는 기지국에서 단말기까지의 도착지연시간을 고려하지 않음)하다고 가정하면, 단말기에 도착되는 상기 기지국들의 파이롯 신호 수신시점은 동일하다. 또한, 상기 동작기지국의 파이롯 신호의 전송 시점을 기준으로 하였을 때, 상기 BS2, BS3 기지국들의 파이롯 신호의 피엔 옵셋 값은 상기의 64값 및 128값과 동일하다. 그러나, 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 BS2, BS3기지국의 거리가 단말기로부터 더 멀어지게 되면, 상기 단말기에서 수신되는 상기 BS2, BS3기지국의 해당 피엔 옵셋 값은 각각 64 및 128값보다 τ1 및 τ2만큼 크게 된다. 반대로 상기 기지국의 거리가 단말기로부터 가까워질 경우에는 도 3에서 보는 바와 같이, 해당 피엔 옵셋 값은 각각 64 및 128보다 τ1 및 τ2만큼 작아지게 된다.

한편, 첨부한 도 4는 본 발명에 따른 단말기 위치 추적방법을 설명 하기 위한 파이롯 피엔 페이즈(PILOT-PN-PHASE)를 나타낸 도면으로, 상기 파이롯 피엔 페이즈는 다음과 같이 표현되며, 상기한 칩(Chip) 단위로 표시된다.

PILOT-PN-PHASE = {PILOT-ARRIVAL + (64 X PILOT-PN)} mod 2¹⁵

= {Δτ+ (64 × PILOT-PN)} mod 2¹⁵

= {τ2 - τ1 + (64 × PILOT-PN)} mod 2¹⁵

상기 식에서, PILOT-PN은 해당 파이롯의 옵셋 인덱스(offset index)이며, PILOT-ARRIVAL은 단말기가 가지고 있는 시간 기준(time reference) - 즉, 단말기에 최초로 수신된 파이롯 신호의 도착시간 - 에 대한 수신 신호의 도착시간을 칩 단위로 계산한 것을 의미한다. 그리고 상기 식은 2¹⁵PN offset 도메인에 대응하도록 표현되었다.

도 4에서 보는 바와 같이, 단말기가 기준(reference)으로 잡고 있는 기지국(serving BS, BS1)에서 파이롯 신호를 전송하면, τ1만큼의 도착지연 시간후에 단말기에 파이롯 신호가 도착하게 되고, 단말기는 이것을 자신의 시간 기준으로 잡는다. 그리고 다른 옵셋을 갖는 파이롯 신호를 해당 기지국(neighbor BS, BS2)에서 전송하게 되면, 단말기에는 τ2의 도착지연 시간 후에 도달하게 된다.

따라서, 단말기에서는 내부의 카운터를 통해 PILOT-ARRIVAL(τ2 - τ1)를 계산하여 PILOT-PN-PHASE를 2¹⁵PN offset 도메인에 대응되도록 나타낸다. 현재의 코드분할다중접속 방식에서는 동작기지국(active set)이 자신의 피엔 옵셋 값 뿐만 아니라 인접 기지국들의 피엔 옵셋 값들도 단말기에 전송하므로, 단말기는 미리 인접 기지국의 피엔 옵셋을 알고 있는 상태에서 탐색하려는 해당 기지국의 파이롯의 피엔 옵셋 값을 중심으로 미리 정해진 탐색윈도우사이즈(search window size, 대략 20~24chips) 내에서 1/8칩 단위로 탐색하면서 각 포지션에서 계산된 에너지와 그 포지션을 레지스터에 저장하고 있다가 최초 도착 성분(여기에서의 최초 도착 성분은 일정 기준 이상의 에너지를 가지고 있는 성분들 중 가장 먼저 도착한 성분으로 결정하고, 여기서 일정 기준 값은 폴스 알람을 최소화 하는 적절한 값으로 선택함)을 찾아냄으로써 상기의 파이롯 신호의 도착시간을 알 수 있게 된다.

단말기는 레지스터에 저장되어 있는 값으로 PILOT-PN-PHASE를 계산하고 이를 동작기지국에 전송한다. 상기 단말기에서 수신되는 인접 기지국들의 파이롯 신호는 대부분의 경우에 최소한 3개 이상이므로 단말기 위치의 계산이 가능하다.

또한, 도 5에서 보는 바와 같이, 동작 기지국의 파이롯 신호가 단말기에 도착하는 데 지연되는 시간은 반대 경우의 시간과 동일하므로, 단말기는 상기 페이징 신호을 수신한 후 상기 동작 기지국으로 수신 응답 메시지를 전송한다. 이렇게 되면, 상기 동작 기지국에서는 GPS를 통해 정확한 CDMA 시스템 시간을 가지고 있으므로, 왕복 지연 시간(round trip delay)를 계산하여 편도 지연 시간(one way delay, τ1 = 0.5 × round trip delay)을 구할 수 있다.

동작 기지국의 편도 지연 시간(τ1)을 알게되면, 인접 기지국의 파이롯 신호의 편도 지연 시간(τ2)도 상기 공식에 의해 아래와 같이 유도할 수 있다.

PILOT-PN-PHASE = {τ2 - τ1 + (64×PILOT-PN)} mod 2¹⁵

∴ τ2 = PILOT-PN-PHASE + τ1 - (64 × PILOT-PN)

τ1과 τ2를 알게되면, 전파는 빛의 속도로 이동하므로 τ1과 τ2 동안의 이동 거리(propagation distance)를 계산할 수 있다.

도 6a에서는 상기의 τ1과 τ2 동안의 이동 거리를 계산하여 단말기 위치를 파악하는 개념도이다. 여기서는 가시선 지연(Line Of Sight propagation, LOS propagation 또는 direct propagation)의 경우를 나타낸다. 단말기의 위치를 파악하기 위한 2개 기지국의 파이롯 신호의 도착 지연 시간만 알 수 있으면 가능하다.

도 6b에서는 비가시선 지연(Non-Line Of Sight propagation, NLOS propagation)의 경우를 나타낸다. 이러한 경우의 파이롯 신호의 도착 지연 시간은 상기 가시선 지연보다 늦으므로 최소한 3개의 기지국의 파이롯 신호의 도착 지연 시간을 알 수 있어야 하며, 이러한 경우의 해당 단말기 위치는 여러 개 기지국을 중심으로 그리는 원의 교집합 부분이 됨을 알 수 있다. 따라서 가능한 한 많은 기지국의 파이롯 신호의 도착 지연 시간을 알 수 있으면, 단말기 위치 추적의 정확성을 높일 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 동작 기지국이 해당 단말기에 단문 서비스(Short Message Service, SMS)로 상기 기지국들의 PILOT-PN-PHASE을 보고하라는 명령을 페이징 채널(paging channel)을 통해 송신하면, 상기 단말기는 페이징 응답 메시지를 상기 동작 기지국에 전송한 후, 상기 동작 기지국(active set), 후보 기지국(candidate set) 및 인접 기지국(neighbor set)의 PILOT-PN-PHASE를 상기의 방법으로 탐색하여 단문 서비스로 액세스 채널(access channel)을 통하여 보고한다. 물론 상기 동작 기지국이 일정주기로 일정시간 동안 보고하라는 명령을 보낼 수도 있다. 또한, 본 실시예에서는 자세히 언급되지 않았지만 상기 단문 서비스 외에 기지국과 단말기 사이에 정보를 송수신할 수 있는 기타 방법으로도 본 발명의 실시가 가능함은 자명할 것이다.

상기 단말기로부터 송신된 단문 서비스는 기지국에서 수신된 후, 단문 서비스 센타(Short Message Service Center, SMSC)를 거쳐 계산센타(computing center)로 보내어 진다. 상기 계산센타에서는 각 기지국의 파이롯 신호의 도착 지연 시간을 계산하고, 각 파이롯 신호의 도착 지연 시간을 거리로 환산하여, 해당 파이롯을 갖는 기지국과 단말기의 거리를 산출한다.

이상에서 설명한 바와 같은, 본 발명의 단말기 추적방법에 의하면, 종래기술의 많은 문제점을 없앨 수 있으며, 코드분할다중접속 방식 이동통신 시스템에서의 단말기 위치를 정확히 파악할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (13)

1. a)동작 기지국에서 전송된 동작 기지국과 주변 기지국들의 피엔 옵셋 정보를 수신하는 단계;

   b)상기 동작 기지국에서 송신된 파이롯 신호의 도착시간을 기준시간으로 설정함과 동시에 상기 동작 기지국으로 상기 파이롯 신호의 수신 응답 메시지를 송출하는 단계;

   c)상기 주변 기지국들의 피엔 옵셋을 기준으로 일정시간 상기 주변 기지국들의 파이롯 신호를 탐색하는 단계;

   d)상기 주변 기지국들의 파이롯 신호가 도착된 시간을 설정하는 단계;

   e)상기 기준시간과 상기 주변 기지국들의 파이롯 신호가 도착된 시간을 비교하고, 그 시간차를 산출하여 파이롯 피엔 페이즈를 계산하는 단계;

   f)상기 파이롯 피엔 페이즈를 상기 동작 기지국으로 전송하는 단계; 및

   g)상기 동작 기지국에 전송된 상기 수신 응답 메시지와 상기 파이롯 피엔 페이즈에서 상기 단말기와 상기 기지국들 간의 거리를 산출하는 단계를 포함하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 a) 단계의 피엔 옵셋 정보 수신은, 적어도 2개 이상의 피엔 옵셋을 수신하는 것을 특징으로 하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 c) 단계의 파이롯 신호 탐색은, 미리 정해진 탐색 윈도우 사이즈 내에서 정해진 시간 단위로 탐색하면서 해당 위치의 신호 크기와 그 위치를 저장하는 것을 특징으로 하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 d) 단계의 파이롯 신호 도착시간 설정은, 탐색된 주변 기지국들의 파이롯 신호 중 일정 기준 이상의 크기를 가지며 제일 먼저 도달된 시간으로 설정하는 것을 특징으로 하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 g) 단계는, 상기 동작 기지국과 상기 단말기 간의 파이롯 신호의 왕복 지연 시간을 산출하여 상기 단말기와 상기 기지국들과의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
6. a)동작 기지국에서 해당 단말기로 파이롯 피엔 페이즈를 보고하라는 명령을 전송하는 단계;

   b)상기 동작 기지국에서 전송된 동작 기지국과 주변 기지국들의 피엔 옵셋을 수신하는 단계;

   c)상기 동작 기지국에서 송신된 파이롯 신호의 도착시간을 기준시간으로 설정함과 동시에 상기 동작 기지국으로 상기 파이롯 신호의 수신 응답 메시지를 송출하는 단계;

   d)상기 주변 기지국들의 피엔 옵셋을 기준으로 일정시간 상기 주변 기지국들의 파이롯 신호를 탐색하는 단계;

   e)상기 주변 기지국들의 파이롯 신호가 도착된 시간을 설정하는 단계;

   f)상기 기준시간과 상기 주변 기지국들의 파이롯 신호가 도착된 시간을 비교하고, 그 시간차를 산출하여 파이롯 피엔 페이즈를 계산하는 단계;

   g)상기 파이롯 피엔 페이즈를 상기 동작 기지국으로 보고하는 단계; 및

   h)상기 동작 기지국으로 보고된 상기 수신 응답 메시지와 상기 파이롯 피엔 페이즈에서 상기 단말기와 상기 기지국들 간의 거리를 산출하는 단계를 포함하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 a) 단계의 피이롯 피엔 페이즈 보고는, 일정주기로 일정시간 동안 보고하는 것을 특징으로 하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 보고 명령은 페이징 채널을 이용하는 전송하는 것을 특징으로 하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 b) 단계의 피엔 옵셋 수신은, 적어도 2개 이상의 피엔 옵셋을 수신하는 것을 특징으로 하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 d) 단계의 파이롯 신호 탐색은, 미리 정해진 탐색 윈도우 사이즈 내에서 정해진 시간 단위로 탐색하면서 해당 위치의 신호 크기와 그 위치를 저장하는 것을 특징으로 하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
11. 제 6 항에 있어서,

    상기 e) 단계의 파이롯 신호 도착시간 설정은, 탐색된 주변 기지국들의 파이롯 신호 중 일정 기준 이상의 크기를 가지며 제일 먼저 도달된 시간으로 설정하는 것을 특징으로 하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
12. 제 6 항에 있어서, 상기 g) 단계의 파이롯 피엔 페이즈 보고는, 액세스 채널을 이용하여 전송하는 것을 특징으로 하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.
13. 제 6 항에 있어서,

    상기 h) 단계는, 상기 동작 기지국과 상기 단말기 간의 파이롯 신호의 왕복 지연 시간을 산출하여 상기 단말기와 상기 기지국들과의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 코드분할다중접속방식 이동통신 시스템의 단말기 위치 추적방법.