KR100444119B1 - 다중빔을사용한단말기위치탐색 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예들은 단말기 위치 탐색 방법 및 시스템을 설명하고 있다. 어레이 안테나에 의해 생성된 근방의 스폿 빔들의 상대적인 전력들이 측정된다. 예를 들어, 이동국이 현재 작동하고 있는 중심 스폿 빔에 대한 6개의 인접 스폿 빔들로부터의 전력들이 중심 스폿 빔의 전력에 대해 측정될 수 있다. 이러한 측정치들을 사용함으로써, 이동국 위치가 예를 들어, 스폿 빔 패턴의 지수 함수 모델은 사용하여 결정될 수 있다.

Description

다중 빔을 사용한 단말기 위치 탐색 {TERMINAL POSITION LOCATION USING MULTIPLE BEAMS}
본 발명은 무선 통신 시스템 내에서 단말기들의 위치를 알아내기 위한 시스템에 관한 것이며, 구체적으로는 통신 커버리지(coverage)를 제공하기 위해 스폿 빔(spot beam)이 지리적인 영역들을 조사하는 무선 통신 시스템 내의 단말기들의 위치에 관한 것이다.
스폿 빔을 사용하는 무선 통신 시스템의 한가지 예는 위성 통신 시스템에서 찾을 수 있다. 또 다른 예는 고정 빔 위상 어레이를 사용하는 셀룰러/PCS 시스템이다. 다수의 가입자에게 서비스하도록 경제적으로 유용한 용량을 달성하기 위해서는 통신 시스템은 지구 전체에 걸쳐 여러 번 이용 가능한 스펙트럼의 재사용을 가능하게 할 필요가 있다. 이는 예를 들어, 다수의 소 영역들 사이에서 선택된 서비스 영역의 조명(illumination)을 분할하는 다중 스폿 빔 안테나를 사용함으로써 달성될 수 있다.
이러한 응용을 위한 가장 유망한 위성 시스템은 저 지구 궤도(LEOs), 중 지구 궤도(MEOs) 또는 정지 지구 궤도(GEOs)에 위성을 배치하는 것이다. 정지 궤도 내의 위성의 단점은 40,000 km 궤도 거리로부터 원하는 크기의 스폿 빔을 생성하는데 대형 안테나를 필요로 하고, 양방향 대화에 대한 문제점을 발생하는 궤도 거리를 통과하는 신호들의 장기간 지연을 포함한다는 것이다. 한편, 저 지구 궤도 내의 위성의 단점은 위성이 지구에 관련되어 이동하므로 위성이 지구를 일주함에 따라 스폿 빔이 조명(illumination)하는 영역이 변한다는 것이다. 중 지구 궤도 위성은 어느 정도 덜하기는 하지만 LEO 및 GEO 양자 모두의 문제점을 나타낸다.
저 또는 중 지구 궤도 위성을 채용한 위성 시스템은 지구와 관련된 위성들의 이동에 의해 발생된 위성과 지구상의 단말기간의 링크 시에 신속하게 변화하는 전파지연(propagation delay)에 대한 보상이 필요하다. 상기 시스템의 통신 동안에 전파 지연의 변화를 설명하도록 도플러 보상이 신호들에 제공된다. 도플러 보상을 제공하기 위해, 단말기는 시스템에 대한 접속을 지연시키는 소모적인 시간 소비 처리인 도플러 주파수를 탐색할 수 있다. 그러나 대안적으로 위성 일주기 정보(satellite ephemerid information) 뿐만 아니라 단말기의 위치의 인식이 제공되면, 도플러 주파수를 탐색하는 대신에 도플러 보상이 계산될 수 있어, 호출 발생(call origination)의 처리 속도를 향상시킨다.
또한, 단말기 위치의 인식은 많은 다른 시스템 기능의 제공에 유용할 수 있다. 예를 들어, 스폿 빔들과 채널 할당간의 단말기의 핸드오버(handover)는 단말기 위치의 인식을 사용하여 용이하게 할 수 있다. 더욱이 미국 특허 출원번호 08/179,953에 설명되어 있는 바와 같이, 또한 단말기 위치는 빔 형성 매트릭스의 계산 시에 유용하다.
단말기의 위치를 결정하기 위한 종래의 방법은 위성 위치 확인 시스템(Global Positioning System: GPS)으로부터 얻어진 정보를 사용하는 것이다.GPS는 다수의 MEO 위성을 포함하며, 이들 각각은 공지된 신호를 송신한다. 지구상에서 임의의 주어진 지점으로부터, 단말기는 3개 또는 4개의 상기와 같은 신호를 수신하고 측정하여(궤도 내의 GPS 위성이 다수이기 때문임) 시간 지연을 측정하고 그로부터 3개 또는 4개의 위성들과 단말기간의 거리를 측정한다. 다음에 이러한 정보는 단말기의 위치를 3각 측량(triangulate)하는데 사용될 수 있다. 이러한 기술은 다수의 상이한 위성들의 신호가 수신기에 사용 가능한 시스템, GEO 위성 시스템과 같은 다른 시스템에 상당히 효과적이지만, 이러한 고비용의 시스템을 이용할 수는 없다. 따라서 다수의 위성들로부터의 신호의 유효성(availability)에 의존적이지 않은 무선 통신 시스템 내의 단말기에 대한 위치 정보를 얻기 위한 다른 방법 및 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
<발명의 요약>
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 단말기 위치 탐색은 단말기에 가장 근접한 복수의 스폿 빔으로부터 수신된 신호들의 상대적인 신호 강도값을 측정함으로써 달성된다. 예를 들어 이동국(mobile unit)이 현재 동작하고 있는 중심 스폿 빔과 관련하여, 6개의 인접한 스폿 빔으로부터의 신호 강도가 중심 스폿 빔의 강도와 관련하여 측정될 수 있다. 이러한 측정 정보를 사용하면, 단말기의 위치는 스폿 빔 패턴의 지수 함수 모델을 이용함으로써 결정될 수 있다. 이러한 예시적인 기술들은 위성 또는 지상 기지국을 구비한 시스템을 포함하는 다중 빔을 갖는 어레이 안테나를 사용하는 임의의 무선 통신 시스템에 적용될 수 있다.
다른 예시적인 실시예들에 따르면, 이동국 또는 단말기는 위성으로부터의 신호 전달의 시간 지연을 측정할 수 있고 이와 같은 여러 측정으로부터의 정보를 사용하여 그 위치를 결정할 수 있다. 이러한 과정은 예를 들어, 호출 설정 동안 또는 이동국이 페이징 메시지(paging messages)를 탐색할 때 웨이크업(wake-up) 기간 동안 수행될 수 있다.
도 1은 예시적인 스폿 빔 조명 패턴을 도시한 도면.
도 2는 위성 위치에 관련한 단말기 위치를 식별하는데 사용되는 예시적인 좌표축들과 각들을 도시한 도면.
도 3은 빔 중심으로부터 떨어진 각(angle)의 함수로서 모델링한 지수 함수 형태의 상대적인 정확도를 도시한 그래프.
도 4는 단말기 위치의 방사 맵핑(radial mapping)을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예를 모의 실험하는데 사용된 모델을 도시한 블록도.
도 6은 X 좌표 추정치 대 시뮬레이션의 경과 시간의 플롯(plot)을 도시한 도면.
도 7은 Y 좌표 추정치 대 시뮬레이션의 경과 시간의 플롯을 도시한 도면.
도 8은 추정 범위 대 시뮬레이션의 경과 시간의 플롯을 도시한 도면.
도 9는 추정 방위각 대 시뮬레이션의 경과 시간의 플롯을 도시한 도면.
도 10은 추정 범위 오차 대 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)의 플롯을 도시한 도면.
도 11 내지 17은 다른 시뮬레이션 특성의 플롯을 도시한 도면.
도 18a 및 18b는 스폿 빔 측정을 위한 예시적인 장치를 도시한 도면.
단말기 위치 결정에 대한 논의를 시작하기 위해, 3개의 통신 채널이 사용 가능한 매우 간략화된 위성 통신 시스템을 고려한다. 다수의 안테나 빔 예를 들어, 37개가 위성 안테나 시스템의 고정된 물리 특성에 의해 결정되어 제공되며, 소위 스폿 빔 커버리지 영역들 내의 지역을 조명하는데 사용된다. 이러한 37개의 스폿 빔들 중 몇몇은 도 1에 도시되어 있다. 종래의 지식에 따르면, 3개의 스폿들 사이의 중간에 있는 가장 상태가 나쁜 지점(예컨대, 도 1에 빔 조명 교차 지점들에 대응하여 표시)에서의 이득은 피크에 대해 중간 지점에서 대략 3dB 아래에 있도록 빔 폭을 선택함으로써 최대화된다. 이는 한편으로는 에지 손실(edge loss)을 감소시키도록 빔을 확장시킴으로써 피크 이득을 감소시키는 것과, 다른 한편으로는 피크 이득을 증가시키도록 빔을 좁히는 것 사이에서 구현될 수 있는 한 가지 타협안이지만, 이전과 같이 중심을 벗어난 동일한 거리에서 보다 큰 빔 에지 손실을 겪게 된다. 대안이 미국 특허 출원번호 08/179,583에 개시되어 있는데, 이는 지구상의 각각의 지점들이 한 채널의 빔 중심 근방에 있도록 채널이 약간 다른 방향으로 유리하게 방사될 수 있는 방법을 설명하고 있다. 이런 방법으로 상기 시스템은 임의의 특정한 이동체에 보다 중심을 향해 있는 것을 선택하도록 하여 다수의 채널이 제공될 수 있음으로써, 다른 방법에서는 발생하였을 수 있는 빔 에지 손실을 피하게 된다.
어느 경우에도, 시스템은 37개의 스폿 빔들 중 매 하나마다 3개 주파수 채널 모두를 사용할 수 있게 되어 그 결과 3개의 빔들 사이의 중간 지점에 있는 이동체는 3개의 모든 빔들로부터 각 주파수에 있는 동일 중첩 신호들, 즉 각각의 원하는 신호의 상부에 있는 2개의 동일 강도 간섭자(equal-strength interferers)를 수신하거나 또는 상기 간섭 문제점은 3-셀 주파수 재사용 패턴으로 빔들 사이에 주파수를 배분함으로써 피할 수 있다. 후자의 경우에, 3개의 빔들 사이의 중간 지점에 있는 이동체는 3개의 다른 주위 빔들로부터 동일한 강도로 3개의 모든 주파수를 수신할 수 있지만, 각각의 빔으로부터 단지 하나의 주파수만을 수신하면 보다 멀리 위치한 빔의 사이드로브(sidelobe)로부터의 간섭이 얼마간 감소된다. 2개의 빔 사이의 중간 지점에 있는 이동체는 동일한 신호 강도의 2개 주파수를 수신할 수 있고 제3 주파수상의 2개의 동일한 신호로부터의 신호 강도는 얼마간 감소된다. 빔 중심에 있는 이동체는 6개의 주위 빔으로부터 다른 2개의 주파수 상의 신호 강도가 얼마간 감소된 빔의 다른 2개의 주파수를 주로 수신할 것이다. 따라서, 예를 들어 3개의 주파수 상의 상대적인 수신 신호 강도를 기초로 하여 이동국이 그 위치를 대략적으로 결정하는 것이 가능하게 되며, 이는 미국 특허 출원 번호 08/179,958에 상세히 설명되어 있다. 다음에서, 근방의 빔들로부터 수신된 신호 강도들을 기초로 하여 위치를 결정하기 위한 예시적인 방법을 보다 상세히 설명한다.
각각의 빔으로부터 이동체에 의해 수신된 전력은 빔 형태의 크기에 달려 있어, 그 결과로 인한 빔의 방사 패턴은 개개의 소자 방사 패턴과 소자의 빔 형성으로 인한 어레이 인자의 조합으로부터 결정된다. 그 결과로 인한 패턴 전력 손실을측정하는데 사용될 수 있는 한 가지 모델은 지수함수 모델이다. 만일 한 빔으로부터 다음 빔으로의 충분한 식별력이 있다면, 점유하고 있는 주위 빔들로부터 측정된 수신 신호 강도는 빔 형태의 측정으로서 사용될 수 있는데, 이는 이동체 위치를 결정하는데 사용될 수 있다.
빔의 중심 위치가 알려져 있다고 가정할 때, 이동체 위치 추정의 문제점은 빔 중심에 대한 사용자 위치를 추정하는 것이다. 특정한 스폿 빔의 알려진 포인팅 방향(pointing direction)이 주어지면, 사용자 위치는 빔 중심각으로부터 떨어진 각()와, 위성으로부터 빔의 중심 방향으로 연장한 광선에 대한 각()인 2개의 각량(angular quantities)으로 특정될 수 있다. 이러한 개념은 도 2에 도시되어 있다.
빔 패턴은 각들(및)의 함수이며, 정규화된 빔 형태는 다음의 수학식 1에 의해 주어진 지수 함수 방정식을 사용하여 모델링 될 수 있다.
여기서,는 모델을 실제 빔 패턴에 알맞게 하기 위해 선택된다. 이 모델은 대개 몇 도 정도까지는의 작은 값에 대해 비교적 정확하다. 예를 들어, 국제 이동 위성 기구(Inmarsat) EP21의 위성 설계를 위한 211개의 소자 어레이 제안에서, 빔 형성 후의 근사적인 어레이 패턴으로 알려진 알파 값은 0.1891이다. 지수 함수적으로 모델링된 패턴과 비교된 상기 시스템을 위해 시뮬레이션된 빔 형성 패턴의 플롯이 도 3에 도시되어 있다. 여기서 모델링된 패턴은 높은(y 축) 패턴 이득값들을 갖는 발산 곡선으로 표시된다. 지수 함수 모델은 시뮬레이션된 패턴으로부터 분기되는 약= 3도 정도까지는 비교적 정확하다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 이동체의 위치 결정을 설명하기 위해, 다수의 간략화한 가정이 다음의 항목으로서 작성되었다.
·위성 위치는 알려진 것으로, 예를 들어, 이동체로 송신되거나 이동체 내에 저장되어 있는 추산 위치표 데이터로부터 알려진 것으로 가정한다.
ㆍ본 명세서에 설명된 기술들은 단 기간, 예를 들어, 몇 초 내에 이동체의 위치를 결정하도록 의도된다. 따라서 위성 위치는 정지된 상태로 고려할 수 있다. 만일 위치를 결정하는데 장시간이 걸린다면, 위성의 위치 추적이 상기 기술들로 편입되거나 또는 이동체에 이용 가능한 추산 위치표 데이터가 사용될 수 있다.
ㆍ이동체 위치를 결정하는데 사용된 빔들의 세트에 대한 스캔 손실은 최소인 것으로 고려된다. 스캔 손실은 천저(nadir)(즉,의 큰 값)로부터 떨어진 빔을 지시하는 위성으로 인한 것이고, 또한 지수 함수적인 손실로서 모델링될 수 있다. 만일 이러한 손실이 상당하다면 그 손실은 다음의 모델 방정식에서 또는 위성 및 빔 위치의 정보에 의해 계산될 수 있다.
ㆍ각각의 빔에 대해 좌표들()로부터 지구상의 특정 위치로의 맵핑이 존재한다. 이는 방사상 맵핑이며의 형태를 취하는 것으로 가정하며, 여기서, c는 각각의 빔에 대해 다르고,는 빔의 중심으로부터 사용자의각위치(angular position)를 제공한다. 이러한 맵핑은 도 4에 도시되어 있다. 비-원형 맵핑(non-circular mapping)을 포함하는 상기 모델에 대한 다른 표현은 본 기술 분야에 숙련된 당업자에 인지될 수 있는 바와 같이 정확한 빔 형태에 가깝게 공식화 될 수 있다.
ㆍ이동체 사용자가 속하는 빔과 6개의 주위 빔이 다음의 예시적인 실시예에서 이동체 위치를 결정하는데 사용된다. 주파수 계획이 7개의 셀 재사용 패턴을 사용하고, 이동체가 상기 다른 빔들 각각의 채널로부터 신호 전력을 측정한다고 가정한다. 상기 측정은 동시에 또는 보다 실용적으로 다른 시간들에서 취해질 수 있다. 물론 본 발명은 원하는 임의의 셀 재사용 패턴에 적응될 수 있다.
값들(및)을 추정하기 위해, 맵핑가 사용되고(벡터량이 굵은 서체로 표현됨에 유의한다) 다음에 의해 주어진다.
여기서는 빔 중심으로부터 측정된다. 이동체 위치를 결정하기 위해, 전력 측정치가 6개의 주위 빔과 현재 빔의 신호로부터 취해진다. 전력 측정치는로서 표시되어 있다. i번째 빔으로부터의 측정치에대한 모델은 다음과 같다.
여기서 i∈{0, 1, …, 6}은 측정치가 취해지는 빔을 표시하며 xi는 빔 i의 중심 위치를 표시한다. 신호의 절대 전력(수학식 4 및 5에서 비례계수 A로 표시됨)이 알려져 있지 않으므로, 이러한 모델을 이동체 위치를 결정하는데 바로 사용하는 것은 문제가 있다. 그러므로 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 여러 쌍의 빔으로부터의 전력의 상대적인 측정치가 위치를 결정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 중심 빔은 상대적인 전력 측정치가 결정될 수 있는 기준으로서 사용될 수 있다. 이러한 측정치는로 표시되며, 여기서 hi= pip0이다. 이러한 접근법을 사용하여, 측정치와 모델은 다음과 같이 된다.
예를 들어, hi(x)는 중심 빔으로부터 수신된 타임 슬롯에 대한 6개의 주위빔들 각각으로부터 수신된 타임 슬롯들의 RSSI를 사용하여 이동국에 의해 계산될 수 있는데, 이러한 측정치들은 수학식 6 및 7에서 사용된다. 상기 수학식 6 및 7에서 설명된 측정 모델에서, 이동체 위치의 추정치가 결정될 수 있다. 이동체 위치를 추정하기 위해 x의 칼만 최소 변화 최소 제곱 추정치(Kalman minimun variance least-square estimate)가 다음의 수학식 J(x)를 최소화하는 지점을 찾음으로써 계산될 수 있다.
여기서,는 이동체 위치의 추정치이며,은 위치 공분산(covariance) 매트릭스의 추정치이고, Ry는 알려진 측정 편차로 가정한다. 초기값들은와모두에 의해 선택된다. 예를 들어, 빔 중심 위치가에 대해 선택될 수 있고에 대해 빔의 반경이 초기 추정치의 표준 편차(standard deviation: Std. Dev.)로서 사용된다. Ry값에 대해 가정한 잡음 편차는 기술이 처리할 수 있는 최악의 경우의 신호 대 잡음 값을 가정하고, 이러한 신호 대 잡음 값에 대응하는 전력 측정치의 적절한 잡음 편차를 선택함으로써 선택된다. 다른 빔들로부터의 잡음은 독립적인 것으로 가정한다. 함수 h(x)는 다음의수학식에 의해 주어진다.
이러한 형태의 위치 추정기를 사용하는 것은 이동체 위치가 시간에 따라 추적되도록 하고 또한 추정기 공분산의 추정치를 생성한다. 공분산은 측정된 전력 잡음 편차가 또한 추정된다면 유용할 수 있어, 이러한 경우 추정기 공분산은 추정 결과의 정확도에 보다 우수한 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 공분산은 빔 핸드오버 시간을 보다 정확하게 추정하는데 사용될 수 있는 위치 추정치의 신뢰도를 제공한다.
J(x)에 대한 최소 지점을 찾는 것은 다수의 다른 방법으로도 달성될 수 있다. 함수 h(x)는 매우 비선형적이므로, 확장형 칼만 필터 방법(Kalman filter approach)이 사용될 수 있다. 또한 비선형성으로 인해 반복되는 확장형 칼만 필터 방법이 바람직하다. 이러한 추정치에 대한 등가 형태는 각각의 갱신 시간 k를 위한 수학식 8로부터 바로 가우스 뉴톤 추정치(Gauss-Newton estimate)를 계산하는 것이다. 기존의 추정치가 시간 k에서 주어지면, 추정치는를 계산함으로써 개량된다.
여기서는 선형 방정식으로 풀어서 얻는다.
값 Pk및 g는 다음의 수학식으로 나타낸다.
및
이 수학식은 허용 한계에 도달할 때까지 또는 추정치의 개선이 더 이상 일어나지 않을 때까지 반복될 수 있다. x에 대한 초기값이 이전의 추정치가 되도록 선택되고,가 사용된다. 시간 k=1일 때, 이전의 추정치는 빔 중앙이 되도록 선택될 수 있고는 빔 중앙의 반경이 하나의 표준 편차가 되도록 선택될 수 있다. 위성 운동이 추적되는 상황에서 즉, 위치 결정이 비교적 긴 시간 주기에 걸쳐서 계산될 때,는 적합한 위성 이동 모델을 사용하여 산출할 수 있다. 또한, 출력 결과의 수렴(convergence)을 모니터하고자 할 때는 출력 공분산만을 산출할 필요가 있다(이에 의해서 역연산을 간단하게 함).
각 반복 동작에서, 기울기(gradient)는 현재 추정치의 위치에서 계산된다. 이것은 다음과 같이 주어진다.
여기서, i=1, 2, …, 6일 때의 값은 다음의 수학식들로 주어진다.
상기 모델 방정식을 사용함으로써, 수신된 빔의 신호 강도 측정치와 모델링된 빔 패턴 뿐 아니라 예를 들어 수학식 8을 사용하여 현재 이동 위치를 결정할 수 있다.
본 발명을 평가하기 위해 예시적 시뮬레이션이 행해진다. 이러한 예에서,전-백색 가우스 잡음(all-white Gaussian noise: AWGN) 채널에서의 성능을 조사하여, 그 성능을 라이시안(Rician) 또는 레일리(Rayleigh) 페이딩(fading) 채널에서의 성능과 비교해 볼 때, 월등한 성능을 제공한다는 것을 추정할 수 있다. 시뮬레이션이 AWGN 채널에서의 QPSK(직교 위상 편이 변조) 시그널링에 대해서 수행될 경우, 펄스 성형(pulse shaping) 및 IF 필터링 효과를 포함한다. 시뮬레이션을 도시한 블록도가 도 5에 도시된다.
도 5의 블록도에서는, 시뮬레이션을 위해서 7개의 빔 각각으로부터 나온 신호들이 위치 추정기에 의해서 동시에 처리되는 병렬 구성이 사용되었다. 물론 본 기술 분야의 당업자라면 단일 수신기가 7개의 빔 각각으로부터 나온 신호들을 연속적으로 처리하는 직렬 구현이 행해진다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, N개의 슬롯을 가진 프레임 구조를 이용하는 TDMA 시스템에서는, N개의 슬롯 중 한 슬롯을 사용하는 시스템에 접속된 이동국이 유휴 시간을 사용하여 본 발명에 따라 신호 강도 측정을 처리할 수 있다.
다음의 시뮬레이션 결과는 각각의 빔을 위한 빔 소스(10)가 블록(12)에서 QPSK 변조된 합성 신호를 생성하는 도 5에 도시된 모델을 기초로 한다. 변조 신호는 블록(14, 16 및 18)을 통해서 처리된 다음, 그 신호에 따라 채널 효과를 모델링한다. 위치 추정기(20)는 신호를 수신하고 수신 신호 강도를 측정하여 상술된 바와 같이 위치를 계산한다.
이러한 시뮬레이션에서는 서로 다른 위성 빔에 대한 전력 측정치가 동일한 프레임 내에서 수신되는데, 프레임 내에서 서로 다른 시간에 전력 측정치를 수신하면 위성 또는 채널을 추적할 필요가 없어진다. 이 시뮬레이션은 사용자에 대해서 빔의 중앙으로부터 인접한 빔들의 교차점까지 실행된다. 이는 중앙 빔에 대해서 150Km의 범위에 해당한다. 도 6 내지 도 9는 한 예시적인 이동 위치 및 SNR 값에 대해서 실행된 20회의 서로 다른 시뮬레이션에 대한 평균 결과를 도시한 것이다.
이들 도면들은 (예를 들어, 도 8 내지 도 9에 각각 도시된) 빔의 중앙으로부터 해당 범위 및 방위각의 추정치 뿐만 아니라 (예를 들어, 도 6 내지 도 7에 각각 도시된) 평균 X 및 Y 위치 및 시간 함수로서 표시된 표준 편차 곡선을 도시한다. 추정된 표준 편차 곡선들은 칼만(Kalman) 알고리즘으로부터 얻어지고, 계산된 표준 편차 곡선들은 몬테-카를로(Monte-Carlo) 시뮬레이션 실행 결과로서 얻어지는데, 추정된 표준 편차 곡선들은 이 시뮬레이션의 경우와 동일한 상태임을 알 수 있다. 몬테-카를로 시뮬레이션 실행은 서로 다른 잡음 값에 대한 일련의 시뮬레이션을 제공한다. 그 다음 본 기술의 기대값을 얻기 위해서 그 결과를 평균화한다. 이는 비교적 높은 신호 대 잡음비를 가진 빔 중앙에 근접한 사용자에 대해서 추정된 사용자 위치가 시뮬레이션 시간 내에 수 킬로미터 내로 위치될 수 있다는 것을 도시한다. 이러한 예시적인 시뮬레이션에서는 결과의 확실성을 3km로 감소시키는데 2 내지 3초의 시간이 소요된다.
다음의 예시적인 슬롯/프레임 포맷 설계 파라미터들은 시뮬레이션에서 사용되며, 전력 측정치는 각각의 빔에 대응하는 슬롯에서 평균 전력을 계산함으로써 얻어진다. 전력 측정치의 잡음은 (필터링 이후) 0.5의 값이 되도록 설정되는데, 이는 수신된 2dB의 신호/잡음 비에 대응하는 최악의 경우의 잡음 편차가 되도록 선택된다.
도 10 및 도 11은 SNR의 함수로서 평균 범위 및 방위각의 추정치를 도시한다. 각각의 플롯은 빔 중앙으로부터 배치된 서로 다른 이동국에 대한 곡선들을 포함한다. 또한 범위 오차 구역은 범위 추정치에서 가능한 한 바이어스될 수 있다는 것을 나타낼 수 있지만, 몬테-카를로 실행에서는 이러한 의심을 확인할 필요가 있다. 어떤 경우에는 전력 측정시의 잡음이 가우스 잡음이 아니라는 사실 때문에 바이어스가 작아질 수 있다. 방위각 오차 추정치는 이동국의 범위가(범위 추정치가 보다 정확한) 빔 중앙에 인접해 있을 경우를 제외하고, 범위내에서 정확하게 도시한다. 도 12 및 도 13은 범위 추정치와 방위각 추정치의 계산된 표준 편차를 각각 수신된 SNR 함수로서 도시한다. 이들의 플롯은 그 추정치가 높은 SNR 값에 대해서 보다 정확해지도록 도시한다. 특히 범위 추정치는 빔 중앙에 인접한 거리에 있는 경우 낮은 SNR의 경우조차도 정확하지만 높은 SNR에 대하여 가장 정확하다. 방위각 오차는 긴 범위 또는 높은 SNR 경우에 대해서 보다 분명하다.
도 14 및 도 15는 평균 범위 및 방위각 추정치를 빔 중앙으로부터의 범위 함수로서 도시한다. 각각의 플롯은 서로 다른 SNR 값에 대한 곡선을 포함하는데, 범위의 정확도는 보다 짧은 범위 값에 대해서 향상되는 반면 방위각의 정확도는 보다 긴 범위 값에 대해서 향상된다는 것을 나타낸다. 도 16 및 도 17은 각각 범위 및 방위각 추정치의 계산된 표준 편차를 도시한다. 도 16은 그 결과로 인한 범위 오차에서의 바이어스가 범위 함수라는 것을 나타낸다.
초당 수신된 신호 강도의 측정치는 무선 통신 기술에서 일반적으로 알려져 있다. 따라서 종래의 또는 다른 형태의 전력 측정 장치는 인접 스폿 빔에서 측정을 하기 위해 단말기에 통합될 수 있다. 이런 측정치는 상술된 예시적인 위치 알고리즘의 입력으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 18a에 도시된 바와 같이, 아날로그 자승 전력 측정 장치(analog square-law measuring devices: 40)는 단말기(44)의 수신된 신호 처리 경로에서 A/D 변환기(42)의 업스트림으로 배치될 수 있다. 대안으로 도 18b에 도시된 바와 같이, 전력 측정이 ASIC 또는 DSP(46)에서 A/D 변환기(42)의 다운스트림으로 행해질 수 있다. 또한 다수의 측정이 행해지고 예를 들어, 필터를 균분함으로써 산출된 평균값이 위치 알고리즘에 제공된다. 위치 알고리즘은 이동국에서 또는 예를 들어, 기지국, 위성 등의 시스템의 다른 부분에서 처리될 수 있다. 이동국 이외의 다른 부분에서 프로세싱을 행하고자 할 경우, 행 측정 결과가 업링크 채널을 통해서 기지국이나 위성으로 전송될 수 있다. 또한 대안으로 기지국 또는 위성이 측정을 행하는데 관계될 수도 있다.
본 기술 분야에 숙련된 당업자라면, 본 발명의 그 본질 또는 주요 특성으로부터 벗어나지 않으면서 본 발명을 다른 특정한 형태로 구현할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 모두 설명으로서 고려된 것이며 제한을 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, 예시적인 실시예들은 천저에서의 빔 포인팅 시에 단말기의 위치 탐색을 설명하고 있지만, 본 기술 분야에 숙련된 당업자라면 본 발명이 다른 빔 내의 단말기들에도 적용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 더욱이, 예시적인 실시예들은 위성 통신 시스템에 대해 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙련된 당업자라면 본 발명에 따른 위치 결정이 다른 형태의 시스템에도 구현될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 예를 들어, 기지국에 다양한 영역들을 조명하는 어레이를 제공하는 지상 시스템에도 본 발명이 구현될 수 있다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아닌 첨부된 특허 청구의 범위에 지시되어 있으며 그와 등가의 의미 및 범위 내의 모든 변경들을 포함하고 있다.

Claims (15)

  1. 스폿 빔(spot beam)으로 영역들을 조명하는 어레이를 사용하는 무선 통신 시스템 내의 단말기의 위치를 추정하기 위한 방법에 있어서,
    복수의 상기 스폿 빔들 각각과 연관된 수신 전력을 측정하는 단계,
    상기 측정된 수신 전력들을 기준 전력과 비교함으로써 상기 수신 전력들과 연관된 상대적인 전력들을 결정하는 단계, 및
    상기 상대적인 전력들과 스폿 빔 형태(spot beam shape)의 모델을 사용하여 상기 단말기의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 무선 통신 시스템 내의 단말기 위치 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 단계는 상기 단말기에서 수행되는 무선 통신 시스템 내의 단말기 위치 추정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정 단계는 기지국과 위성 중 하나에서 수행되는 무선 통신 시스템 내의 단말기 위치 추정 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기준 전력은 상기 단말기가 현재 위치한 지리적인 영역을 조명하는 스폿 빔의 상기 단말기에 의해 수신된 전력인 무선 통신 시스템 내의 단말기 위치 추정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결정 단계 및 추정 단계는 상기 단말기 내에서 수행되는 무선 통신 시스템 내의 단말기 위치 추정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 결정 단계 및 추정 단계는 기지국과 위성 중 하나에서 수행되는 무선 통신 시스템 내의 단말기 위치 추정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모델은 지수 함수 모델(exponential model)인 무선 통신 시스템 내의 단말기 위치 추정 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 추정 단계는
    을 반복하는 단계를 더 포함하는 무선 통신 시스템 내의 단말기 위치 추정 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 측정 단계는 각각의 수신 전력을 동시에 측정하는 단계를 더 포함하는 무선 통신 시스템 내의 단말기 위치 추정 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 측정 단계는 각각의 상기 복수의 스폿 빔의 각각의 수신 전력을 다른 주파수 상에서 측정하는 단계를 더 포함하는 무선 통신 시스템 내의 단말기 위치 추정 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 측정 단계는 각각의 수신 전력을 다른 시간에서 측정하고 상기 어레이를 포함하는 위성의 움직임을 고려하여 상기 측정된 전력을 조정하는 단계를 더 포함하는 무선 통신 시스템 내의 단말기 위치 추정 방법.
  12. 무선 통신 시스템을 억세싱(accessing)하기 위한 방법에 있어서,
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 단말기의 위치를 추정하는 단계,
    도플러 보상을 결정하기 위해서 상기 단말기의 추정된 위치를 이용하는 단계, 및
    상기 도플러 보상을 이용하여 상기 무선 통신 시스템을 억세싱하는 단계를 포함하는 무선 통신 시스템 억세싱 방법.
  13. 스폿 빔들을 사용하여 영역들에 대한 무선 통신 커버리지(coverage)를 제공하는 어레이를 사용하는 시스템에서 접속을 핸드 오버(hand over)하기 위한 방법에 있어서,
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 단말기의 위치를 추정하는 단계, 및
    상기 추정된 위치에 기초하여 상기 접속을 제1 스폿 빔으로부터 제2 스폿 빔으로 핸드 오버하는 단계를 포함하는 시스템 접속 핸드 오버 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기준 전력은 상기 단말기가 현재 위치하고 있는 지리적인 영역을 조명하는 상기 제1 스폿 빔의 상기 단말기에 의해 수신된 전력인 시스템 접속 핸드 오버 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 기준 전력은 어레이 안테나가 재전송을 위해 사용되고 있을 때 상기 단말기가 현재 위치하고 있는 지리적인 영역을 조명하는 상기 어레이 안테나의 제1스폿 빔의 상기 단말기에 의해 송신되고 수신되는 전력인 시스템 접속 핸드 오버 방법.
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