KR100518964B1 - 지역 분할과 가상 지역을 이용한 이동체 위치 추적 시스템및 그 방법 - Google Patents

지역 분할과 가상 지역을 이용한 이동체 위치 추적 시스템및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지역 분할과 가상 지역 개념을 이용하여 이동체의 위치를 추적하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이동체 위치 추적 시스템은, 이동체가 다수 기지국들로부터 수신한 파일럿 신호의 세기를 측정하여 해당 기지국으로 전송할 경우, 전송된 파일럿 신호의 세기를 정량화하는 신호 세기 결정부; 이동체가 위치한 셀을 소정 개수의 섹터 및 상기 섹터간의 경계 지역인 섹터 경계지역, 각 섹터를 소정 개수의 존 및 상기 존간의 경계 지역인 존 경계지역, 및 각 존을 소정 개수의 블록 및 상기 블록간의 경계 지역인 블록 경계지역으로 분할하여 정의하는 이동체 위치 정의부; 및 정량화된 파일럿 신호 세기와 기준값과의 비교 결과에 따라, 분할 정의된 셀 내에서 이동체가 위치한 섹터 또는 섹터 경계지역을 추정하고, 추정된 섹터 또는 섹터 경계지역에서 존 또는 존 경계지역을 추정하며, 추정된 존 또는 존 경계지역에서 블록 또는 블록 경계지역을 추정하는 이동체 위치 추정부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 이동체의 위치 추적에 대한 정밀도를 높이고, NLOS 환경 하에서 발생하는 추정 오류를 개선하여 정확한 이동체의 위치를 추적할 수 있다.

Description

지역 분할과 가상 지역을 이용한 이동체 위치 추적 시스템 및 그 방법 {A MOBILE LOCATION ESTIMATION SYSTEM AND METHOD USING AREA DIVISION AND VIRTUAL AREA}
본 발명은 이동체의 위치를 추적하는 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 이동체의 위치를 단계적으로 추적하는 지역 분할과 가상 지역을 이용한 이동체 위치 추적 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
근래 들어 IMT(International Mobile Telecommunication)-2000 및 휴대용 정보 단말기(Personal Digital Assistant) 등과 같은 무선 단말 장치의 사용 급증으로 인하여, 다중 전파 환경 하에서의 이동체 위치 추적상의 오류를 줄일 수 있는 방안 및 그에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 이동체 위치 추적에 관한 연구는 교통 관제 시스템에서 화물 운송용 차량이나 비행기 또는 선박 등의 운행 정보를 얻기 위해서 사용되어 왔다. 이중 신호의 입사각(Angle of Arrival, 이하 AOA라 함)을 이용한 이동체 위치 추적 방법은 다중 경로 환경에서 기지국에 설치된 멀티빔 안테나에 수신되는 신호의 세기와 그 수신된 신호의 입사각으로 이동체의 위치를 추적하는 방법이다. 그러나, 이러한 AOA 측정값은 기본적으로 신호가 가시선(LOS : Line of Sight, 이하 LOS라 함)이라는 가정 하에 추적된 값이지만, 마이크로셀과 같이 건물의 밀집이 심하여 반사와 회절이 발생하는 지역에서는 LOS 신호가 수신되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 건물에 의해 반사되어진 전파가 측정된 신호의 세기 중 가장 강하다면 기지국은 반사되어 들어온 신호의 입사각을 계산하여 이동체의 위치를 추적함으로서 이동체 추적 위치는 실제 이동체의 위치와 큰 차이를 보이게 된다.
다음으로, 인접 기지국과 이동체의 전파 전달 시간(Time of Arrival, 이하 TOA라 함)을 이용한 이동체의 위치 추적 방법이 있는데, 이 방법은 다음의 두 가지 문제점이 있다. 우선, 위치 추적 시스템 내에 존재하는 모든 송신단들과 수신단들 사이에 정확한 동기화가 필수적이다. 만약 1㎲의 동기화 오차가 발생할 경우, 무려 300m의 큰 위치 추적 오차를 발생시킨다.
두 번째, TOA 방법 또한 AOA와 마찬가지로 회절과 반사가 많이 일어나는 마이크로셀에서의 이동체 위치 추적에는 적당하지 못하다. TOA를 이용한 알고리즘 또한 가시 영역이 존재한다는 가정 하에 발전하였고, 가시 영역이 존재하지 않기 때문에 이동체가 위치하는 지역이 원형으로 나타나지 않고 왜곡되어진 등고선 모양으로 나타난다.
이외에 두 개의 기지국으로부터의 전파 도달 시간의 상대적인 차(Time Difference of Arrival)를 이용하여 이동체의 위치를 추적하는 방법 등이 있다.
또한, 최근 들어서는 CDMA(Code Division Multiple Access) 방식의 PN(Pseudo Noise : 의사 잡음) 코드를 사용하여 거리 정보를 측정할 수 있다는 점에 착안하여, AOA와 TOA 방식을 적용하여 이동체의 위치를 추적하는 방법이 고려되고 있다.
하지만, 위에서 언급된 이동체의 위치 추적 방식들은 간단한 전파 법칙에 따라 신호 세기가 정확히 추적된다는 가정 하에 수행되어 왔다. 그러나, 이러한 방식들은 현실적으로 실제 환경과는 많은 차이가 있으며, 그에 따른 중요 문제점을 요약하면 다음과 같다.
첫째, 기존의 측위 방식들은 LOS가 존재한다는 가정 하에 발전하였고, LOS가 존재해야만 위치 추적이 비교적 정확하다. 즉, 셀룰라 환경에 적합하게 발전되었다.
둘째, IMT-2000의 마이크로셀 환경은 LOS가 거의 존재하지 않고 주위에 특유한 반사와 회절에 의하여 영향을 받는 전파 환경, 즉 NLOS를 갖는다. 따라서 기존의 위치 추적 방법들을 맨하탄 모델과 같이 거의 가시적인 영역이 존재하지 않는 마이크로셀 환경에 적용한다면 이동체의 위치 추적의 오차가 커진다.
셋째, 실제 마이크로셀 환경에서는 산과 건물들 때문에 나타나는 쉐도우(shadowing) 지역과 반사에 의해 동일한 평균 신호 세기 점들의 모양이 원형이 아닌 왜곡된 등고선으로 나타난다. 그러나 기존의 측위 방식들은 전파 법칙이 간단히 거리에 따라 변하는 것이 아니라, 여러 가지 매개 변수에 따라 변화한다는 사실을 간과하였다.
마지막으로, 기존의 방법들은 신호 세기 등 전파 관련 정보에만 의존하므로, 이동체 주위의 빌딩이나 다른 장애물에 의한 단기 페이딩(short-term fading) 및 섀도윙(shadowing), 회절 등에 의해서 영향 받는다.
관련 특허로는, 권리권자가 이계철인 [특허명칭 : 무선 통신 시스템에서의 이동체 위치 추적 방법, 등록 번호 : 10-1999-57630호]가 있는데, 이는 TOA 정보를 이용한 단말기의 위치 추정시, RLS(Recursive Least Square) 알고리즘을 이용하여 효율을 높이는 방법을 제시함으로써, 다중 경로 페이딩에 의한 위치 추적 오류를 개선하며 그에 따른 이동체 위치 추적 시간을 단축시킨다. 하지만, 이러한 방법 역시 이동체 위치 추정의 정밀도가 낮을 뿐만 아니라, 그 정확성에 있어서도 낮은 비율을 나타낸다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 섹터, 존 및 블록 정의 단계를 이용하여 이동체의 위치 추적 과정을 단순 및 단계화 함으로써, 이동체 위치 추정의 정밀도를 높일 수 있는 지역 분할과 가상 지역을 이용한 이동체 위치 추적 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 각 정의 단계에서 존과 존, 섹터와 섹터, 블록과 블록간의 경계 지역을 추가 정의하고, LOS 환경과 NLOS 환경을 구분하여 그에 맞는 알고리즘을 적용함으로써, 이동체의 위치 추적 오류율을 줄인 우수한 측위 정보를 제공할 수 있는 지역 분할과 가상 지역을 이용한 이동체 위치 추적 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지역 분할과 가상 지역을 이용한 이동체 위치 추적 시스템은, 기지국에서 이동체의 위치를 추적하는 시스템에 있어서, 이동체가 다수 기지국들로부터 수신한 파일럿 신호의 세기를 측정하여 해당 기지국으로 전송할 경우, 상기 전송된 파일럿 신호의 세기를 정량화하는 신호 세기 결정부; 상기 이동체가 위치한 셀을 소정 개수의 섹터 및 상기 섹터간의 경계 지역인 섹터 경계지역, 각 섹터를 소정 개수의 존 및 상기 존간의 경계 지역인 존 경계지역, 및 각 존을 소정 개수의 블록 및 상기 블록간의 경계 지역인 블록 경계지역으로 분할하여 정의하는 이동체 위치 정의부; 및 상기 정량화된 파일럿 신호 세기와 기준값과의 비교 결과에 따라, 상기 분할 정의된 셀 내에서 상기 이동체가 위치한 섹터 또는 섹터 경계지역을 추정하고, 상기 추정된 섹터 또는 섹터 경계지역에서 존 또는 존 경계지역을 추정하며, 상기 추정된 존 또는 존 경계지역에서 블록 또는 블록 경계지역을 추정하는 이동체 위치 추정부를 포함한다.
이때, 상기 이동체 위치 정의부와 이동체 위치 추정부는, 상기 이동체가 위치한 지역을 가시선 환경의 지역과 비가시선 환경의 지역으로 구분하여 분할 정의 및 추정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 따른 지역 분할과 가상 지역을 이용한 이동체 위치 추적 방법은, 기지국에서 이동체의 위치를 추적하는 방법에 있어서, a) 이동체가 다수 기지국들로부터 수신한 파일럿 신호의 세기를 측정하여 해당 기지국으로 전송하면, 상기 전송된 파일럿 신호의 세기를 정량화하는 단계; b) 상기 이동체가 위치한 셀을 다수의 섹터로 분할한 후, 상기 분할된 다수의 섹터를 다수의 존으로 각각 분할하고, 상기 분할된 다수의 존을 다수의 블록으로 각각 분할하여 정의하는 단계; 및 c) 상기 정량화된 파일럿 신호 세기와 기준값과의 비교 결과에 따라, 상기 분할 정의된 셀 내에서 상기 이동체가 위치한 섹터, 상기 섹터 내의 존 및, 상기 존 내의 블록을 단계적으로 추정하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 b) 단계와 상기 b) 단계는, 상기 이동체가 위치한 지역을 가시선 환경의 지역과 비가시선 환경의 지역으로 구분하여 분할 정의하는 단계; 및 상기 분할 정의된 셀 내에서 상기 이동체가 위치한 최종 블록을 단계적으로 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여, 셀을 섹터로 분할하여 각 섹터에 속한 블록에 대해 섹터 번호를 부여하는 섹터 정의 단계, 각 섹터를 존으로 분할하여 각 존에 속한 블록에 대해 존 번호를 부여하는 존 정의 단계 및, 각 블록에 블록 번호를 부여하는 블록 정의 단계를 모두 포함하는 정의 단계 개념을 지역 분할(Area Partitioning) 이라 명명한다.
또한, 이러한 지역 분할에 있어 섹터간의 경계 지역인 섹터 경계 지역, 존간의 경계 지역인 존 경계 지역, 그리고 블록간의 경계 지역인 블록 경계 지역을 모두 포함하는 지역 개념을 가상 지역(Virtual Area) 이라 명명한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동체 위치 추적 시스템의 세부적인 블록 구성도이다.
도 1을 보면, 본 발명의 실시예에 따른 이동체 위치 추적 시스템(100)은 신호 세기 결정부(110), 이동체 위치 정의부(120) 및 이동체 위치 추정부(130)를 포함한다.
이동체 위치 정의부(120)는 섹터 및 가상 섹터 정의부(121), 존 및 가상 존 정의부(122), 블록 및 가상 블록 정의부(123)를 포함하며, 이동체 위치 추정부(130)는 섹터 및 가상 섹터 추정부(131), 존 및 가상 존 추정부(132), 블록 및 가상 블록 추정부(133)를 포함한다. 이때, 존 및 가상 존 정의부(122)는 LOS 모델 정의부(122a) 및 NLOS 모델 정의부(122b)를 포함한다.
자세히 설명하면, 먼저 신호 세기 결정부(110)는 해당 이동체가 자신의 기지국 및 인접한 기지국들로부터 수신한 파일럿 신호의 세기를 이동체 내의 복조기를 통해 측정한 후 해당 기지국으로 전송하면, 전송된 파일럿 신호의 세기를 정량화한다.
다음으로, 이동체 위치 정의부(120)는 이동체가 위치한 셀을 섹터 및 가상 섹터, 존 및 가상 존, 블록 및 가상 블록으로 분할하여 정의하며, 이러한 단계 분할 정의시 LOS(가시선) 및 NLOS(비가시선) 환경을 고려한다.
먼저, 섹터 및 가상 섹터 정의부(121)는 셀을 6개의 섹터로 분할하여 각 섹터에 속하는 블록에 해당 섹터의 번호를 부여하는데, 동일한 섹터에 속하는 블록들은 동일한 섹터 번호를 갖게 된다. 이러한 섹터 및 가상 섹터 정의에 대한 표시예가 첨부된 도 2에 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 정의된 셀의 세부적인 구조도이다. 도시되어 있듯이, 셀이 6개의 섹터(제1 내지 제6 섹터)로 분할되어 있다. 이때, 각 섹터에 속한 블록들을 결정하기 위하여, 기지국을 기점으로 블록의 방향을 나타내는 벡터의 방향 정보를 이용하며 그 정의 과정에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 섹터 및 가상 섹터 정의부(121)는 셀을 동일하게 6개의 섹터로 분할한 후, 분할된 각 섹터에 분할각(angle)을 부여한다. 즉, 기지국을 중심으로 셀을 π/3 간격으로 분할한다. 이후, 블록의 방향 정보를 각 섹터의 분할각과 비교하여 블록이 속한 섹터를 결정한다. 이와 같이, 섹터가 결정되면, 블록에 해당 섹터 번호를 부여한다.
이후, 섹터 및 가상 섹터 정의부(121)는 각 섹터의 경계 지역에 있는 블록을 섹터 번호 이외에, 경계 지역에 있는 블록임을 나타내는 섹터 경계 번호를 각각 부여한다.
다음으로, 존 및 가상 존 정의부(122)는 분할된 섹터를 다수의 존으로 구분하며, 구분된 존에 해당하는 블록들에 대해 해당 존 번호를 부여한다.
이때, 존 및 가상 존 정의부(122)는 LOS 환경과 NLOS 환경을 구분하여 존 및 가상 존을 정의하는데, 이를 위하여 LOS 모델 존 정의부(122a) 및 NLOS 모델 존 정의부(122b)를 포함한다.
상세히 설명하면, LOS 모델 존 정의부(122a)는 LOS 환경에 따라 분할된 섹터를 존으로 정의하며, 이러한 정의시 하나의 셀을 다수의 존으로 분할하고 각 존은 파일럿 신호 세기의 임계값에 따라 구분한다. 이러한 존 분할 과정에 대한 표시예가 첨부된 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 존과 파일럿 신호 세기와의 상호 관계를 도시한 도면이다.
도 3에 도시되어 있듯이, 하나의 셀은 n개의 존으로 분할되며, 파일럿 신호 세기가 각 존의 결정 변수로 사용된다. 이러한 존 분할 과정에 대해 순차적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, LOS 모델 존 정의부(122a)는 파일럿 신호 세기에 따라 각 임계값 범위를 결정한 후, 파일럿 신호 세기를 거리 정보로 바꾸기 위하여 각 임계값에 해당하는 거리 함수를 결정한다.
이후, 결정된 거리 함수를 이용하여 존을 나눈 후, 동일한 존에 속한 블록들에 대해서는 동일한 존 번호와 파일럿 신호 세기의 임계값을 부여하며, 각 존의 경계 지역에 위치한 블록들에 대해서는 존 번호 이외에 존 경계 지역에 있는 블록임을 나타내는 존 경계 번호를 부여한다.
다음으로, NLOS 모델 존 정의부(122b)는 NLOS 환경에 따라 분할된 섹터를 존으로 정의한다. 상세히 설명하면, 큰 빌딩이나 언덕이 있는 환경에서는 동일한 신호 세기를 갖는 존을 구분하는 윤곽선이 섀도윙(shadowing)과 회절 때문에 심하게 변형된다. 이로 인해, 블록 내에 빌딩이나 언덕이 있을 경우, LOS 정보만으로 블록이 속한 존을 결정할 수 없다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 NLOS 모델 존 정의부(122b)는 LOS 알고리즘으로 존이 결정된 블록 중에 보상 값이 필요한 블록에 NLOS 정보를 부가해서 블록이 속한 새로운 존을 결정한다. 이러한 존 분할 과정에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, NLOS 모델 존 정의부(122b)는 LOS 알고리즘으로 존이 구분되면, 블록 객체 정보 중, nlos_sig 정보를 이용하여 동일한 존에 속한 블록 중에 NLOS의 상쇄 성분이 필요한 블록을 결정한다. 이후, 결정된 블록에 상쇠값을 할당하며, LOS에 의하여 결정된 파일럿 신호 세기의 임계값과 결정된 블록에 할당한 상쇠값의 차를 구한다.
이후, NLOS 모델 존 정의부(122b)는 구해진 차이값을 새로운 파일럿 신호 세기로 하여 존을 다시 결정한 후, 결정된 각 존의 경계 지역에 위치한 블록은 존 번호 이외에 존 경계 지역에 있는 블록임을 나타내는 존 경계 번호를 부여한다.
다음으로, 블록 및 가상 블록 정의부(123)는 서비스 지역(service area)에서 원점(본 발명의 실시예에서는 기지국)에 대한 이동체의 상대적인 위치를 극좌표(Polar coordinates)를 이용하여 정의한다. 이러한 블록 및 가상 블록 정의에 대한 표시예가 첨부된 도 4에 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 극좌표로 정의한 이동체의 상대적 위치를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시되어 있듯이, 원점(기지국)으로부터 이동체까지의 거리와 양의 수평축으로부터 시계 반대 방향으로의 각도(방향을 나타냄)를 산출하며, 이를 통하여 이동체의 셀 내 위치를 묘사한다. 또한, 극좌표를 이용하여 기지국을 원점으로 섹터를 구분하거나 또는 블록의 상대적인 위치를 정의한다.
이때, 블록 및 가상 블록 정의부(123)는 정의된 블록간의 경계 지역을 표현하기 위하여 4개의 블록을 하나의 클러스터로 정의하는 클러스터 개념을 도입하여, 그 클러스터의 중심에 위치하는 지역을 블록 경계 지역이라 정의한다. 이러한 블록 경계 지역에 대한 표시예가 첨부된 도 5에 도시되어 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 벡터를 이용한 블록 인식 방법을 도시한 도면이다.
도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 제1 내지 제4 블록의 경계를 이루는 지역을 가상 블록이라 정의하며, 이러한 가상 블록은 제1 내지 제4 블록간의 신호 세기 구분의 완충 지역으로, 이동체가 경계 지역에 위치하거나 경계 지역을 통과할 경우, 미세한 신호 추정 오류로 발생하는 블록 추정 오류를 줄일 수 있다.
즉, 각 블록 간에는 신호 세기의 구분이 명확하지만 블록과 가상 블록은 파일럿 신호 세기의 일부분이 4개의 블록과 중첩된다. 여기서 가상 블록이 추정된다는 것은 이동체가 클러스터 내의 블록 중 어느 하나에 위치하고 있으며, 동시에 이들 블록의 경계 지점에 이동체가 위치해 있음을 의미한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 가상 블록의 개념을 도입함으로써, 이동체의 위치를 더 정밀하게 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 이를 바탕으로 하여 이동체 위치 추정상의 오류율을 줄일 수 있다.
즉, 블록 및 가상 블록 정의부(123)는, 첨부된 도 6과 같이 구분된 블록들에 대해 해당 블록 번호를 부여하며, 본 발명의 실시예에 따른 이동체 위치 추적 시스템은 부여한 각 블록 번호를 통해 해당 이동체의 위치를 표현하게 된다.
이후, 이동체가 위치한 블록들을 추정하기 위해, 이동체 위치 추적 시스템은 해당 블록의 셀 내 위치를 식별할 수 있어야 한다. 즉, 기지국을 기점으로 각 블록의 셀 내 위치를 나타내기 위하여 벡터 데이터를 이용하는데, 이 벡터 데이터는 기지국을 기점으로 하여 직각 좌표(x, y)를 구한 후, 구해진 직각 좌표에 극좌표 변환 방법을 적용함으로서 기지국으로부터의 거리(Distance)와 방향 정보(여기서는 방향각)를 갖는 2차원 벡터를 구할 수 있다.
또한, 도로에 관한 정보를 표현하기 위하여 각 블록을 노드(Node)와 가지(Edge)로 정의하기도 한다. 이 노드와 가지 정보는 이동체-기지국 경로에 관련된 도로 상태(직진, 좌회전/우회전, U턴)를 결정하기 위하여 사용되며, 이를 이용함으로써 고속 이동체(택시, 자가용, 대중 교통)의 위치를 보다 정확하게 추정할 수 있다. 즉, 이동체가 이동 경로(도 4의 A에서 B 지점으로의 경로)를 따라 이동할 경우, 벡터 데이터는 이동체가 통과하는 블록의 셀 내 위치, 노드는 좌/우회전 지역, 그리고 가지는 셀 내의 도로를 각각 나타낸다.
이와 같이 셀 내에서, 기지국에 대한 블록의 평면상의 상대적인 위치를 나타내기 위하여 각 블록에 위치 정보를 부여한다. 즉, 블록 정보를 모은 자료를 블록 객체(Block object)라 정의하는데, 이러한 블록 객체는 다음과 같은 정보를 갖는다. 섹터 정의 단계에서 생성된 섹터 번호, 존 정의 단계에서 생성된 존 번호, 블록 정의 단계에서 생성된 블록 번호, 그리고 블록의 셀 내 위치를 나타내는 벡터 정보 (d, a), 블록이 LOS일 경우, 평균 파일럿 신호 세기의 최소치와 최대치, 블록이 NLOS일 경우, 보상치 그리고 해당 블록이 노드 또는 가지인지를 나타내는 비트값이 이에 속한다.
아래에 도시되어 있는 [표 1]은 이러한 블록 객체를 데이터베이스화한 것으로서,
이동체 위치 추정부(130)에서는 이와 같이 구축된 데이터베이스를 이용한 이동체가 위치한 섹터, 존 및 블록 추정의 3단계 추정 기법을 통해 이동체의 위치를 추정한다.
[표 1]
먼저, 섹터 및 가상 섹터 추정부(131)는 모든 블록의 객체 정보에 기초하여 이동체가 위치한 섹터 또는 가상 섹터(즉, 섹터 경계 지역)를 추정한다.
상세히 설명하면, 먼저 이동체가 자신의 기지국 및 인접한 기지국들로부터 파일럿 신호를 수신하면, 신호 세기 결정부(110)는 이동체가 수신한 파일럿 신호의 세기를 정량화하는데, 섹터 및 가상 섹터 추정부(131)는 정량화된 파일럿 신호의 세기 중에서 가장 큰 두 개의 파일럿 신호 세기를 비교하여 그 신호 세기의 차이가 기준치 이하인지를 판단한다. 판단 결과, 신호 세기 차가 기준치 이하이면, 이동체가 위치한 블록이 섹터를 구분하는 경계 지역에 위치하고 있다고 추정하고, 판단 결과, 기준치 이상이면 보다 큰 신호 세기를 갖는 인접 셀에 해당하는 섹터를 이동체가 위치한 섹터로 추정한다.
이러한 섹터 및 가상 섹터 추정 과정에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 이동체에 인접한 기지국들은 주기적으로 파일럿 신호를 발생하는데, 이러한 인접 기지국들의 파일럿 신호 세기를 이동체의 복조기가 측정한다. 이후, 이동체는 복조기를 통해 측정된 파일럿 신호 세기에 따른 PSMM(Pilot Strength Measurement Message : 파일럿 강도 측정 메시지, 이하 PSMM 이라 함)을 해당 기지국으로 전송하는데, 기지국 내의 섹터 및 가상 섹터 추정부(131)는 해당 이동체로부터 수신된 PSMM에 기초하여 파일럿 채널의 수신 세기를 비교한다.
즉, 가장 큰 파일럿 신호를 발생하는 두 기지국의 신호 세기를 비교하여 기준치 이하이면 섹터 경계 지역을 이동체가 존재하는 지역으로 결정하는 반면, 비교값이 기준치 이상이면 최대 신호 세기를 갖는 기지국에 인접한 섹터를 이동체가 존재하는 지역으로 결정한다.
이때, 이동체가 존재하는 지역이 섹터 경계 지역으로 결정되면, 셀 내의 모든 블록을 조사하여 동일한 섹터 경계 번호를 갖는 블록들이 다음 단계의 추정을 위하여 선택되는 반면, 이동체가 존재하는 지역이 섹터로 결정되면, 동일한 섹터 번호를 갖는 블록들이 다음 단계의 추정을 위하여 선택된다.
즉, 해당 블록의 객체 정보에서 섹터 경계 번호와 섹터 번호를 조사하면 해당하는 블록들을 알 수 있다. 추정된 섹터 또는 섹터 경계 지역 내의 블록 검색 과정에 대한 수학식이 아래에 도시되어 있다
여기서 N은 총 블록 수, S는 추정된 섹터 번호, NS는 섹터 추정에 의해서 추정된 블록 수, BK는 블록 번호이다.
다음으로, 존 및 가상 존 추정 부(132)는 추정된 섹터(또는 섹터 경계 지역) 내에서 이동체가 위치한 존을 추정한다.
즉, 존 및 가상 존 추정 부(132)는 두 존을 구분하는 신호의 세기가 기준치 이하이면, 이동체가 두 존의 경계 지역에 있다고 추정하는 반면, 신호의 세기가 기준치 이상이면 이동체가 존 내에 있다고 추정한다.
이러한 존 또는 존 경계 지역 추정 과정에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 각 기지국은 주기적으로 파일럿 신호를 발생하는데, 이때 이동체 내의 복조기는 현재 이동체가 위치하고 있는 기지국의 파일럿 신호 세기를 측정하며, 이동체는 측정된 파일럿 신호 세기에 따른 PSMM을 해당 기지국으로 전송한다.
이후, 기지국 내의 존 및 가상 존 추정부(132)는 LOS 알고리즘과 NLOS 보상치를 이용하여 존을 결정한다. 이때, 존을 구분하는 신호의 세기가 기준치 이하이면 두 존의 경계 지역을 이동체가 위치한 지역으로 결정하는 반면, 존을 구분하는 신호의 세기가 기준치 이상이면 이동체가 존 내에 있다고 추정한다.
이후, 존 경계 지역으로 추정되면, 존 및 가상 존 추정부(132)는 섹터 및 가상 섹터 추정부(131)를 통해 추정된 블록들 중, 동일한 존 경계 번호를 갖는 블록들을 선택하는 반면, 존 내에 이동체가 있다고 추정되면, 섹터 및 가상 섹터 추정부(131)를 통해 추정된 블록들 중, 동일한 존 번호를 갖는 블록들을 다음 단계의 추정을 위하여 선택한다.
여기서 NS은 섹터 추정에 의하여 추정된 블록 수, T는 추정된 존 번호, Nr는 존 추정에 의해서 추정된 블록 수, BK는 블록 번호이다.
다음으로, 블록 및 가상 블록 추정 부(133)는 존 추정 단계에서 추정된 블록 중에서 이동체가 현재 위치하고 있는 블록을 추정한다. 이러한 블록 추정 단계에 대해 자세히 언급하면 다음과 같다.
먼저, 이동체에 인접한 기지국들은 주기적으로 파일럿 신호를 발생하는데, 이때 이동체 내의 복조기는 인접한 기지국들로부터 수신한 파일럿 신호의 세기를 측정하며, 이동체는 측정된 파일럿 신호 세기에 따른 PSMM을 해당 기지국으로 전송한다.
이후, 기지국 내의 블록 및 가상 블록 추정부(133)는 두 기지국의 파일럿 신호 세기를 비교하여 두 신호의 상대적인 지연(delay) 차이를 알 수 있는데, 이 차이를 이용하여 이동체와 두 기지국간의 거리 차이를 추정할 수 있다.
즉, 지연값이 기준치 이하이면, 이후에 추정되는 블록이 속한 클러스터의 가상 블록이 이동체가 위치한 블록으로 추정하는 반면, 지연값이 기준치 이상이면, 이후에 추정되는 블록이 이동체가 위치한 블록으로 추정한다.
이후, 블록 및 가상 블록 추정부(133)는 두 기지국의 거리의 차이를 이용하여 최적의 블록을 추정하는데, 이때 거리의 차이를 평면적인 블록의 위치로 계산한다. 그 과정은 다음과 같다.
먼저, 블록 및 가상 블록 추정부(133)는 존 추정 단계에서 추정된 블록들의 상대적인 위치를 알기 위하여 각 블록들에게 일련 번호를 부여한 후, 거리의 차이를 블록의 위치로 나타내면 아래의 식과 같다.
BK= PSS|A-B|(d)/L
여기서 BK는 블록의 상대적인 위치, PSS|A-B|(d)는 기지국 A에서 이동체까지의 거리와 기지국 B에서 이동체까지의 거리의 차, L은 블록 한 변의 길이이다.
이후, 아래에 기재되어 있는 [표 2]의 블록 결정식을 이용하여 임시 일련 번호 및 블록 번호를 결정한다.
[표 2]
상기와 같은 구조를 이루는 이동체 위치 추적 시스템의 동작 과정을 첨부된 도 7을 이용하여 대략적으로 알아보면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이동체 위치 추적 시스템의 동작 과정을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도시되어 있듯이, 먼저 이동체 위치 추정을 수행하기 전에, 셀 세분화 작업과 수신 신호 세기 연관 작업을 통하여, 셀을 블록 단위로 나누고 각각의 블록 정보를 생성하여 데이터베이스를 구축하는 단계를 거친다. 추정기가 기지국에 설치되면 자동적으로 3 단계 정의 과정을 통하여 셀을 블록으로 나누고 블록 정보를 생성한다(S701, S702, S703).
이후, 각 기지국들이 주기적으로 파일럿 신호를 발생(S704)하면, 이동체는 인접 또는 자신의 기지국으로부터 수신된 파일럿 신호의 세기를 복조기를 통해 측정(S705)한 후, 측정된 파일럿 신호 세기에 기초한 PSMM을 해당 기지국으로 전송한다.
이 신호 세기 정보를 이용하여, 이동체 위치 추정부(130)는 섹터 추정, 존 추정, 블록 추정 기번에 근거하여 이동체의 위치를 섹터 및 가상 섹터, 존 및 가상 존, 블록 및 가상 블록 추정 단계를 거쳐 이동체의 위치를 추정한다(S706, S707, S708).
이러한 이동체 추정 과정은 한 번의 파일럿 신호 발생으로 추정 과정이 시작되고 최종적으로 블록을 추정한 후에 다시 반복된다. 즉, 섹터 추정 단계에서 셀 내의 그 섹터에 해당하는 다수의 블록들이 추정되고, 다음으로 존 추정 단계에서 추정된 블록들 중 그 존에 해당하는 블록들이 추정되고, 그 블록들 중에서 최적의 블록이 블록 추정 단계에서 선택된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이동체 위치 추적 시스템은 셀을 섹터로 분할하고, 분할된 섹터를 다시 존으로, 존을 블록을 세분화하는 지역 분할과 함께, 섹터간의 경계 지역, 존간의 경계 지역, 블록간의 경계 지역을 포함하는 가상 지역 개념을 추가하여 이동체의 위치를 정확히 추적함으로서, 이동체의 위치 추정 과정을 단순 및 단계화하여 위치 추정에 대한 정밀도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, NLOS 환경 하에서 발생하는 추정 오류를 개선하여 위치 추정 오류율을 줄일 수 있다.
도면과 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따른 지역 분할과 가상 지역 개념을 이용한 이동체 위치 추적 시스템 및 그 방법은 지역 분할과 함께, 섹터간의 경계 지역, 존간의 경계 지역, 블록간의 경계 지역을 포함하는 가상 지역 개념을 추가하여 이동체의 위치를 정확히 추적함으로서, 이동체의 위치 추정 과정을 단순 및 단계화하여 위치 추정에 대한 정밀도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, NLOS 환경 하에서 발생하는 추정 오류를 개선하여 정확한 이동체의 위치를 추정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동체 위치 추적 시스템의 세부적인 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 정의된 셀의 세부적인 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 존과 파일럿 신호 세기와의 상호 관계를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 극좌표로 정의한 이동체의 상대적 위치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 벡터를 이용한 블록 인식 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 블록 경계 지역을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이동체 위치 추적 시스템의 동작 과정을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
100 : 이동체 위치 추적 시스템 110 : 신호 세기 결정부
120 : 이동체 위치 정의부 121 : 섹터 및 가상 섹터 정의부
122 : 존 및 가상 존 정의부 122a : LOS 모델 정의부
122b : NLOS 모델 정의부 123 : 블록 및 가상 블록 정의부
130 : 이동체 위치 추정부 131 : 섹터 및 가상 섹터 추정부
132 : 존 및 가상 존 추정부 133 : 블록 및 가상 블록 추정부

Claims (12)

  1. 기지국에서 이동체의 위치를 추적하는 시스템에 있어서,
    이동체가 다수 기지국들로부터 수신한 파일럿 신호의 세기를 측정하여 해당 기지국으로 전송할 경우, 상기 전송된 파일럿 신호의 세기를 정량화하는 신호 세기 결정부;
    상기 이동체가 위치한 셀을 소정 개수의 섹터 및 상기 섹터간의 경계 지역인 섹터 경계지역, 각 섹터를 소정 개수의 존 및 상기 존간의 경계 지역인 존 경계지역, 및 각 존을 소정 개수의 블록 및 상기 블록간의 경계 지역인 블록 경계지역으로 분할하여 정의하는 이동체 위치 정의부; 및
    상기 정량화된 파일럿 신호 세기와 기준값과의 비교 결과에 따라, 상기 분할 정의된 셀 내에서 상기 이동체가 위치한 섹터 또는 섹터 경계지역을 추정하고, 상기 추정된 섹터 또는 섹터 경계지역에서 존 또는 존 경계지역을 추정하며, 상기 추정된 존 또는 존 경계지역에서 블록 또는 블록 경계지역을 추정하는 이동체 위치 추정부
    를 포함하는 이동체 위치 추적 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동체 위치 정의부와 이동체 위치 추정부는, 상기 이동체가 위치한 지역을 가시선(LOS) 환경의 지역과 비가시선(NLOS) 환경의 지역으로 구분하여 분할 정의 및 추정하는 것을 특징으로 하는 이동체 위치 추적 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 이동체 위치 정의부는,
    상기 분할 정의된 각 섹터 내의 블록에 섹터 번호를 각각 부여하고, 상기 섹터 경계지역에 있는 블록에는 섹터 경계 번호를 각각 부여하는 섹터 및 가상 섹터 정의부;
    상기 분할 정의된 각 존 내의 블록에 존 번호를 각각 부여하고, 상기 존 경계지역에 있는 블록에는 존 경계 번호를 각각 부여하는 존 및 가상 존 정의부; 및
    상기 분할 정의된 각 블록에 블록 번호를 각각 부여하고, 상기 블록 경계지역에는 있는 블록에는 블록 경계 번호를 각각 부여하는 블록 및 가상 블록 정의부
    를 포함하는 이동체 위치 추적 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 존 및 가상 존 정의부는,
    상기 이동체로부터 수신된 파일럿 신호 세기에 따라, 상기 분할 정의된 존 및 존 경계지역에 존 번호 및 존 경계 번호를 각각 부여하는 가시선(LOS) 모델 존 정의부; 및
    상기 이동체가 비가시선 환경의 특정 지역에 있을 경우, 소정의 가중치 값에 따라 상기 분할 정의된 존 및 존 경계지역에 존 번호 및 존 경계 번호를 각각 부여하는 비가시선(NLOS) 모델 존 정의부
    를 포함하는 이동체 위치 추적 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 블록 및 가상 블록 정의부는, 4개의 블록을 하나의 클러스터로 정의하고, 상기 정의된 클러스터 중심 지역을 가상 블록으로 정의하여 상기 정의된 가상 블록에 상기 블록 경계 번호를 각각 부여하는 것을 특징으로 하는 이동체 위치 추적 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 블록에 관한 정보는, 상기 섹터 번호, 존 번호, 블록 번호 및 상기 블록의 셀 내 위치를 나타내는 벡터 정보, 상기 블록이 가시선 지역의 블록일 경우에는 평균 파일럿 신호 세기의 최소치와 최대치, 상기 블록이 비가시선 지역의 블록일 경우에는 보상값 및, 해당 블록의 노드 또는 가지에 관한 비트값에 관한 정보를 포함하는 이동체 위치 추적 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이동체 위치 추정부는,
    상기 이동체로부터 두 개의 가장 큰 파일럿 신호가 수신되면, 상기 수신된 두 파일럿 신호 세기의 차이값과 상기 기준값과의 비교 결과에 따라 상기 이동체가 위치한 섹터 또는 섹터 경계지역을 추정하는 섹터 및 가상 섹터 추정부;
    상기 추정된 섹터 또는 섹터 경계지역에서 상기 수신된 두 파일럿 신호 세기의 차이값과 상기 기준값과의 비교 결과에 따라 상기 이동체가 위치한 존 또는 존 경계지역을 추정하는 존 및 가상 존 추정부; 및
    상기 추정된 존 또는 존 경계지역에서 상기 수신된 두 파일럿 신호 세기의 차이값에 따른 기지국간의 거리차를 이용하여 상기 이동체가 위치한 블록 또는 블록 경계지역을 추정하는 블록 및 블록 섹터 추정부
    를 포함하는 이동체 위치 추적 시스템.
  8. 기지국에서 이동체의 위치를 추적하는 방법에 있어서,
    a) 이동체가 다수 기지국들로부터 수신한 파일럿 신호의 세기를 측정하여 해당 기지국으로 전송하면, 상기 전송된 파일럿 신호의 세기를 정량화하는 단계;
    b) 상기 이동체가 위치한 셀을 다수의 섹터로 분할한 후, 상기 분할된 다수의 섹터를 다수의 존으로 각각 분할하고, 상기 분할된 다수의 존을 다수의 블록으로 각각 분할하여 정의하는 단계; 및
    c) 상기 정량화된 파일럿 신호 세기와 기준값과의 비교 결과에 따라, 상기 분할 정의된 셀 내에서 상기 이동체가 위치한 섹터, 상기 섹터 내의 존 및, 상기 존 내의 블록을 단계적으로 추정하는 단계
    를 포함하는 이동체 위치 추적 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 b) 단계는 상기 이동체가 위치한 지역을 가시선 환경의 지역과 비가시선 환경의 지역으로 구분하여 분할 정의하는 단계를 포함하고,
    상기 c) 단계는 상기 분할 정의된 셀 내에서 상기 이동체가 위치한 최종 블록을 단계적으로 추정하는 단계
    를 포함하는 이동체 위치 추적 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 b) 단계는,
    b-1) 상기 셀을 소정 개수의 섹터 및 상기 섹터간의 경계 지역인 섹터 경계지역으로 각각 분할하여 정의하는 단계;
    b-2) 각 섹터를 소정 개수의 존 및 상기 존간의 경계 지역인 존 경계지역으로 각각 분할하여 정의하는 단계; 및
    b-3) 각 존을 소정 개수의 블록 및 상기 블록간의 경계 지역인 블록 경계지역으로 각각 분할하여 정의하는 단계
    를 포함하는 이동체 위치 추적 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 b) 단계는,
    b-4) 상기 분할 정의된 각 섹터 내의 블록에 섹터 번호를 각각 부여한 후, 상기 섹터 경계지역에 있는 블록에 섹터 경계 번호를 각각 부여하는 단계;
    b-5) 상기 분할 정의된 각 존 내의 블록에 존 번호를 각각 부여한 후, 상기 존 경계지역에 있는 블록에 존 경계 번호를 각각 부여하는 단계; 및
    b-6) 상기 분할 정의된 각 블록에 블록 번호를 각각 부여한 후, 상기 블록 경계지역에는 있는 블록에 블록 경계 번호를 각각 부여하는 단계
    를 추가로 포함하는 이동체 위치 추적 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 c) 단계는,
    c-1) 상기 이동체로부터 두 개의 가장 큰 파일럿 신호가 수신되면, 상기 수신된 두 파일럿 신호 세기의 차이값과 상기 기준값과의 비교 결과에 따라 상기 이동체가 위치한 섹터 또는 섹터 경계지역을 추정하는 단계;
    c-2) 상기 추정된 섹터 또는 섹터 경계지역에서 상기 수신된 두 파일럿 신호 세기의 차이값과 상기 기준값과의 비교 결과에 따라 상기 이동체가 위치한 존 또는 존 경계지역을 추정하는 단계; 및
    c-3) 상기 추정된 존 또는 존 경계지역에서 상기 수신된 두 파일럿 신호 세기의 차이값에 따른 기지국간의 거리차를 이용하여 상기 이동체가 위치한 블록 또는 블록 경계지역을 추정하는 단계
    를 포함하는 이동체 위치 추적 방법.
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