KR100529266B1 - 무선 위치 추정 핸드셋 장치 - Google Patents

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KR100529266B1
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쯔네하라가쯔히꼬
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

주기적인 신호가 셀룰러 기지국으로부터 전송된다. 1 사이클동안의 신호의 용량을 갖는 메모리 회로(17)가 제공된다. 새롭게 수신된 정보는 메모리 회로 내에 미리 축적된 정보에 가산되고, 그 결과적인 정보는 메모리 회로 내에 다시 축적되어, 메모리 회로 내에 저장된 수신 정보가 신호의 1 사이클 동안만의 용량을 가질 수 있게 된다. 셀룰러 통신 시스템을 이용하여 이동국의 위치가 추정되는 경우에, 종래에 장기간동안 가간섭성 가산을 수행하기 위해서는 대용량의 메모리가 요구되었던 것에 반하여, 본 발명은 회로 규모 및 메모리의 용량을 감소시킬 수 있고, 장기간의 가간섭성 가산에 요구되는 동작의 횟수도 감소시킬 수 있다.

Description

무선 위치 추정 핸드셋 장치{WIRELESS LOCATION HANDSET APPARATUS}
본 발명은 셀룰러 통신을 이용하여 위치 추정되는 이동국에 관한 것이다.
일본 특개평 7-181242호는 각각의 기지국이 셀룰러 스킴에 따라 GPS 동기화된 CDMA 기초 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템에서, 이동국은 각 기지국으로부터 전송된 파일럿 신호의 수신 타이밍을 관찰함으로써 위치 추정된다.
도 3은 상관 계산(correlation)의 예시적인 결과를 나타내고 있다. 도시된 그래프에서, "지연 프로파일"로 표시된 것은 어떤 지연된 경로가 관찰되는지를 나타낸다. 수평축은 지연 시간, 즉 전송 타이밍에 의해 보상된 수신 타이밍을 나타낸다. 지연 시간은 확산 코드의 칩의 수로 변환된 단위로 표시된다. 수직축은 상관 계산의 출력을 나타내며, 여기에서 큰 상관값은 신호의 수신, 즉 경로의 존재를 나타낸다. 이러한 결과들을 이용하면, 기지국으로부터 이동국으로 전파하는 데에 요구되는 파동의 상대적인 지연 시간을 구할 수 있다. 여기에서, 이동국에서의 절대 시간이 미지수이기 때문에, 지연 시간은 상대적인 값으로 표현된다. 구해진 상대적인 지연값에 광속을 승산하여 의사 거리(pseudo range)를 구할 수 있다. 적어도 3개 이상의 기지국에 대하여 의사 거리를 구할 수 있으면, 삼각 측량법을 통해 이동국의 위치를 추정할 수 있다.
이동국은 기지국으로부터의 신호를 검출하기 위한 상관 계산 회로(역확산 회로)를 이용하여 경로의 위치를 추정할 수 있다. 경로의 위치를 더 상세하게 추정하기 위해, 도 3에 도시된 것과 같은 지연 프로파일이 생성되어, 코드가 피크를 나타내는 수개의 위상점이 얻어진다. 그 다음, 그 점들이 내삽되어 샘플 간격 내에 존재할 가능성이 있는 피크가 추정된다. 이러한 방식에서, 위치 검출은 복수의 신호 위상점에 대한 역확산을 포함한다. 그러나, 하드웨어에 다수의 역확산 회로를 병렬로 설치하면, 회로의 규모가 증가한다.
한편, 즉각적인 응답을 제공하기 위해, 위치 검출과 연관된 작업은 요구되지 않는다. 따라서, 수신 데이터가 일단 메모리에 저장되면, 적은 수의 역확산 회로를 반복적으로 이용하여, 회로 규모의 증가를 방지할 수 있다. 그러나, 복수의 기지국에서, 원격 기지국으로부터의 신호는 인접 기지국으로부터의 신호보다 약하기 때문에, 상관 계산이 장시간동안 수행되어야 한다. 이와 같이 장시간동안 데이터를 저장하기 위해서는 대용량의 메모리가 필요하다.
장시간동안 수행되는 상관 계산은 아래에 논의되는 것과 같은 또 다른 문제점을 포함한다. 이동 통신에서 이용되는 일부 이동국은 단가 절감을 위해 주파수 정밀도가 그다지 높지 않은 국부 발진기를 이용하며, 인접 기지국에 동기화되어 캐리어 주파수 오프셋을 감소시킨다(자동 주파수 제어(AFC) 기능). 그러나, AFC 기능의 능력이 제한되면, 이동국과 기지국 사이에 수 ㎐의 주파수 차이가 남게되어, 페이딩이 발생하지 않는 경우에도 완전한 동기화가 이루어질 수 없다. 이러한 이유로 인해, 수신된 신호의 위상은 수 ㎐의 느린 회전을 나타낸다. 따라서, 이동국의 사용자가 정지해 있거나 도보 속도 정도의 수준으로 천천히 이동하고 있는 경우에도 수신 신호는 회전하기 때문에, 장시간동안 가간섭성 가산(coherent adding)을 수행하기가 어렵게 된다.
여기에서, 가간섭성 가산은 신호의 위상을 정정하면서 신호를 가산하기 위한 프로세스를 의미한다. N 코드에 대해 수행된 가간섭성 가산을 이용하면, 원하는 신호 성분은 N2배의 전력을 가지며, 잡음 전력 또는 간섭 전력은 N배가 된다. 따라서, 신호 대 잡음 전력비는 인수 N에 의해 개선된다. 그러나, 위상의 회전은 원하는 신호의 가간섭성 가산을 방해하며, 따라서 이러한 효과는 감소된다.
원격 기지국으로부터의 신호는 감소된 S/I (신호 대 간섭 전력비)를 갖기 때문에, 신호 품질을 향상시키기 위해, 가간섭성 가산의 횟수는 증가되는 것이 바람직하다. 그러나, 상술한 위상 회전 현상으로 인해, 가간섭성 가산의 횟수는 일정한 한계 이상으로 증가되어서는 안 된다. 예를 들어, 캐리어 주파수가 800㎒이고 AFC 이후의 주파수 안정도가 0.01ppm인 이동국을 이용할 때, 위상 회전의 주파수는 8㎐인 것으로 계산된다. 가간섭성 가산에 요구되는 위상 회전의 한계가 45도 이내인 것으로 가정하면, 가간섭성 가산은 0.015625초(=1/8 × 45/360) 이내에 수행될 수 있는 것으로 이해된다. 가간섭성 가산이 이보다 긴 시간동안 수행된 경우, 그 결과는 S/I비를 감소시키는 신호 벡터의 회전이 될 것이다.
상기의 문제점은, 셀룰러 통신 시스템에서 적어도 제1 및 제2 기지국으로부터의 신호를 이용하여 이동국의 위치를 추정하기 위한 것으로서, 제1 기지국으로부터 수신된 신호에 대한 위상 회전량이 추정되는 무선 위치 추정 핸드셋 장치에 있어서, 위상 회전량이 보상된 수신된 신호를 축적하기 위한 메모리 회로(17)를 포함하는 무선 위치 추정 핸드셋 장치에 의해 해결된다.
주기적인 신호가 셀룰러 기지국으로부터 전송된다. 메모리 회로는 1 사이클에 대한 신호를 축적하기 위한 용량을 갖는다. 새롭게 수신된 정보는 메모리 회로 내에 미리 축적된 정보에 가산되고, 그 결과적인 정보가 다시 축적되어 신호의 1 사이클에 대한 용량을 초과하는 메모리 용량을 제거한다. CDMA 기지국으로부터 전송된 파일럿 신호는 비변조 신호이기 때문에, 26.6㎳의 PN 코드 사이클로 동일한 패턴이 반복됨에 유의한다. 따라서, 이 경우에는 메로리 회로는 26.6㎳동안 정보를 저장하기 위한 용량만을 가지면 된다.
셀룰러 통신 시스템을 이용하여 이동국의 위치를 추정하기 위한 본 발명에 따르면, 회로 규모 및 메모리의 양을 감소시키는 것은 물론, 장기간의 가간섭성 가산에 요구되는 동작의 횟수를 감소시키는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 나타낸다.
안테나(1)에 의해 수신된 신호는 RF부(2)에 의해 기저대역 신호로 변환된다. 변환된 신호는 A/D 변환기(3)에 의해 다시 디지탈 신호로 변환된다. CDMA 신호 처리부(4)는 기지국으로부터 송출된 기준 신호에 대한 수신 타이밍을 측정한다. 수신 타이밍은 기준 신호에 대한 수신된 신호의 상관 계산(역확산)을 수행함으로써 구할 수 있다. CDMA 신호 처리부(4)는 기지국 상에서 정보를 수신한다. 예를 들어, cdma-one 스킴을 따르는 셀룰러 시스템에서, 각 기지국이 기준 신호를 전송하는 타이밍은 SYNC 채널 내에 저장된 PN 코드 전송 타이밍의 오프셋 값으로부터 구할 수 있다. 따라서, 전송 타이밍이 계산될 수 있다. 이동국은 수신 타이밍으로부터 전송 타이밍을 감산하여 전파 지연을 구한다. CPU(6)는 구해진 전송 및 수신 타이밍으로부터 전파 거리를 추정하고, 그 결과 얻어진 정보로부터 이동국의 위치를 추정하는 부분이다.
도 2는 CDMA 신호 처리부(4)를 상세하게 도시하고 있다.
A/D 변환기(3)의 출력은 선택기(18)에 의해 선택되고, 피크 검출 회로로 입력된다. 피크 검출 회로는 역확산 회로(19) 및 프로파일 작성 회로(21)를 갖는다. 역확산 회로(19)는 슬라이딩 상관 동작(sliding correlation operation)을 수행하여, 확산 코드를 변경하면서 경로 수신 타이밍을 구한다. 프로파일 작성 회로(21)는 큰 전력을 갖는 유효 경로를 찾기 위한 장치이다.
SYNC 채널 수신기는, 경로가 찾아진 때, 기지국으로부터 동시에 전송된 SYNC 채널들을 수신하기 위한 장치이다. CDMA 스킴의 SYNC 채널은 기지국의 전송 타이밍, 즉 PN 코드 타이밍 오프셋 값에 관한 정보를 포함한다. 이 정보는, 기지국이 PN 코드를 전송할 때, 시스템 타임에 대한 전송 타이밍의 지연을 나타내고, 기지국이 신호를 전송하는 타이밍을 밝히는 데에 이용된다. 또한, 정보는 기지국을 식별하기 위한 ID를 포함하기 때문에, 기지국이 식별될 수 있다. 기지국 ID 정보는 기지국의 위치를 검색하는 데에 이용될 수 있다. 기지국에 관한 위치 정보는 이동국의 메모리 내에 포함되거나 네트워크를 통해 얻어질 수 있다.
SYNC 채널의 수신은 다음과 같은 과정으로 수행된다. 특히, 역확산 회로(7) 내의 신호 생성기는, 피크 검출 회로에서 검출된 경로 위상에서 SYNC 채널의 확산 코드를 이용하여 역확산을 수행한다. 채널 추정 회로(9)는 역확산 회로(8)의 결과들의 평균을 구하여 채널을 추정한다. 추정된 채널의 복소 공액이 계산되어 채널 상에 나타나는 위상 회전량을 보상하기 위한 벡터가 구해진다. 검출기 회로(10)는 역확산 회로(8)의 출력에 위상 회전 보상을 벡터를 승산하여 검출을 수행한다. 그 다음의 디-인터리브 회로(11), 디-레퍼티션 회로(de-repitition circuit)(12), 비터비 디코딩 회로(13), 디-프레이밍 회로(de-framing circuit)(14)는 정보 전송을 위해 수행되었던 채널 엔코딩을 디코딩하고 프레임을 분해하기 위한 부분들이다. SYNC 채널 내에 포함된 기지국 정보(PN 코드 타이밍 오프셋, 기지국 ID 등)는 이러한 부분들에 SYNC 채널을 통과시킴으로써 추출된다.
이동국과 기지국 간의 주파수 차이는 채널 추정 회로(9)의 결과로부터 감지되어, 도 1의 AFC(5) 상에서 제어 정보를 작성할 수 있게 한다. 또한, 추정된 채널에 의해 수신된 신호의 위상 회전을 추정할 수 있다. 승산기(15)는 수신된 신호의 위상 회전을 보상한다. 수신 신호는, 위상 회전이 억제된 후 메모리 회로(18) 내에 축적된다. 여기에서, 메모리 회로(17)는 파일럿 신호의 PN 코드의 길이에 대해 데이터를 축적할 수 있다. 가산기(16) 내에서, 후속하여 수신되는 PN 코드의 길이에 대한 정보는 메모리(17) 내에 미리 축적되어 있는 정보에 가산되고, 그 결과가 다시 메모리(17) 내에 축적된다. 결과적으로, 메모리 회로(17) 내에 축적된 정보가 업데이트된다. 업데이트가 여러회 수행됨에 따라 S/I(신호 대 간섭 전력비)도 향상된다.
다음으로, 가간섭성 가산을 수행하기 위한 방법이 도 4를 참조하여 설명된다. 수신된 정보 내의 파일럿 신호는, 매 PN 코드 사이클마다 완전히 동일한 패턴을 반복하는 비변조 신호이다. GPS에 의해 각각의 기지국들 간의 동기화가 보장되기 때문에, 파일럿 신호는 서로 빗나가지 않는다. 또한, 수신된 파일럿 신호는 도 2의 채널 추정 회로(9) 및 승산 회로(15)에 의해 회전량이 보상된다. 따라서, 각각의 코드 사이클에서의 축적 결과가 매치된 샘플 타이밍에서 가산되어, 수신된 신호에서의 파일럿 신호의 가간섭성 가산이 구현된다. 도 4는 사이클 1 내지 N 각각의 샘플 탕이밍에서 샘플링된 신호가 이 순서대로 가산된 것을 나타낸다.
다음으로, 회전량의 보상이 설명될 것이다. 위상 회전은 수신된 신호의 품질이 최상인 기지국으로부터의 신호를 이용하여 추정된다. 수신된 신호의 위상의 회전은 기지국과 이동국 간의 캐리어 주파수의 오프셋 또는 가변 채널의 페이딩의 영향에 의해 유발된다.
기지국들 간의 주파수 오프셋은 작기 때문에, 모든 기지국과 관련된 캐리어 주파수 오프셋은, 특정 기지국으로부터 전송된 신호로부터 유도된 회전 보상에 의해 보상될 수 있다. 주파수 오프셋이 시간 변동의 작은 오프셋값이기 때문에, 통계적인 계산에 의해 오프셋값을 추정하는 선형 보상이 주파수 오프셋을 다루는 데에 효과적이다. 이러한 방법의 이용은 미리 수신된 신호로부터도 주파수 오프셋이 추정될 수 있게 한다. 물론, 주파수 오프셋에 대한 보상은 매 PN 코드 사이클 또는 매 프레임 사이클마다 채널을 추정하여 다음 사이클에서의 위상 회전 보상량을 추정하는 접근 방식에 의해 효과적으로 구현될 수 있다.
한편, 페이딩이 기지국에 미치는 영향은 각 기지국마다 상이하기 때문에, 단일 기지국으로부터의 정보를 이용하여 모든 기지국으로부터의 신호를 보상할 수는 없다. 따라서, 페이딩의 영향이 큰 경우, 가간섭성 가산은 일정한 접근 방법에 의한 적절한 횟수 이후에는 컷오프되어야만 한다.
가간섭성 가산이 컷오프되는 조건이 다음에 설명될 것이다. 역확산 회로(8) 및 채널 추정용의 채널 추정 회로(9)는 하나가 아닌 복수의 기지국으로부터의 파일럿 신호의 채널을 추정한다. 상관 계산용의 회로(22)는, 이러한 상이한 기지국들에 의해 만들어진 추정 결과들에 대해 상관값을 계산한다. 상관값의 절대값이 작을수록 페이딩의 영향이 크다. 따라서, 메모리 회로(17) 내에서의 정보 축적은 상관값이 임계치 이하로 떨어진 때에 컷오프된다. 예를 들어, 적절한 임계값은 약 0.7일 수 있다. 이 값은, 제2 기지국으로부터의 신호가 제1 기지국으로부터의 신호에 대해 45도 회전한 것에 해당하며, 약 3㏈의 열화를 의미한다.
가간섭성 가산이 컷오프되는 또 다른 조건이 아래에 설명될 것이다. 가간섭성 가산과의 관계는 각 기지국들 간의 위상 회전 양에 있어서의 증가된 차이이다. 따라서, 복수의 기지국으로부터의 파일럿 신호로부터 채널이 추정되고, 그 기지국들 간에서의 채널의 위상 회전의 차이가 구해진다. 차이가 일정한 값을 초과한다면, 이는 페이딩이 채널 상에 미치는 영향이 커짐을 의미하므로, 메모리 회로(17) 내에서의 정보 축적은 컷오프된다. 예를 들어, 위상 회전의 차이가 45도를 초과하는 조건에서 축적이 컷오프된다. 축적의 컷오프가 상관값에 기초하여 결정되는 경우에, 이러한 조건은 상관값 0.7에 해당한다.
상술한 컷오프 조건 중 하나에 기초하는 적절한 PN 코드 사이클 동안, 메모리 회로(17) 내에 데이터가 축적된 후, 선택기(18)가 스위칭되어 메모리 회로(17) 내에 축적된 내용이 피크 검출 회로에 입력된다. 이 방법에서, 메모리 회로(17) 내에 축적된 파일럿 신호가 역확산될 수 있다. 수신된 데이터가 메모리 회로(17) 내에 축적되기 때문에, 동일한 정보가 임의의 횟수만큼 반복하여 제공될 수 있다. 신호 위상은 역확산 회로(19) 내에서 변경되고, 역확산은 가변 지연량을 이용하여 수행될 수 있다. 그러므로, 역확산 회로의 규모를 증가시키지 않고서도 지연 프로파일을 작성할 수 있다. 또한, 메모리 회로(17)는 하나의 PN 코드 사이클동안 데이터를 저장하는 데에 충분한 용량만을 필요로 하기 때문에, 메모리 회로(17)의 규모도 감소될 수 있다. 가간섭성 가산 회로(20)는 PN 코드의 길이동안 가간섭성 가산을 수행하기 위한 부분이다. 복수의 PN 코드 길이에 걸친 가간섭성 가산은 데이터가 메모리 회로(17)에 축적되는 때에 완료되기 때문에, 가간섭성 가산 동작은 PN 코드 길이에 대해 충분하다. 그러므로, 지연 프로파일을 작성하는 데에 필요한 동작의 횟수를 감소시킬 수 있다.
메모리 회로의 규모를 감소시키기 위해, 오버샘플링의 수도 감소되는 것이 바람직하다. 이전에 제작된 프로파일로부터 피크값을 추정하기 위해 내삽이 수행되기 때문에, 메모리 회로(17) 내에 축적된 정보는 2배로 오버샘플링이 되어, 메모리의 양을 감소시키는 효과를 증대시킨다.
셀룰러 통신 시스템을 이용하여 이동국의 위치를 추정하기 위한 본 발명에 따르면, 회로 규모 및 메모리의 양을 감소시키는 것은 물론, 장기간의 가간섭성 가산에 요구되는 동작의 횟수를 감소시키는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이동국의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이동국 내의 CDMA 신호 처리부의 구성을 나타내는 블록도.
도 3은 이동국에서 수신된 신호 상에 수행된 상관 계산의 결과를 나타내는 도면.
도 4는 메모리 회로 내에서의 정보 축적 방법을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 안테나
2 : RF부
3 : ADC
4 : CDMA 신호 처리부
5 : AFC
6 : CPU
7, 8 : 역확산부
9 : 채널 추정부
10 : 검출기 회로
11 : 디-인터리브 회로
12 : 디-레퍼티션 회로
13 : 비터비 디코딩 회로
14 : 디-프레이밍 회로
15 : 승산기
16 : 가산기
17 : 메모리 회로
18 : 선택기
21 : 프로파일 작성 회로
22 : 상관 계산용 회로

Claims (9)

  1. 셀룰러 통신 시스템에서 적어도 제1 및 제2 기지국으로부터의 신호를 이용하여 핸드셋의 위치를 추정하는 무선 위치 측정 핸드셋 장치로서,
    적어도 상기 제1 기지국으로부터의 신호와 상기 제2 기지국으로부터의 신호를 포함하는 수신신호를 수신하는 수신부와,
    상기 수신신호로부터 추출되는, 상기 제2 기지국으로부터의 신호보다 수신품질이 양호한 상기 제1 기지국으로부터의 신호의 위상 회전량을 추정하는 채널 추정회로와,
    상기 위상 회전량에 기초하여 적어도 상기 제1 기지국으로부터의 신호와 상기 제2 기지국으로부터의 신호를 포함하는 상기 수신신호의 위상회전을 보정한 신호를 축적하는 메모리 회로
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 측정 핸드셋 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 기지국으로부터 주기적으로 전송된 신호에 동기하여, 상기 위상회전 보정된 수신신호를 상기 메모리 회로에 축적된 상기 주기의 동일한 타이밍의 정보에 가산하는 가산기를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 측정 핸드셋 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 채널 추정회로는, 상기 제2 기지국에 관한 위상 회전량의 추정을 수행하고, 상기 제1 및 제2 기지국에 관한 위상 회전량의 차를 계산하고,
    상기 위상 회전량의 차가 임계치 이하인 동안 상기 메모리 회로의 값을 반복하여 업데이트하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 측정 핸드셋 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 기지국에 대한 위상 회전량을 추정하기 위한 위상 회전 추정 회로; 및
    상기 제1 기지국에 대한 위상 회전량과 상기 제2 기지국에 대한 위상 회전량의 상관값을 계산하기 위한 상관 계산용 회로
    를 더 포함하고,
    상기 상관값이 임계치 이하인 동안 상기 메모리 회로의 값을 반복하여 업데이트하는 무선 위치 측정 핸드셋 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 메모리 회로는 2배 이상 오버샘플링된 정보를 축적하는 무선 위치 측정 핸드셋 장치.
  6. 셀룰러 통신 시스템에서 복수의 기지국으로부터 오는 신호를 사용하여 핸드셋의 위치를 추정하는 핸드셋 위치 측정 방법으로서,
    상기 핸드셋에 있어서 적어도 제1 기지국으로부터의 신호와 제2 기지국으로부터의 신호를 포함하는 수신신호를 수신하는 단계와,
    상기 수신신호로부터, 상기 제1 기지국으로부터의 신호를 추출하여 상기 제1 기지국으로부터의 신호의 위상 회전량을 추정하는 단계와,
    상기 추정된 위상 회전량에 기초하여 적어도 상기 제1 기지국으로부터의 신호와 상기 제2 기지국으로부터의 신호를 포함하는 상기 수신신호의 위상회전을 보정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 기지국으로부터의 신호는 상기 제2 기지국으로부터의 신호보다 수신품질이 양호한 신호인 것을 특징으로 하는 핸드셋 위치 측정 방법.
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