KR100671685B1 - Method for positioning mobile in wireless communication system - Google Patents

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

본 발명은 무선통신시스템에서의 이동국 위치 추정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것임.The present invention relates to a mobile station position estimation method in a wireless communication system and a computer readable recording medium having recorded thereon a program for realizing the method.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제2. The technical problem to be solved by the invention

본 발명은, 등방향 안테나, 섹타 안테나, 또는 방향성 안테나 등을 사용하는 셀룰라 이동통신망 등과 같은 무선통신망의 다중경로 페이딩 채널 환경에서 신호의 도달시간(TOA)을 이용하여 위치추적시스템(GPS)을 사용하지 않은 이동통신 단말기의 위치를 신속하고 보다 더 정확하게 추정하기 위한 이동국 위치 추정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하고자 함.The present invention utilizes a location tracking system (GPS) using signal arrival time (TOA) in a multipath fading channel environment of a wireless communication network such as a cellular mobile communication network using an isodirectional antenna, sector antenna, or directional antenna. A mobile station position estimation method for quickly and more accurately estimating the position of a mobile communication terminal which is not used and a computer readable recording medium storing a program for realizing the method.

3. 발명의 해결방법의 요지 3. Summary of Solution to Invention

본 발명은, 무선통신시스템의 다중경로 전파환경에서 이동국의 위치를 추정하는 방법에 있어서, 다수의 기지국이 상기 이동국으로부터 수신된 신호의 도달시간(TOA) 정보를 측정하는 단계; 상기 다수의 기지국이 각각의 도달시간(TOA) 정보를 위치정보 처리기로 전송하는 단계; 상기 위치정보 처리기가 상기 각각의 도달시간(TOA)로부터 상기 다수의 기지국과 상기 이동국간의 각각의 거리정보를 산출하는 단계; 및 상기 각각의 거리정보를 바탕으로 상기 이동국의 위치를 추정 - 이때, 상기 도달시간(TOA)를 바탕으로, 최소 자승(Least Square) 알고리즘에 의해 이동국의 위치를 결정하되, 위치 추정 오류를 재귀적 최소 자승(RLS : Recursive Least Square) 알고리즘에 의해 반복적인 방법으로 줄이며, 반사파에 의한 위치 추정 오류를 줄이기 위하여 상기 재귀적 최소 자승(RLS) 알고리즘 사용시에 가중치를 이용함 - 하는 단계를 포함함.A method for estimating the position of a mobile station in a multipath propagation environment of a wireless communication system, the method comprising: measuring, by a plurality of base stations, arrival time (TOA) information of a signal received from the mobile station; Transmitting, by the plurality of base stations, respective arrival time (TOA) information to a location information processor; Calculating, by the location information processor, respective distance information between the plurality of base stations and the mobile station from the respective arrival times (TOAs); And estimating the position of the mobile station on the basis of the respective distance information. In this case, the position of the mobile station is determined by a least square algorithm based on the arrival time (TOA), but the position estimation error is recursively. Reducing iteratively by the Recursive Least Square (RLS) algorithm and using weights when using the Recursive Least Squares (RLS) algorithm to reduce position estimation errors due to reflected waves .

4. 발명의 중요한 용도4. Important uses of the invention

본 발명은 무선통신시스템에서 이동국의 위치 추정 서비스 등에 이용됨.The present invention is used for the position estimation service of a mobile station in a wireless communication system.

도달시간(TOA), 도달각(AOA), 도달시간차(TDOA), 위치 추정, 신호세기Time of arrival (TOA), angle of arrival (AOA), time difference of arrival (TDOA), position estimation, signal strength

Description

무선통신시스템에서의 이동국 위치 추정 방법{Method for positioning mobile in wireless communication system}Mobile station position estimation method in wireless communication system {Method for positioning mobile in wireless communication system}

도 1 은 일반적인 이동통신망에서의 신호의 도달방향(DOA)을 이용한 이동국 위치 추정 방법을 나타낸 설명도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is an explanatory diagram showing a method for estimating a mobile station position using a direction of arrival of a signal in a general mobile communication network.

도 2 는 일반적인 이동통신망에서의 신호의 도달시간차(TDOA)를 이용한 이동국 위치 추정 방법을 나타낸 설명도. 2 is an explanatory diagram showing a method for estimating a mobile station position using a time difference of arrival (TDOA) of a signal in a general mobile communication network;

도 3 은 본 발명이 적용되는 이동통신시스템의 구성 예시도.3 is an exemplary configuration diagram of a mobile communication system to which the present invention is applied.

도 4 는 본 발명에 따른 신호의 도달시간(TOA)을 이용한 이동국 위치 추정 방법을 나타낸 설명도.4 is an explanatory diagram showing a mobile station position estimation method using the arrival time (TOA) of a signal according to the present invention;

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

31 : 이동국(MS) 32 : 기지국(BS)31: mobile station (MS) 32: base station (BS)

33 : 제어국(BSC) 34 : 교환국(MSC)33: control station (BSC) 34: exchange station (MSC)

35 : 위치정보 처리기35: location information processor

본 발명은 등방향 안테나, 섹타 안테나, 또는 방향성 안테나 등을 사용하는 셀룰라 이동통신시스템 등과 같은 무선통신시스템에서 신호의 도달시간(TOA : Time Of Arrival)을 이용하여 위치추적시스템(GPS : Global Positioning System)을 사용하지 않은 이동통신 단말기의 위치를 추정할 수 있는 이동국 위치 추정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다. The present invention relates to a global positioning system (GPS) using a time of arrival (TOA) of a signal in a wireless communication system such as a cellular mobile communication system using an isodirectional antenna, a sector antenna, or a directional antenna. A method for estimating the position of a mobile station capable of estimating the position of a mobile communication terminal without using < RTI ID = 0.0 >) < / RTI > and a computer-readable recording medium having recorded thereon a program for realizing the method.

등방향 안테나, 섹타 안테나, 또는 방향성 안테나를 사용하는 셀룰라 이동통신망에서 이동통신 단말의 위치를 추정하는 기술로는 크게 두 가지로 구분된다. There are two main techniques for estimating the position of a mobile communication terminal in a cellular mobile communication network using an isodirectional antenna, a sector antenna, or a directional antenna.

하나는 이동통신 단말기가 GPS 수신장치를 갖고 있어 GPS 수신 신호를 셀룰라망에 송신하여 위치를 추정하는 단말기 기반의 방법이고, 다른 하나는 이동단말기의 추가 장치없이 셀룰라 이동통신망의 셀/섹타에서 수신한 신호정보를 이용하여 단말기의 위치를 추정하는 통신망 기반의 위치 추정 방법이 있다. One is a terminal based method for estimating the location by transmitting a GPS received signal to the cellular network since the mobile communication terminal has a GPS receiver, and the other is a cell / sector of the cellular mobile communication network without an additional device of the mobile terminal. There is a communication network based location estimation method for estimating the location of a terminal using signal information.

본 발명에서는 후자의 통신망 기반의 위치추정을 기반으로 한다.In the present invention, the latter is based on the position estimation based on the communication network.

현재의 셀룰라 이동통신망에서 기지국은 섹터 안테나 또는 등방향 안테나를 사용하여 이동국의 신호를 수신한다. In the current cellular mobile communication network, a base station receives a signal of a mobile station using a sector antenna or an equidirectional antenna.

이동국가 GPS 수신기를 사용하지 않는 경우, 이동통신 단말기의 변경없이 이동국의 위치를 추정하는 것은 각 이동국로부터 이동국 주위의 여러 기지국에 도달하는 신호의 도달시간(TOA: Time of Arrival) 정보를 이용하는 것이다. 각 기지국에 도달하는 신호의 도달시간을 알면 기지국으로부터 이동국까지의 거리를 환산할 수 있고, 이동국 주위의 여러 기지국에서 획득한 거리정보를 이용하면 신호의 도달각(AOA : Angle of Arrival) 정보없이도 이동국의 위치를 추정할 수 있다. When the mobile station GPS receiver is not used, estimating the position of the mobile station without changing the mobile communication terminal uses time of arrival (TOA) information of a signal reaching each base station from each mobile station. Knowing the arrival time of the signal reaching each base station can convert the distance from the base station to the mobile station, and using the distance information obtained from several base stations around the mobile station, the mobile station can be obtained without the angle of arrival information (AOA). Estimate the position of.

그런데, 각 기지국에 도달하는 신호는 직접파 이외에 반사파가 존재하게 된다. 어떠한 경우에는 기지국에 직접파가 수신되지 않는 경우도 발생한다. 이러한 신호 전파 조건에서 각 기지국에서 측정한 TOA는 오류를 포함하게 되며, 따라서 위치 추정에도 오류가 발생하게 된다. 따라서, 이러한 다중경로 전파 환경에서 이동국의 위치 추정 오류를 줄일 수 있는 방안이 요구된다.By the way, in the signal reaching each base station, the reflected wave exists in addition to the direct wave. In some cases, a direct wave is not received at the base station. Under these signal propagation conditions, the TOA measured by each base station includes an error, and thus an error occurs in the position estimation. Therefore, there is a need for a method of reducing a location estimation error of a mobile station in such a multipath propagation environment.

그럼, 종래의 통신망 기반의 위치 추정 기술에 대해 살펴보기로 한다.Next, a description will be given of a conventional network-based location estimation technique.

우선, 신호세기 측정을 통한 위치 추정 기술에 대해 살펴보면, 두 개의 셀/섹타에서 이동국 신호의 세기를 측정하여 위치를 추정하는 방법이다. 이는 이동국의 송신 전력을 알고 있다고 가정하고 수신신호의 감쇄를 측정하면, 환경에 적합한 전파전파모델을 적용하여 이동국로부터 셀/섹타의 기지국까지의 거리를 환산할 수 있다. First, a position estimation technique through signal strength measurement is a method of estimating a position by measuring the strength of a mobile station signal in two cells / sectors. This assumes that the transmission power of the mobile station is known, and if the attenuation of the received signal is measured, the distance from the mobile station to the base station of the cell / sector can be converted by applying a propagation model suitable for the environment.

다음으로, 도 1을 참조하여 신호의 도달각(DOA : Direction of Arrival)을 이용한 위치 추정 기술에 대해 살펴보면, 두 개 또는 그 이상의 셀/섹타에서 신호의 도달 방향을 추정하면 방향의 교차점으로 이동국의 위치를 파악할 수 있다. 이 기법은 셀/섹타에서 어레이 안테나가 필요하게 된다. 그러나, 다이버시티와 스마트 안테나를 적용한 셀/섹타에서는 부가적으로 DOA 정보를 이용하여 단말기 위치를 추정할 수 있다. Next, referring to FIG. 1, a position estimation technique using a direction of arrival (DOA) of a signal, when the direction of arrival of a signal in two or more cells / sectors is estimated, I can figure out the location. This technique requires an array antenna at the cell / sector. However, in a cell / sector employing diversity and a smart antenna, the terminal location may be additionally estimated using DOA information.

한편, 도 2를 참조하여 신호의 도달시간차(TDOA : Time Difference of Arrival)를 이용한 위치 추정 기술에 대해 살펴보면, 이는 세 개 이상의 셀/섹타가 관여하고 각 셀/섹타는 동기화되었다고 가정한다. 각 셀/섹타에서 신호의 도달시간(Time Stamp)을 측정하여 셀/섹타간 시간차를 구한다. 이러한 시간차로부터 셀/섹타간 교차점으로 이동국의 위치를 파악할 수 있다. Meanwhile, referring to FIG. 2, a position estimation technique using a time difference of arrival (TDOA) of a signal, it is assumed that three or more cells / sectors are involved and each cell / sector is synchronized. The time stamp of the signal in each cell / sector is measured to find the time difference between the cells / sector. From this time difference, the position of the mobile station can be determined from the cell / sector intersection.

다른 한편, 신호의 왕복시간지연(RTD : Round Trip Delay)을 측정한 위치 추정 기술에 대해 살펴보면, 셀룰라 이동통신시스템에서는 이 정보를 이용하여 이동국의 위치를 추정할 수 있으며, 위의 세가지 위치 추정 기법의 위치 추정 성능을 향상시킬 수 있다.On the other hand, when looking at the position estimation technique measuring the round trip delay (RTD) of the signal, the cellular mobile communication system can use this information to estimate the position of the mobile station, the above three position estimation techniques Can improve the position estimation performance.

그러나, 상기의 네가지 위치추정기법에는 기본적으로 이동국로부터의 신호가 다중경로를 거쳐 셀/섹타에서 수신되기 때문에 위치 추정에 오류가 발생하게 된다. 따라서, 이러한 다중 경로 페이딩 채널 환경에서 신속하고 보다 더 정확하게 이동국의 위치를 추정할 수 있는 방안이 필수적으로 요구된다.However, in the four position estimation techniques described above, an error occurs in the position estimation since a signal from a mobile station is received at a cell / sector through a multipath. Therefore, there is a need for a method for estimating the position of a mobile station more quickly and more accurately in such a multipath fading channel environment.

상기한 바와 같은 요구에 부응하기 위하여 안출된 본 발명은, 등방향 안테나, 섹타 안테나, 또는 방향성 안테나 등을 사용하는 셀룰라 이동통신망 등과 같은 무선통신망의 다중경로 페이딩 채널 환경에서 신호의 도달시간(TOA)을 이용하여 위치추적시스템(GPS)을 사용하지 않은 이동통신 단말기의 위치를 신속하고 보다 더 정확하게 추정하기 위한 이동국 위치 추정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention devised to meet the above requirements, the signal arrival time (TOA) in a multipath fading channel environment of a wireless communication network such as a cellular mobile communication network using an isodirectional antenna, sector antenna, or directional antenna, etc. A method for estimating the position of a mobile communication terminal that does not use a GPS system and a method for estimating the position of a mobile communication terminal more quickly and more accurately, and a computer-readable recording medium recording a program for realizing the method. Its purpose is to.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 무선통신시스템의 다중경로 전파환경에서 이동국의 위치를 추정하는 방법에 있어서, 다수의 기지국이 상기 이동국으로부터 수신된 신호의 도달시간(TOA) 정보를 측정하는 단계; 상기 다수의 기지국이 각각의 도달시간(TOA) 정보를 위치정보 처리기로 전송하는 단계; 상기 위치정보 처리기가 상기 각각의 도달시간(TOA)로부터 상기 다수의 기지국과 상기 이동국간의 각각의 거리정보를 산출하는 단계; 및 상기 각각의 거리정보를 바탕으로 상기 이동국의 위치를 추정 - 이때, 상기 도달시간(TOA)를 바탕으로, 최소 자승(Least Square) 알고리즘에 의해 이동국의 위치를 결정하되, 위치 추정 오류를 재귀적 최소 자승(RLS : Recursive Least Square) 알고리즘에 의해 반복적인 방법으로 줄이며, 반사파에 의한 위치 추정 오류를 줄이기 위하여 상기 재귀적 최소 자승(RLS) 알고리즘 사용시에 가중치를 이용함 - 하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for estimating a location of a mobile station in a multipath propagation environment of a wireless communication system, the method comprising: measuring, by a plurality of base stations, the time of arrival (TOA) information of a signal received from the mobile station; ; Transmitting, by the plurality of base stations, respective arrival time (TOA) information to a location information processor; Calculating, by the location information processor, respective distance information between the plurality of base stations and the mobile station from the respective arrival times (TOAs); And estimating the position of the mobile station on the basis of the respective distance information. In this case, the position of the mobile station is determined by a least square algorithm based on the arrival time (TOA), but the position estimation error is recursively. Reducing the recursive least squares (RLS) algorithm in an iterative manner and using weights when using the recursive least squares (RLS) algorithm to reduce position estimation errors due to reflected waves. It is done.

한편, 본 발명은, 이동국 위치 추정을 위하여, 프로세서를 구비한 무선통신시스템에, 다수의 기지국이 상기 이동국으로부터 수신된 신호의 도달시간(TOA) 정보를 측정하는 기능; 상기 다수의 기지국이 각각의 도달시간(TOA) 정보를 위치정보 처리기로 전송하는 기능; 상기 위치정보 처리기가 상기 각각의 도달시간(TOA)로부터 상기 다수의 기지국과 상기 이동국간의 각각의 거리정보를 산출하는 기능; 및 상기 각각의 거리정보를 바탕으로 상기 이동국의 위치를 추정 - 이때, 상기 도달시간(TOA)를 바탕으로, 최소 자승(Least Square) 알고리즘에 의해 이동국의 위치를 결정하되, 위치 추정 오류를 재귀적 최소 자승(RLS : Recursive Least Square) 알고리즘에 의해 반복적인 방법으로 줄이며, 반사파에 의한 위치 추정 오류를 줄이기 위하여 상기 재귀적 최소 자승(RLS) 알고리즘 사용시에 가중치를 이용함 - 하는 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.On the other hand, the present invention provides a wireless communication system having a processor for mobile station position estimation, comprising: a function of a plurality of base stations measuring arrival time (TOA) information of a signal received from the mobile station; Transmitting, by the plurality of base stations, respective arrival time (TOA) information to a location information processor; The location information processor calculates respective distance information between the plurality of base stations and the mobile station from the respective time of arrival (TOA); And estimating the position of the mobile station on the basis of the respective distance information. In this case, the position of the mobile station is determined by a least square algorithm based on the arrival time (TOA), but the position estimation error is recursively. Recursive Least Square (RLS) algorithm is reduced in an iterative way, and the weight is used when the recursive least squares (RLS) algorithm is used to reduce the position estimation error caused by the reflected wave. Provide a computer-readable recording medium for recording.

본 발명은 셀룰라 이동통신망에서 GPS를 사용하지 않는 이동통신 단말기의 위치를 추정하는 기술로서, 다중경로 전파 환경에서 이동국의 위치 추정 오류를 줄이고자 한다. The present invention is a technique for estimating the position of a mobile communication terminal that does not use GPS in a cellular mobile communication network, and aims to reduce the position estimation error of a mobile station in a multipath propagation environment.

본 발명에서는 신호의 도달시간(TOA) 정보를 이용하여 단말기의 위치를 추정하는데 재귀적 최소 자승(RLS : Recursive Least Square) 알고리즘을 이용하여 기존의 비선형 최소 자승(NLLS : Non-Linear Least Square) 알고리즘보다 정확하고 빠른 위치정보를 얻을 수 있다. 또한, 비가시선(NLOS : Non Line Of Sight) 신호가 존재하는 환경에서도 우수한 측위정보를 얻을 수 있다. In the present invention, a conventional non-linear least square (NLLS) algorithm using a recursive least square (RLS) algorithm for estimating the position of a terminal using signal arrival time (TOA) information. More accurate and faster location information can be obtained. In addition, excellent location information can be obtained even in an environment where a non line of sight (NLOS) signal exists.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.The above objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3 은 본 발명이 적용되는 이동통신시스템의 구성 예시도이다. 3 is an exemplary configuration diagram of a mobile communication system to which the present invention is applied.

도 3에 도시된 바와 같이, 셀룰러 이동통신시스템은, 이동국(MS : Mobile Station)(31), 기지국(BTS : Base station Transceiver Subsystem)(32), 제어국(BSC : Base Station Controller)(33), 교환국(MSC : Mobile Switching Center)(34), 그리고 위치정보 처리기(35)를 포함한다.As shown in FIG. 3, the cellular mobile communication system includes a mobile station (MS) 31, a base station transceiver subsystem (BTS) 32, and a control station (BSC) 33. A mobile switching center (MSC) 34, and a location information processor 35.

이동국(MS)(31)은 임의의 기지국(32)의 범위내에 있고, 이동국(31)의 정보는 기지국(32)과 이를 제어하는 제어국(33)을 거쳐 교환국(34)에 전송되며, 교환국(34)으로부터 전송되는 정보는 제어국(33) 및 기지국(32)을 거쳐 이동국(31)으로 전송된다.The mobile station (MS) 31 is in the range of any base station 32, and the information of the mobile station 31 is transmitted to the switching center 34 via the base station 32 and the controlling station 33 controlling it, Information transmitted from 34 is transmitted to the mobile station 31 via the control station 33 and the base station 32.

이동국(11)은 사용자가 소지하고 이동하면서 통신할 수 있는 이동통신 단말기로서, 문자수신시는 순방향 채널(Forward Channel)을 이용하고, 발신시에는 역방향 채널(Reverse Channel)을 사용한다. 이때, 모든 문자 정보는 SMS를 이용하는데, 수신시에는 이동착신(MT : Mobile Terminated) SMS를 이용하고, 발신시에는 이동발신(MO : Mobile Originated) SMS를 이용한다.The mobile station 11 is a mobile communication terminal which the user can carry and communicate while moving. The mobile station 11 uses a forward channel when receiving text and a reverse channel when making a call. At this time, all text information uses SMS, and when received, a Mobile Terminated (MT) SMS is used, and when used, a Mobile Originated (MO) SMS is used.

일반적으로, 이동통신시스템은 수신시 CDMA 이동통신시스템 방식의 페이징 채널(Paging Channel)의 데이터 버스트 메시지를 사용하고, 사용자가 통화중일 경우에는 순방향 트래픽 채널(Forward Traffic Channel)의 데이터 버스트 메시지로 해당 문자 메시지를 전송한다. 또한, 문자메시지 발신시 액세스 채널(Access Channel)의 데이터 버스트 메시지를 사용하고, 통화중일 경우에는 역방향 트래픽 채널(Reverse Traffic Channel)의 데이터 버스트 메시지를 사용하여 송신한다.In general, a mobile communication system uses a data burst message of a paging channel of a CDMA mobile communication system upon reception, and if the user is busy, a corresponding text message is a data burst message of a forward traffic channel. Send a message. In addition, a text burst message of an access channel is used to transmit a text message, and a data burst message of a reverse traffic channel is transmitted when a text message is in use.

이동국(31)에서 송수신된 문자 메시지는 고주파 신호처리 및 호처리를 위한 기지국(32) 및 제어국(33)을 통해 교환국(34)으로 접속된다.The text message transmitted and received by the mobile station 31 is connected to the switching center 34 through the base station 32 and the control station 33 for high frequency signal processing and call processing.

기지국(BTS)(32)은 이동국(31)을 제어국(33)에 접속시키며, 디지털 채널 장치(DCU : Digital Channel Unit), 시간/주파수 제어 장치(TCU : Timing/Frequency Control Unit), 무선 주파수 장치(RFU : Radio Frequency Unit), 및 광역 측위 시스템(GPS : Global Positioning System) 등으로 구성된다. A base station (BTS) 32 connects the mobile station 31 to the control station 33, and includes a digital channel unit (DCU), a timing / frequency control unit (TCU), and a radio frequency. Device (RFU: Radio Frequency Unit), and Global Positioning System (GPS).

그리고, 기지국(32)은 이동국(31)과 무선을 통해 통신하고, 제어국(33)과 유선으로 통신을 수행하는 유무선 변환 기능을 수행한다.In addition, the base station 32 performs a wired / wireless conversion function of communicating with the mobile station 31 wirelessly and communicating with the control station 33 by wire.

제어국(BSC)(33)은 기지국(32)을 교환국(34)에 접속시켜 기지국(32)간의 연 결을 조정하며, 기지국(32)과 교환국(34)간의 통신을 위한 신호처리 기능을 한다.The control station (BSC) 33 connects the base station 32 to the switching center 34 to coordinate the connection between the base stations 32 and serves as a signal processing function for communication between the base station 32 and the switching center 34. .

교환국(MSC)(34)은 이동통신 가입자 호를 처리하며, 제어국(33)과 접속하여 이동국(31)의 통화설정 및 해제 기능 등을 수행하고, 호처리 및 부가서비스 관련 각종 기능을 수행한다.The exchange station (MSC) 34 processes mobile communication subscriber calls, accesses the control station 33 to perform call setup and release functions of the mobile station 31, and performs various functions related to call processing and additional services. .

그러나, 상기한 바와 같은 셀룰러 이동통신시스템 환경은 당해 분야에서 이미 주지된 기술에 지나지 아니하므로 여기에서는 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 신호의 TOA를 이용하여 이동국(31)의 위치를 추정하는 과정에 대해 보다 상세히 설명한다.However, since the cellular mobile communication system environment as described above is only a technique well known in the art, detailed description thereof will be omitted here. However, the process of estimating the position of the mobile station 31 using the TOA of the signal will be described in more detail.

이동국(31) 주위에 3개 또는 4개의 기지국(32)에서 수신한 신호에는 직접파 이외에 반사파가 존재하는데, 본 발명에서는 위치 추정 오류에 큰 영향을 미치는 반사파의 영향을 최소화하고, 위치 추정 속도를 개선하고자 한다.Signals received from three or four base stations 32 around the mobile station 31 include reflected waves in addition to the direct waves. In the present invention, the influence of the reflected waves having a large influence on the position estimation error is minimized, and the position estimation speed is reduced. I want to improve.

유선통신망에서는 발신자의 위치와 식별번호(예를 들면, 전화번호 등)는 정확하고 용이하게 얻을 수 있다. 이러한 발신자 식별정보는 119서비스와 같은 응급전화서비스에 반드시 요구되는 정보이다. 그러나, 셀룰라 이동통신망에서는 유선통신망에서 얻을 수 있는 정도의 정확한 발신자 위치 정보를 얻기가 매우 어렵다. 이는 어떠한 이동국(31)이 이동통신망을 구성하기 위하여 지리적으로 분포되어 있는 기지국(32)에 전자기파로 접속되기 때문이다. In a wired network, the caller's location and identification number (eg, telephone number, etc.) can be obtained accurately and easily. The caller identification information is information required for an emergency call service such as 119 service. However, in a cellular mobile communication network, it is very difficult to obtain accurate caller location information that can be obtained from a wired communication network. This is because any mobile station 31 is connected by electromagnetic waves to a base station 32 which is geographically distributed to form a mobile communication network.

한편, 이동국(31)이 GPS와 같은 위치정보를 수신하여 이를 자기가 속한 기지국(32)에 전송할 수 있다. 그러나, 이는 고가의 GPS 수신장치가 필요하게 된다. Meanwhile, the mobile station 31 may receive location information such as GPS and transmit it to the base station 32 to which it belongs. However, this requires an expensive GPS receiver.

미 연방통신위원회(FCC)에서는 셀룰라 사업자에게 125미터의 허용오차와 67% 이상의 정확도로 발신자의 위치를 제공하는 서비스를 명령하였다. 이를 "E911 Phase 2" 서비스라 부르는데 5년 이내에 서비스가 가능하도록 요구하고 있다. The Federal Communications Commission (FCC) has ordered cellular operators to provide a caller's location with a 125-meter tolerance and more than 67% accuracy. This is called "E911 Phase 2" service and requires service within five years.

이에, 본 발명은 등방향 안테나, 섹터 안테나 또는 방향성 안테나를 사용하는 셀룰라 이동통신망에서 GPS 수신기를 사용하지 않는 이동국(31)의 위치를 추정하는자 한다. Accordingly, the present invention intends to estimate the position of the mobile station 31 that does not use a GPS receiver in a cellular mobile communication network using an isodirectional antenna, sector antenna, or directional antenna.

이동국 주위의 여러 기지국(예를 들면, 섹타 안테나 또는 등방행 안테나를 사용하는 경우 3개 또는 4개의 기지국이 관여, 방향성 안테나를 사용하는 경우 신호의 도래각을 이용하면 2개의 기지국이 관여)(32)이 이동국(31)으로부터 신호를 수신하여 거리와 시간정보 또는 방향을 추정하여 이동국(31)의 위치를 추정하게 된다. 그런데, 다중 경로 전파 환경에서 각 기지국(32)이 수신한 신호로부터 추정된 위치정보는 정확도가 떨어지게 된다. 따라서, 본 발명은 다중경로 전파환경에서 수신된 이동국의 신호로부터 보다 더 개선된 위치 정보를 추정하기 위한 것이다.Multiple base stations around the mobile station (e.g. 3 or 4 base stations are involved when using a sector antenna or isotropic antenna; 2 base stations are involved when the angle of arrival of the signal is used when a directional antenna is used) (32 ) Receives a signal from the mobile station 31 and estimates the position of the mobile station 31 by estimating distance and time information or direction. However, in the multipath propagation environment, the location information estimated from the signal received by each base station 32 is less accurate. Accordingly, the present invention is directed to estimating further improved position information from signals of mobile stations received in a multipath propagation environment.

이제, 전술한 바와 같이, 다중경로 페이딩 채널 환경에서 GPS 수신기가 구비되어 있지 않은 이동국(31)의 위치를 보다 신속하고 보다 더 정확하게 추정할 수 있는 방법에 대해 보다 상세히 설명한다.Now, as described above, a method of estimating the position of the mobile station 31 without a GPS receiver in a multipath fading channel environment more quickly and more accurately will be described in more detail.

기지국(33)은 셀룰라 이동통신망의 셀/섹타에 위치하며, 이동국(31)과 무선신호를 교환한다. The base station 33 is located in a cell / sector of the cellular mobile communication network and exchanges radio signals with the mobile station 31.

이동국(31)과 이동국(31)의 통신은 제어국(33)과 교환국(34)의 제어신호에 따라 설정된다. The communication between the mobile station 31 and the mobile station 31 is established in accordance with the control signals of the control station 33 and the switching station 34.

본 발명에서 위치정보 처리기(35)는 셀/섹터에 위치한 기지국(32)에서 측정 한 위치 정보를 수집하여 이동국(31)의 위치를 추정한다.In the present invention, the location information processor 35 estimates the location of the mobile station 31 by collecting location information measured by the base station 32 located in the cell / sector.

본 발명에서 이동국(31)의 위치를 추정하기 위해서는 이동국(31) 주위에 3개 이상의 기지국(32)이 관여한다. In the present invention, three or more base stations 32 are involved around the mobile station 31 to estimate the position of the mobile station 31.

위치 추정에 관여하는 기지국(32)은 제어국(33)/교환국(34)에서 결정한다. 여기서, 위치추정에 관계 되는 기지국(32)을 도 4에 나타내었다.The base station 32 involved in the position estimation is determined by the control station 33 / switching center 34. Here, the base station 32 related to the position estimation is shown in FIG.

각 기지국(32-1 내지 32-3)은 이동국(31)으로부터 신호를 수신하여 TOA를 추정한다. 그리고 이동국(31) 위치 추정에 관계되는 각 기지국(32-1 내지 32-3)은 TOA 정보를 제어국(33), 교환국(34)를 거쳐 위치정보 처리기(35)로 송신한다. Each base station 32-1 to 32-3 receives a signal from the mobile station 31 to estimate the TOA. Each base station 32-1 to 32-3, which is related to the position estimation of the mobile station 31, transmits TOA information to the position information processor 35 via the control station 33 and the switching station 34.

본 발명에서 위치 추정은 3개의 기지국(32)이 관여하는 것으로 가정하였다. 그러나, 한 이동국(31)의 위치를 추정하기 위하여 3개 이상의 기지국(32)이 관여할 수 있다. 이러한 경우에도 본 발명의 위치 추정 기법을 적용할 수 있다.In the present invention, the position estimation assumes that three base stations 32 are involved. However, three or more base stations 32 may be involved in estimating the location of one mobile station 31. Even in this case, the position estimation technique of the present invention can be applied.

우선, TOA를 측정하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.First, the process of measuring TOA is as follows.

도 4에서 각 기지국(32-1 내지 32-3)은 이동국(31)으로부터 송신되는 신호의 도착시간(TOA)을 추정한다. In Fig. 4, each base station 32-1 to 32-3 estimates the arrival time TOA of the signal transmitted from the mobile station 31.

본 발명에서 TOA를 측정하는 방법은 신호의 상관기법을 이용한다. 이러한 상관기법은 기준 신호를 알고 있을 때 매우 유용한 방법이다. 각 기지국(32-1 내지 32-3)이 갖고 있는 기준 신호를 Sref(t)=m(t)로 가정하면, 이때 기지국1(32-1)에서 수신하는 신호는 (수학식 1)과 같다.In the present invention, a method for measuring TOA uses a signal correlation method. This correlation technique is very useful when the reference signal is known. Assuming that the reference signals of each of the base stations 32-1 to 32-3 are S ref (t) = m (t), the signal received by the base station 1 32-1 is represented by Equation 1 below. same.

Figure 111999017096193-pat00001
Figure 111999017096193-pat00001

여기서, dA는 신호전파지연, nA(t)는 잡음이다. Where d A is the signal propagation delay and n A (t) is the noise.

각 기지국(32-1 내지 32-3)의 상관기는 (수학식 2)와 같이 상관값을 구하여 상관값이 최대가 되는 전파지연값을 TOA로 가정한다.The correlator of each base station 32-1 to 32-3 obtains a correlation value as shown in Equation 2, and assumes a propagation delay value at which the correlation value is maximum, as TOA.

Figure 111999017096193-pat00002
Figure 111999017096193-pat00002

이상에서와 같이, 위치추정에 관여하는 기지국(32-1 내지 32-3)은 측정한 TOA값을 제어국(33), 교환국(34)을 거쳐 위치정보 처리기(35)에 송신한다.As described above, the base stations 32-1 to 32-3 involved in the position estimation transmit the measured TOA value to the position information processor 35 via the control station 33 and the switching station 34.

이제, 이러한 TOA 정보를 바탕으로 이동국(31)의 위치를 추정하는 과정을 살펴보기로 한다.Now, the process of estimating the position of the mobile station 31 based on the TOA information will be described.

도 4에서 N개의 기지국 수신기가 TOA를 측정하면 이동국(31)의 위치는 최소 자승(LS : Least Square) 알고리즘에 의해 결정될 수 있다. In FIG. 4, when the N base station receivers measure the TOA, the position of the mobile station 31 may be determined by a least square (LS) algorithm.

이동국(31)이 초기에 (x0,y0)에 위치하고 시간 τ0에 신호를 송신한다고 가정한다. Assume that mobile station 31 is initially located at (x 0 , y 0 ) and transmits a signal at time tau 0 .

N개의 기지국 위치는 (x1, y1), (x2, y2),...., (xN, yN)이 된다.N base station positions are (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ),..., (X N , y N ).

이동국(31)의 위치를 찾기 위한 위치정보 처리기(35)는 하기의 (수학식 3)의 값이 영이 되도록 x, y, τ를 선택한다.The position information processor 35 for finding the position of the mobile station 31 selects x, y, τ so that the value of the following expression (3) becomes zero.

Figure 111999017096193-pat00003
Figure 111999017096193-pat00003

여기서, c는 빛의 속도, x는 [x, y, τ]T, 그리고 τi는 BSI의 TOA이다. Where c is the speed of light, x is [x, y, τ] T , and τ i is the TOA of BS I.

그런데, 각 기지국(32-1 내지 32-3)에서 측정한 τi를 사용하여 (수학식 3)이 동시에 0이 되는 (x, y, τ)를 선택하는 것은 불가능하다. By the way, it is impossible to select (x, y, τ) at which (Equation 3) becomes 0 at the same time using τ i measured at each base station 32-1 to 32-3.

이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 하기의 (수학식 4)와 같은 함수를 정의하고, 이 함수의 값을 최소화하는 x=[x, y, τ]T를 찾아낸다.In order to solve this problem, the present invention defines a function as shown in Equation 4 below, and finds x = [x, y, τ] T which minimizes the value of this function.

Figure 111999017096193-pat00004
Figure 111999017096193-pat00004

(수학식 4)를 x에 대해 미분하여 이 값을 영으로 하고 함수 fi(x)를 테일러 급수로 전개하면 위치 추정값 x는 다음의 (수학식 5)와 같다.Differentiate (Equation 4) with respect to x to make this value zero, and expand the function f i ( x ) to the Taylor series, and the position estimate x is given by Equation 5 below.

Figure 111999017096193-pat00005
Figure 111999017096193-pat00005

여기서, f 0 , [P 0 ]값은 각각 (수학식 6) 및 (수학식 7)과 같다.Here, f 0 , [ P 0 ] values are as shown in Equations 6 and 7, respectively.

Figure 111999017096193-pat00006
Figure 111999017096193-pat00006

Figure 111999017096193-pat00007
Figure 111999017096193-pat00007

(수학식 7)에서

Figure 111999017096193-pat00008
,
Figure 111999017096193-pat00009
,
Figure 111999017096193-pat00010
은 각각 (수학식 8), (수학식 9), (수학식 10)과 같다.In equation (7)
Figure 111999017096193-pat00008
,
Figure 111999017096193-pat00009
,
Figure 111999017096193-pat00010
Are as shown in Equation 8, Equation 9, and Equation 10, respectively.

Figure 111999017096193-pat00011
Figure 111999017096193-pat00011

Figure 111999017096193-pat00012
Figure 111999017096193-pat00012

Figure 111999017096193-pat00013
Figure 111999017096193-pat00013

본 발명에서는 이동국(31)의 초기 위치 추정 x 0 으로부터 위치 추정 오류를 반복적인 방법으로 줄여나간다. 이 기법을 재귀적 최소 자승(RLS)이라 부른다. 그 절차는 다음과 같다.In the present invention, the position estimation error is reduced from the initial position estimate x 0 of the mobile station 31 in an iterative manner. This technique is called Recursive Least Squares (RLS). The procedure is as follows.

먼저, 초기 위치 x 0 를 설정한다.First, the initial position x 0 is set.

이후, 초기 위치 x 0 에서 (수학식 7)의 P 0 값을 구한다.Then, the P 0 value of (Equation 7) is obtained at the initial position x 0 .

다음으로, (수학식 5)를 구한다.Next, (Equation 5) is obtained.

이어서, │x-x 0 │값이 미리 설정해 둔 오차 허용값

Figure 111999017096193-pat00014
보다 크면 x 0 를 x로 대치하고, 상기 초기 위치 x 0 에서 (수학식 7)의 P 0 값을 구하는 과정으로 돌아가 오차 허용값을 만족할 때까지 상기의 절차를 반복 수행한다.Subsequently, the error tolerance value preset by the value of xx 0 is set.
Figure 111999017096193-pat00014
If greater than x 0 is replaced by x , and the process returns to the process of obtaining the P 0 value of Equation 7 at the initial position x 0 and repeating the above procedure until the error tolerance is satisfied.

또한, 본 발명에서는 반사파에 의한 위치 추정 오류를 줄이기 위하여, 반복 적인 방법으로 위치 추정 오류를 줄여 나갈 때 (수학식 5)에서 f 0 대신에 β로 가중된 βf 0 값을 사용한다. 초기 β는 δ(0＜δ＜1)값을 가지며, 반복될 때마다 β는 βδ값을 갖는다. 따라서, 본 발명에서는 반복절차를 거치면서 위치추정 오류가 줄어들게 된다.In addition, in the present invention, in order to reduce the position estimation error due to the reflected wave, the β f 0 value weighted to β is used instead of f 0 in Equation 5 when reducing the position estimation error in an iterative manner. The initial β has a value of δ (0 <δ <1), and each time β repeats, β has a value of βδ. Therefore, in the present invention, the position estimation error is reduced through an iterative procedure.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains, and the above-described embodiments and accompanying It is not limited to the drawing.

상기한 바와 같은 본 발명은, 등방향 안테나, 섹터 안테나 또는 방향성 안테나를 사용하는 셀룰라 이동통신시스템 등과 같은 무선통신시스템에서 이동국의 위치를 추정하는데 있어서 다중경로 페이딩에 의한 위치 추정 오류를 개선하며 추정 시간을 단축할 수 있어, 기존의 셀룰라 이동통신망이나 앞으로 출현할 차세대이동통신망(IMT-2000)에서 이동국의 위치에 관련된 서비스를 효율적으로 창출할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention improves estimation time due to multipath fading in estimating the position of a mobile station in a wireless communication system such as a cellular mobile communication system using an isodirectional antenna, a sector antenna, or a directional antenna. It is possible to shorten, thereby effectively creating a service related to the location of the mobile station in the existing cellular mobile communication network or the next generation mobile communication network (IMT-2000) to emerge.

Claims (6)

무선통신시스템의 다중경로 전파환경에서 이동국의 위치를 추정하는 방법에 있어서,A method for estimating the position of a mobile station in a multipath propagation environment of a wireless communication system, 다수의 기지국이 상기 이동국으로부터 수신된 신호의 도달시간(TOA) 정보를 측정하는 단계;Measuring, by a plurality of base stations, arrival time (TOA) information of a signal received from the mobile station; 상기 다수의 기지국이 각각의 도달시간(TOA) 정보를 위치정보 처리기로 전송하는 단계; Transmitting, by the plurality of base stations, respective arrival time (TOA) information to a location information processor; 상기 위치정보 처리기가 상기 각각의 도달시간(TOA)로부터 상기 다수의 기지국과 상기 이동국간의 각각의 거리정보를 산출하는 단계; 및Calculating, by the location information processor, respective distance information between the plurality of base stations and the mobile station from the respective arrival times (TOAs); And 상기 각각의 거리정보를 바탕으로 상기 이동국의 위치를 추정 - 이때, 상기 도달시간(TOA)를 바탕으로, 최소 자승(Least Square) 알고리즘에 의해 이동국의 위치를 결정하되, 위치 추정 오류를 재귀적 최소 자승(RLS : Recursive Least Square) 알고리즘에 의해 반복적인 방법으로 줄이며, 반사파에 의한 위치 추정 오류를 줄이기 위하여 상기 재귀적 최소 자승(RLS) 알고리즘 사용시에 가중치를 이용함 - 하는 단계Estimating the position of the mobile station based on the respective distance information -At this time, the position of the mobile station is determined by a least square algorithm based on the arrival time (TOA), but recursively minimizes the position estimation error. Recursive Least Square (RLS) algorithm reduces iteratively and uses weights when using the Recursive Least Squares (RLS) algorithm to reduce position estimation error due to reflected waves. 를 포함하는 무선통신시스템에서의 이동국 위치 추정 방법.Mobile station position estimation method in a wireless communication system comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 단계의 도달시간(TOA) 정보를 측정하는 과정은,Measuring the arrival time (TOA) information of the first step, 상기 다수의 기지국이 상기 이동국으로부터 수신된 신호의 상기 도달시간(TOA) 정보를 상관기법을 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 무선통신시스템에서의 이동국 위치 추정 방법.And a plurality of base stations measure the time of arrival (TOA) information of a signal received from the mobile station using a correlation technique. 삭제delete 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 다수의 기지국은,The plurality of base stations, 실질적으로, 적어도 세 개의 기지국인 것을 특징으로 하는 무선통신시스템에서의 이동국 위치 추정 방법.Substantially, at least three base stations are mobile station position estimation methods in a wireless communication system. 삭제delete 이동국 위치 추정을 위하여, 프로세서를 구비한 무선통신시스템에,In a wireless communication system having a processor for mobile station position estimation, 다수의 기지국이 상기 이동국으로부터 수신된 신호의 도달시간(TOA) 정보를 측정하는 기능;A function of a plurality of base stations measuring time of arrival (TOA) information of a signal received from the mobile station; 상기 다수의 기지국이 각각의 도달시간(TOA) 정보를 위치정보 처리기로 전송하는 기능; Transmitting, by the plurality of base stations, respective arrival time (TOA) information to a location information processor; 상기 위치정보 처리기가 상기 각각의 도달시간(TOA)로부터 상기 다수의 기지국과 상기 이동국간의 각각의 거리정보를 산출하는 기능; 및The location information processor calculates respective distance information between the plurality of base stations and the mobile station from the respective time of arrival (TOA); And 상기 각각의 거리정보를 바탕으로 상기 이동국의 위치를 추정 - 이때, 상기 도달시간(TOA)를 바탕으로, 최소 자승(Least Square) 알고리즘에 의해 이동국의 위치를 결정하되, 위치 추정 오류를 재귀적 최소 자승(RLS : Recursive Least Square) 알고리즘에 의해 반복적인 방법으로 줄이며, 반사파에 의한 위치 추정 오류를 줄이기 위하여 상기 재귀적 최소 자승(RLS) 알고리즘 사용시에 가중치를 이용함 - 하는 기능Estimating the position of the mobile station based on the respective distance information -At this time, the position of the mobile station is determined by a least square algorithm based on the arrival time (TOA), but recursively minimizes the position estimation error. Recursive Least Square (RLS) algorithm reduces in an iterative way and uses weights when using the Recursive Least Squares (RLS) algorithm to reduce position estimation errors caused by reflected waves. 을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for realizing this.
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