KR100704066B1 - 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법 및 장치 - Google Patents

무선 모바일 장치의 위치 결정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

무선 모바일 장치의 장소 또는 위치는 단일 기지국으로부터의 측정값만을 이용하여 결정된다. 무선 모바일 장치와 기지국 간의 거리는 무선 모바일 장치로부터 수신된 RF 업링크 신호의 왕복 지연 값을 이용하여 계산된다. 그러므로, 수신된 신호의 도달 각도는 멀티 섹터 안테나의 복수의 안테나 섹터 각각으로부터의 수신된 신호의 측정값을 이용하여 결정된다. 도달 각도는 멀티 섹터 안테나의 기저장된 안테나 신호 측정값에 근거하여 결정되고, 여기서, 상이한 섹터 신호 측정값의 조합은 단일 각도 측정값에 대응한다. 결정된 거리 및 도달 각도를 이용하여, 무선 모바일 장치의 장소 또는 위치는 단일 기지국의 측정값 만을 이용하여 쉽게 결정될 수 있다.

Description

무선 모바일 장치의 위치 결정 방법 및 장치{LOCATION FINDING USING A SINGLE BASE STATION IN CDMA/TDMA SYSTEMS}
도 1은 무선 모바일 장치의 호 범위를 TOA에 근거하여 추정하는 종래의 시스템을 도시하는 도면,
도 2는 무선 모바일 장치의 호 범위를 TDOA에 근거하여 추정하는 종래의 시스템을 도시하는 도면,
도 3(a) 및 3(b)는 도 1 및 도 2의 종래의 TOA 및 TDOA 시스템에서 발생하는 문제점을 설명하는 도면,
도 4는 단일 기지국을 이용하여 무선 모바일 장치의 위치를 결정하는 것을 설명하는 도면,
도 5는 대표적인 기지국 및 무선 모바일 장치를 도시하는 도면,
도 6a는 3개의 섹터 기지국 안테나 중 지향성 안테나 섹터를 도시하는 도면,
도 6b는 도 6a의 3개의 지향성 안테나 섹터에 대한 유효 범위의 대표적인 실시예를 도시하는 도면,
도 7은 지향성 안테나 패턴 대 360° 범위의 방위각을 도시하는 도면,
도 8a 내지 도 8c는 3개의 섹터 기지국 안테나의 2개의 상이한 지향성 안테나 간의 진폭 비를 도시하는 도면,
도 9는 3개의 섹터 기지국에 대한 3개의 섹터 안테나의 에너지 레벨을 도시하는 도면,
도 10은 도 9에 도시된 3개의 섹터 안테나 간의 진폭 차를 도시하는 도면,
도 11은 왕복 지연 신호 정확도 대 GPS 측정값을 도시하는 도면,
도 12는 무선 모바일 장치의 최종 위치를 도시하는 도면.
본 발명은 장소 또는 위치 결정에 관한 것이고, 보다 상세하게는, 무선 모바일 장치의 장소 또는 위치 결정에 관한 것이다.
종래 기술인 도 1은 모바일 발신자가 무선 모바일 장치(2)를 통해 호를 발신하는 위치를 결정하는 공지 방법을 설명하고 있다. 상세하게는, 무선 모바일 장치(2)로부터 발신하는 호는 기지국(4)과 같은 적어도 하나의 셀룰러 기지국에 도달한다. 또한 전형적으로, 호의 신호는 제 2 기지국(6)과 제 3 기지국(8)에 도달할 수 있다. 기지국(4, 6, 8)은 신호가 무선 모바일 장치(2)로부터 도달하는 시간을 기록한다. 무선 모바일 장치(2)의 이러한 위치를 결정하기 위해 이러한 시간을 이용하는 방법은 도달 시간차(TDOA)와 도달 시간(TOA) 방법 모두를 포함한다. 이러한 두 가지 방법을 아래에 설명한다.
도 1에 도시한 공지의 TOA 방법을 이용하여, 무선 모바일 장치(2)와 제 1 기지국(4) 간의 제 1 거리("a")가 추정되고, 무선 모바일 장치(2)와 제 2 기지국(6) 간의 제 2 거리("b")가 추정되며, 무선 모바일 장치(2)와 제 3 모바일국(8) 간의 제 3 거리("c")가 추정된다. 무선 신호가 기지국 각각에 도달하는데 걸리는 시간에 근거하여, 다음과 같이, 공지의 TOA 방법을 이용하여 대략의 거리("a", "b", "c")가 결정된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 세가지 원, 즉, 기지국(4) 중심의 원, 기지국(6) 중심의 원, 기지국(8) 중심의 원이 표시되어 있다. 이러한 원 각각은 무선 모바일 장치(2)를 둘러싸고 있고, 기지국의 유효 범위(coverage area)를 나타낸다. 기지국으로부터 무선 모바일 장치(2)까지의 거리(a - c)는 다음의 3개의 수학식으로 표현된다.
Figure 112000020736776-pat00001
이 수학식에서, 무선 모바일 장치(2)의 좌표는 (x, y)로 표시되고, 기지국(4)의 좌표는 (x1, y1)로 표시되며, 기지국(6)의 좌표는 (x2, y2)로 표시되며, 기지국(8)의 좌표는 (x3, y3)로 표시된다. 또한, t1, t2, t3는 기지국(4), 기지국(6), 및 기지국(8) 각각으로부터 무선 모바일 장치(2)로 그리고 그 역으로 이동하는 신호의 왕복 지연(RTD) 시간의 절반을 나타낸다. 최종적으로, T는 무선 모바일 장치(2)의 처리 시간이고, C는 광속이다. 무선 모바일 장치(2)의 위치를 검출하는 공지의 TOA 방법을 이용하면, 무선 모바일 장치(2)로부터 다수의 기지국으로 이동하는 신호의 절대 시간이 측정되어, 거리(a, b, c)를 알 수 있고, 결과적으로 무선 모바일 장치(2)에 대한 대략의 (x, y) 위치에 도달하게 된다. 그러나, 무선 모바일 장치(2)의 클록은 다수의 기지국(4, 6, 8)의 클록과 정확하게 동기화될 수 없으므로, 전술한 절대 시간을 결정하는 것이 어렵다. 클록 동기 문제를 보상하기 위해서, 특정 기지국으로부터 무선 모바일 장치(2)로 그리고 역으로 송신되는 신호의 왕복 지연 시간에 의해 절대 시간이 측정된다. 그러나, 왕복 지연은 추정될 필요가 있는 무선 모바일 장치(2)의 처리 시간을 포함한다. 일반적으로, 왕복 지연은 무선 모바일 장치(2)의 특정 상표에 따라서 추정될 수 있다.
무선 모바일 장치(2)의 위치를 결정하는 또 다른 방법은 TDOA(time difference of arrival) 방법을 이용하는 것이다. TDOA는 무선 모바일 장치(2)으로부터 둘 이상의 기지국으로의 신호의 도달 시간 차를 측정한다. 이런 이유로, 무선 모바일 장치(2)의 타이밍 인자는 위에서 표현된 TOA 수학식에서 소거된다. 그러나, 무선 모바일 장치의 처리 시간은 작거나 알고 있다고 가정하면, TOA가 여전히 사용될 수 있다.
도 2는 TDOA 방법의 예를 설명하고 있다. 쌍곡선("ab")은 무선 모바일 장치(2)를 기준으로 하여 기지국(6)과 기지국(4) 간의 TDOA를 이용하여 구성된다. 또한, 쌍곡선("cd")은 무선 모바일 장치(2)를 기준으로 하여 기지국(6)과 기지국(8) 간의 TDOA를 이용하여 구성된다. 이러한 쌍곡선 들은 다음 수학식을 기준으로 하여, 동일 좌표 및 값이 TOA를 이용하여 이미 표현된 상태에서 결정된다.
Figure 112000020736776-pat00002
이 수학식을 이용하여, 무선 모바일 장치(2)의 (x, y) 위치가 결정된다.
따라서, 이러한 공지 방법으로, TOA와 TDOA는 이상적인 상황에서 무선 모바일 장치(2)의 위치를 결정하는데 사용될 수 있다. 그러나, 도 1 및 2에 도시한 바와 같이, TOA 및 TDOA 방법은 이러한 방법을 이용하여 무선 모바일 장치(2)의 위치를 결정하기 위해서, 적어도 3개의 기지국(4, 6, 8)으로부터 그리고 이 기지국으로 송신되는 신호의 검출을 요구한다. 그러나, 일부의 경우에, 이 신호는 3개의 기지국(4, 6, 8) 모두에 의해 검출되지 않을 수 있다. 이러한 경우가 종래 기술인 도 3에 도시되어 있다.
대부분의 경우에, 무선 모바일 장치(2)의 위치를 결정하는 공지의 TOA 및 TDOA 방법은 단지 추정 위치를 제공한다. 또한, 3개의 기지국 모두가 검출되지 않으면, 위치의 추정 범위도 역시 검출되지 않을 수 있다.
예를 들어, 종래 기술인 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 빌딩과 같은 차단물은 신호가 기지국에 의해 수신되는 것을 막을 수 있다. 따라서, 무선 모바일 장치(2)로부터의 셀룰러 호는 여전히 통과할 수 있지만, 단지 하나의 기지국만이 이 호를 검출할 수 있다. 3개의 기지국 중 2개의 기지국(예를 들어, 도 3a에 도시한 기지국(6, 8))만이 검출될 수 있다면, 두 개의 거리("b", "c")만이 계산되어, 비유일 해(non-unique solution)가 된다. 단지 하나 또는 둘의 기지국이 검출될 수 있다면, 무선 모바일 장치(2)의 위치는 최대한 대략적으로나마 추정될 수 있다.
예를 들어, 도 3a에 도시한 바와 같이, 두 개의 기지국(6, 8)만이 TOA 시스템으로 식별된다면, 두 개의 원 만이 결정되고, 포물면 영역(10)이 무선 모바일 장치(2)의 대략적인 위치로서 추정될 수 있다. 유사하게, 도 3b에 도시한 바와 같이, 기지국(6, 8) 만이 TDOA 시스템으로 식별된다면, 하나의 포물선("cd")만이 계산되고, 무선 모바일 장치(2)의 위치는 최대한 대략적으로 추정될 수 있다.
따라서, 무선 모바일 장치(2)의 위치를 결정하고, 특히 단일 기지국만을 이용하는 시스템 및 방법을 필요로 한다.
단일 기지국으로부터의 측정을 단지 이용하여 무선 모바일 장치의 장소 또는 위치를 결정하는 방법 및 장치가 개발되어 왔다. 무선 모바일 장치 및 기지국 간의 거리는 무선 모바일 장치로부터 수신된 신호의 왕복 트립 지연(RTD) 값을 이용하여 계산된다. 그 다음, 수신된 신호의 도달 각도(AOA)가 멀티 섹터 안테나의 복수의 안테나 섹터 각각으로부터 수신 신호의 측정을 이용하여 결정된다. 도달 각도는 멀티 섹터 안테나의 저장된 안테나 신호에 근거하여 결정되고, 여기서 서로 다른 섹터 신호 측정의 조합은 단일 각도 측정에 대응한다. 결정된 거리와 도달 각도를 이용하면, 무선 모바일 장치의 장소 또는 위치는 단일 기지국의 측정만을 이용하여 쉽게 결정될 수 있다.
본 출원은 바람직한 실시예의 상세한 설명으로 보다 충분히 이해될 것이며, 동일 참조 부호는 동일 요소를 나타낸다.
신호의 도달 각도(AOA) 및 무선 모바일 장치로부터 수신된 신호의 본 애플리케이션의 시스템 및 방법으로 왕복 지연(RTD) 단일 기지국으로부터의 정보만을 이용하여 모바일 장치의 위치를 알 수 있다. CDMA 및 TDMA 시스템에서, 무선 모바일 장치 및 기지국 간의 거리는 기지국에서 얻어진 왕복 지연 측정값을 이용하여 쉽게 계산된다. 예를 들어, 3개의 안테나 섹터를 가진 기지국의 멀티 섹터 안테나를 이용함으로써, 그리고, 그 멀티 섹터 안테나의 안테나 신호 측정값을 선 저장함으로써, 상이한 안테나 신호 측정값의 조합은 단일 각도 측정값에 대응할 수 있다. 이와 같이, 실제 멀티 섹터 안테나 측정값이 얻어질 수 있고, 무선 모바일 장치로부터의 신호의 AOA를 결정하는데 사용될 수 있다. 무선 모바일 장치 및 기지국 간의 거리 및 신호의 AOA가 일단 결정되면, 무선 모바일 장치의 실제 장소 또는 위치를 쉽게 얻게 된다.
도 4는 단일 기지국(BS)으로부터의 정보를 이용하여 무선 모바일 장치(MU)의 장소 또는 위치가 결정되는 방법을 설명하고 있다. 먼저, MU와 BS 간의 거리(14)는 MU로부터의 기지국(BS)에서 수신된 업링크 RF 신호의 왕복 지연(RTD)으로부터 결정된다. 무선 모바일 장치로부터 수신된 신호의 RTD는 공지 방법으로 측정된다. RTD가 결정되면, MU와 BS 간의 거리(14)는 RTD/2에 의해서 계산된다.
보다 구체적으로, BS는 시간(t1)에서 MU로 공지 방법으로 파일럿 신호를 전송한다. 그 다음, MU는 그 파일럿 신호를 수신하고, 시간(t2)에서 수신되는 BS로 역으로 자동 응답한다. t1와 t2간의 차이는 초 단위로 측정되는 RTD를 제공한다. 바람직하게, BS에 의해 송신된 신호, MU에 의해서 수신된 신호, MU에 의해 송신된 신호, BS에 의해 수신된 신호는 타임 스탬플된다. RTD는 타임 스탬플된 신호에 따라서 계산된다. MU와 BS 간의 거리(14)("r"는 다음과 같이 미터 단위로 계산된다("c"는 광속).
Figure 112000020736776-pat00021
거리(14)는 하나의 예인 RTD를 사용하여, 임의 수의 공지 방법으로 계산될 수 있다는 것을 알아야 한다. 거리(14)를 계산하는 이러한 방법 모두는 본 발명의 범위내에 존재한다. 예를 들어, 편도 지연(one-way delay)(OWD)을 측정하는 것을 포함하고 있다. BS와 MU가 MU와 BS 각각의 제 3 소스(GPS 소스)에서 기준이 되는 매우 정확한 클록을 가지고 있다면, MU는 편도 지연(송신 시간과 도달 시간의 차)을 측정할 수 있고, 그로부터 거리(14)(C*OWD)를 결정할 수 있다.
거리(14)가 수학식 (1)로부터 결정되면, 그 거리는 MU가 위치되어 있는 원(16)의 반경("r")이 될 수 있다. 원(16)의 중심은 MU로부터 신호를 수신하는 BS이다. BS는 알고 있는 위치(X0, Y0)에 위치되어 있다. 무선 모바일 장치의 원(16)에서의 정확한 위치는 MU로부터 수신된 업링크 RF 신호의 도달 각도(AOA)(도 4에서 θ로 표시)를 결정함으로써 결정된다. MU로부터의 업링크 RF 신호의 AOA가 일단 결정되면, 거리("r")(14)를 결정하는 RTD 측정값과, 단일 기지국(BS)로부터 각도(θ)를 결정하는 AOA 측정값의 조합은 충분한 정보를 제공하여 다음과 같이 MU의 (x, y) 위치를 찾을 수 있다.
Figure 112000020736776-pat00022
Figure 112000020736776-pat00023
도 5는 기지국(5)으로 RF 업링크 신호(31)를 송신하는 무선 모바일 장치(30)를 도시하고 있다. 기지국(34)은 아래에 상세히 설명되는 멀티 섹터 안테나(32), 중앙 제어기 CPU(36), 및 메모리(38)를 포함하고 있다. CPU(36)는 멀티 섹터 안테나(32)로부터 RF 업링크 신호를 수신하고(각각의 섹터 또는 안테나 구성 요소로부터의 출력을 수신), 메모리(38)와 결합하여 거리 결정 장치와 위치 계산기로서 동작하여 무선 모바일 장치(30)의 장소 또는 위치, RTD, AOA를 결정한다. CPU(36)와 메모리(38)는 기지국(34) 내에 존재할 필요가 없고, 전술한 계산을 수행하기 위해서 기지국(34)의 멀티 섹터 안테나(32)의 각각의 안테나 섹터로부터 신호를 수신할 필요가 있다는 것을 알아야 한다. 그러나, CPU(36)와 메모리(38)는 편의상 도 5에서 기지국(34)내에 존재하게 도시되어 있다.
도 6a는 멀티 섹터 안테나(32)를 구성하는 3개의 지향성 안테나 구성 요소(42, 44, 48)를 도시하고 있다. 이러한 지향성 안테나는 예컨대 3개의 방향성 안테나를 포함할 수 있다. 세 개의 지향성 안테나 구성 요소(42, 44, 48)는 도 6b에 도시한 바와 같이, 겹친 영역을 커버하는 안테나 수신 패턴을 가지도록 배열되어 있다. 예를 들어, 안테나 구성 요소(42, 44, 48)는 그 대응 유효 범위(52, 54, 58)와 함께 도 4b에 도시되어 있다. 기본적으로, 특정 각도 360°에서, 3개의 지향성 안테나 구성 요소 중 2개의 지향성 안테나 구성 요소의 유효 범위가 제공된다. 이에 대해서는 아래에 상세히 설명될 것이다.
도 7은 안테나 구성 요소(42, 44, 48)의 이론상의 지향성 안테나 패턴을 그래프로 도시하고 있다. 안테나를 얻거나 구매할 때, 이론상의 측정값은 알고 있다. 도 7은 수신된 신호의 진폭(dB 단위로 측정) 대 각도(각도 단위로 측정)를 도시하고 있다. 도 7의 챠트에서, 안테나 구성 요소(42)의 이론상의 진폭 측정값이 점선으로 표시되고, 안테나 구성 요소(44)의 이론상의 진폭 측정값이 실선으로 표시되며, 안테나 구성 요소(48)의 이론상의 진폭 측정값은 쇄선으로 표시되어 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 0°내지 360°의 특정 각도는 3개의 안테나 중 최소 2 개의 안테나의 유일 진폭 측정값으로 표시된다. 도 7에 도시한 모든 진폭 측정값은 측정값을 표준으로 하고, 피크 신호 레벨을 기초로 하여 정규화된다. 도 7에 도시한 신호 측정값은 다른 안테나 구성 요소의 오프 피크와 피크 안테나 구성 요소 측정값을 기초로 한 안테나 구성 요소 간의 상대적인 측정값이다.
예를 들어, 안테나 구성 요소(48)에 있어서, 피크 신호 측정값은 기준 점으로서 0도의 각도에서 얻어진 것이다. 진폭 측정값은 0dB에서 표준화된다(실제 측정값은 -80dB이지만, 기준 점으로서 정규화되고, 도 7에 0dB로서 챠트로 도시되어 있다). 그 다음, 안테나 구성 요소(44)와 같이, 오프 피크 안테나 구성 요소 측정값은 정규화된 피크 신호를 근거로 하여 저장된다. 안테나 구성 요소(44)에 의해 측정된 오프 피크 신호의 실제 측정값은 -97dB이지만, 도 7에서 -17dB로 정규화된다. 이와 같이, 도 7의 이론상의 측정값은 서로에 대해 상대적으로 얻어지고, 기준 값에 근거하여 정규화된다.
도 7의 측정값을 예로 들어, 50°의 각도에 있어서, 측정값을 표준으로 하는 안테나 구성 요소(48)는 대략 -2.5dB에 대응하고(도 7에서 구성 요소(A)로 표시), 안테나 구성 요소(44)의 표준화된 측정값은 대략 -6dB의 측정값에 대응한다(도 7에서 "B"로 표시). 따라서, 안테나 구성 요소(44)가 50°와 180°모두(도 7에서 포인트 C)에 있어서 -6dB의 정규화된 측정값에 대응하지만, 안테나 구성 요소(44)로부터의 -6dB의 정규화된 측정값과 안테나 구성 요소(48)로부터의 -2.5dB의 정규화된 측정값 모두에 대응하는 하나의 각도만이 있다. 따라서, 적어도 두 개의 안테나 구성 요소로부터의 정규화된 측정값을 이용함으로써, 수신 RF 업링크 신호의 AOA가 결정된다.
도 8a 내지 도 8c는 3개의 안테나(42, 44, 48) 각각의 쌍에 있어서, 도 7에 도시한 정규화된 측정값으로부터 유추된 안테나 구성 요소 쌍의 진폭 차(dB) 대 각도를 도시하고 있다. 진폭 차 측정값들은 안테나 구성 요소 측정값의 차에 대응하기 때문에 이에 따라 정규화된다. 예를 들어, 안테나 구성 요소(48)가 -80dB에서 신호를 측정하고, 안테나 구성 요소(44)가 -97dB로 신호를 측정한다면, 안테나 구성 요소(48)의 측정값이 0dB로 정규화되지 않을지라도, 진폭 차는 -17dB가 될 수 있다.
이러한 진폭 측정값 차 대 각도 패턴은 기지국(34)의 메모리(38)에 저장된 룩업 테이블로서 작용하여, 무선 모바일 장치로부터의 신호의 도달 진입 각도(AOA)를 결정한다. 도 8a는 안테나 구성 요소(44)와 안테나 구성 요소(48) 간의 진폭 측정값 차를 도시하고, 도 8b는 안테나 구성 요소(42)와 안테나 구성 요소(44) 간의 진폭 측정값을 도시하고, 도 8c는 안테나 구성 요소(48)와 안테나 구성 요소(42) 간의 진폭 측정값 차를 도시한다. 도 8a 내지 도 8c 각각으로부터 알 수 있는 바와 같이, 0°내지 대략 120°의 범위에서의, 안테나 구성 요소(44)와 안테나 구성 요소(48)의 안테나 신호 측정값 간의 차는 무선 모바일 장치로부터의 진입 RF 업링크 신호의 도달 각도를 결정하기 위해 사용되고, 대략 120°내지 240°의 범위에서의, 안테나 구성 요소(42)와 안테나 구성 요소(44)의 안테나 신호 측정값 간의 차는 도달 각도를 결정하기 위해 사용되며, 240°내지 360°의 범위에서의, 안테나 구성 요소(48)와 안테나 구성 요소(42)의 안테나 신호 측정값 간의 차는 도달 각도를 결정하는데 사용된다.
도 8a 내지 도 8c에 도시한 바와 같이, 0°내지 360°범위의 특정 도달 각도는 유일 진폭 차 측정값으로 표시된다. 도 7의 예를 이용하여, 안테나 구성 요소(44)가 대략 -6dB의 측정값을 표시하면, 그리고, 안테나 구성 요소(48)가 대략 -2.5dB의 측정값을 표시하면, 도 8a는 AOA를 결정하는데 사용된다. 안테나 구성 요소(48)의 측정값은 안테나 구성요소(44)의 측정값에서 감산되어(-6dB - (-2.5dB) = -3.5dB), -3.5dB의 값에 도달한다. 도 8a를 이용하여, -3.5dB에 대응하는 AOA가 50°되도록 결정된다.
따라서, 기지국(34)의 멀티 섹터 안테나(32)의 3개의 안테나 구성 요소 섹터를 이용하여, 무선 모바일 장치로부터의 업링크 RF 신호의 도달 각도를 쉽게 결정하게 된다. 도달 각도(θ)와 거리(4)(왕복 지연으로부터)가 결정되면, 기지국의 좌표는 알고 있는 (X0, Y0)이기 때문에, 무선 모바일 장치의 (x, y) 장소 또는 위치는 수학식 (2)와 (3)에 관하여 이미 언급한 방식으로 단일 기지국으로부터 신호 측정값만을 이용하여 쉽게 결정될 수 있다.
본 애플리케이션의 방법 및 시스템 구현의 필드 테스트는 CDMA 시스템에 맞게 행해졌다. 이러한 테스트는 3 단계, 즉, AOA를 얻는데 사용되는 룩업 테이블을 얻는 단계, RTD를 얻는 단계, 및 AOA와 RTD를 이용하여 무선 모바일 장치의 위치를 추정하는 단계로 분할되었다.
AOA를 결정하는데 사용되는 기지국의 메모리 저장용 룩업 테이블을 실제 얻을 때, 이론상의 패턴으로부터 약간 벗어난 필드 내의 실제 안테나 패턴은 도 7 및 도 8a 내지 도 8c에 도시되어 있다. 더욱이, 인접 안테나 패턴간의 중첩은 성능 동조를 위한 미세 조정으로 인해, 본 애플리케이션의 도 6에 도시한 바와 같이 대칭적이지 않을 수 있다. 그러므로, 실제 안테나 패턴은 기지국 부근에서 구동하는 테스트 모바일 장치에서 기록되는 GPS 데이터와 결합되어 기지국(Whippany, New Jersey에 위치한 CDMA 퍼스널 통신 시스템(PCS) 셀)에서 기록되는 핑거 데이터를 이용하여 측정되었다. 핑거 데이터는 셀 진단 모니터(CDM)를 이용하여 수집되었다.
도 9는 안테나 섹터 성분이 알파, 벡타, 감마인 3개의 섹터 기지국 안테나의 최종 안테나 패턴을 도시하고 있다. 모든 안테나 섹터 성분으로부터의 핑거 데이터는 CDM를 이용하여 수집되었고, 노이즈를 제거하기 위해 필터링되었다. 도 9에 도시한 바와 같이, 테스트 모바일의 GPS 정보와 조합되어, 핑거 에너지(dB 단위의 선형 스케일)의 극 궤적 대 각각의 안테나 구성 요소 섹터에 대한 각도를 형성한다. 보다 상세하게, 알파 섹터 성분은 도 9에서 점선으로 표시되고, 베타 섹터 성분은 도 9에서 쇄선으로 표시되고, 감마 섹터 성분은 도 9에서 실선으로 표시되어 있다.
드라이브 경로는 이용가능한 도로의 제한으로 인해 균일 반경을 가진 완전한 원이 아니라는 것을 알아야 한다. 결론적으로, 이로 인해, 도 10a 내지 도 10c에 도시한 바와 같이, 발생되는 안테나 구성 요소 패턴에 특정 결함이 발생된다. 예를 들어, 드라이브 경로의 세그먼트는 알파 및 베타 성분 섹터의 교차점에 매우 근접한다. 결과적으로, 1초 간격의 데이터는 20°각도를 스위프한다. 대조적으로, 모바일 장치가 베타 및 감마 섹터의 교차점에서 구동하였을 때, 1초 간격의 데이터는 단지 1°각도를 스위프한다. 이러한 비균일 반전은 이산 각도를 발생시켰다. 이동 평균치를 각도에 적용함으로써, 도 10a 내지 도 10c에 도시한 바와 같이, 완만한 안테나 패턴이 얻어졌다.
보다 상세하게, 도 10a는 알파 및 베타 섹터 성분 대 각도 간의 차를 나타내고, 도 10b는 감마 및 알파 섹터 성분 대 각도 간의 차를 나타내고, 도 10c는 베타 및 감마 섹터 성분 대 각도 간의 차를 나타내고 있다. 이러한 도 10a 내지 도 10c 챠트는 룩업 테이블로서 메모리에 저장된다.
도 9에 도시한 바와 같이, 쇄선, 실선, 및 점선은 베타, 알파, 및 감마 성분 섹터에 대한 핑거 에너지를 각각 나타낸다. 원 내의 숫자는 선형 스케일 단위의 핑거 에너지 레벨이다. 30과 40°간의 갭은 데이터 부족으로 인해 발생된다는 것을 알아야 한다.
도 9에 도시한 안테나 패턴으로부터 AOA를 결정하기 위해서, 도 8a 내지 도 8c에 관하여 이미 설명한 바와 같이, 도 10a 내지 도 10c에 나타난 유사 궤적(기지국의 메모리에 저장된 툭업 테이블로서 작용)이 얻어진다. 이러한 궤적은 진폭 차 대 각도를 반영한다. 이러한 궤적은 도 8a 내지 도 8c에 도시한 안테나 구성 요소 패턴에 대한 궤적과 비슷하다는 것을 알아야 한다. 진폭 차는 일부 영역에서 편평하여서 AOA 추정이 모호(ambiguity)하다는 것을 또한 알아야 한다. 그러나, 이러한 모호성은 기지국의 드라이브 경로의 근접성에 의해 단지 야기되었고, 본 애플리케이션의 기술 및 결함을 반영하지 않았다. 따라서, 이러한 룩업 테이블을 적소에 사용하여, 무선 모바일 장치로부터의 진입 RF 업링크 신호를 쉽게 얻게 되었다.
최종적으로, RTD는 RF 호출 트레이스(call trace)를 이용한 공지 방식으로 수집되었다. 도 11은 RTD(실선)의 정확성 대 특정 테스트 필드에 대한 GPS(쇄선)를 도시하고 있다. RTD는, 호가 드롭될 때까지 테스트 무선 모바일 장치가 기지국으로부터 벗어나 구동되는 동안, 그 다음, 무선 모바일 장치가 기지국을 향해 역으로 드라이브되었을 때 수집되었다. 도 11에 도시한 궤선은 무선 모바일 장치의 GPS 시스템과 알고 있는 기지국의 경도 및 위도를 이용하여 계산된 거리를 나타낸다. 실선은 RF 호 트레이스로부터 감산된 RTD 정보로부터 계산된 거리를 나타낸다. 200미터에서의 일정한 바이어스는 RTD를 이용하여 계산된 거리로부터 감산되고, 기지국에서 모바일 및/또는 송신/수신 지연에 의해 바람직하게 야기되었다. 도 11에 도시한 바와 같이, RTD는 매우 정확한 측정 거리를 제공한다.
AOA 및 RTD가 일단 얻어지면, 무선 모바일 장치의 위치는 수학식 2와 수학식 3및 도 4에 관하여 이미 설명한 방식으로 결정되었다. 도 12는 룩업 테이블이 구축되는 드라이브 경로에 따른 무선 모바일 장치의 위치를 나타내고 있다. 실선은 드라이브 경로를 나타내고, "X"-100은 기지국의 위치를 나타내고, 삼각형 (A)(110)은 무선 모바일 장치의 GPS 위치를 나타내고, 다발의 원(120)은 RTD 및 AOA로부터 추정되는 무선 모바일 장치의 위치를 나타낸다. 도 12에 도시한 여러 원에 대한 거리는 미터 단위의 기지국으로부터의 거리를 나타낸다.
따라서 설명되는 본 발명은 여러 방식으로 변경될 수 있다는 것은 분명하다. 이러한 변경 가능성은 본 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않고, 당업자들은 이러한 모든 변경을 본 발명의 청구 범위내에 포함된 것으로 간주한다는 것은 분명하다.
예를 들어, RTD, AOA, 및 무선 모바일 장치의 위치를 계산하는 이러한 단계는 TDMA 시스템에 직접 적용될 수 있다. TDMA 시스템에서, RTD는 기지국과 무선 모바일 장치 간의 시간 배열에 대하여 측정된다. 무선 모바일 장치로부터의 진입 RF 업링크 신호의 세기는 핸드오프가 트리거되어야 하는지를 결정하기 위해 근접하게 모니터링된다. 결론적으로, 전술한 3 단계를 적당히 적용하기에 충분히 필요한 정보가 있다. 기지국에서의 멀티 섹터 안테나가 필요하지만, 3개의 섹터 안테나를 사용하는 것은 단지 예시적인 것임을 또한 알아야 한다. AOA 및 수신 진폭 측정값의 비율, 즉, 유일 도달 각도의 두 개의 섹터 안테나 구성 요소 출력 결과의 진폭비 간의 1 대 1 매핑 시간이 존재하도록 안테나가 서로 겹친 것이 단지 필요하다.
본 발명은 단일 BS만이 무선 모바일 장치를 검출할 때 무선 모바일 장치의 위치를 결정하도록 설계되었지만, 두 개의 기지국이 MU를 검출하면, 보다 정확한 위치가 결정될 수 있다는 것을 알아야 한다. 더욱이, 두 개의 기지국으로부터의 여러 측정값 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 BS 각각으로부터의 AOA 및 단일 수학식을 이용하여, RTD 없이 위치를 결정할 수 있다(각각의 BS의 위치는 알고 있기 때문에, 단지 각도의 교차점 만이 결정될 필요가 있다).

Claims (34)

  1. 무선 모바일 장치의 위치를 결정하는 방법에 있어서,
    상기 무선 모바일 장치와, 상기 무선 모바일 장치로부터 신호를 수신하는 기지국에 속하는 멀티 섹터 안테나 간의 거리를 결정하는 단계와,
    상기 기지국에서 수신된 상기 신호의 적어도 2개의 상이한 안테나 섹터 신호 측정값을 이용하여 저장된 각도 측정값으로부터 상기 신호의 도달 각도를 결정하는 단계―각도 측정값은 상기 멀티 섹터 안테나의 적어도 2개의 상이한 섹터의 안테나 섹터 측정값에 대응하여 저장됨―와,
    상기 결정된 거리 및 상기 수신된 신호의 각도에 근거하여 상기 수신된 신호로부터 상기 무선 모바일 장치의 위치를 결정하는 단계를 포함하는
    무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리는 상기 수신된 신호의 왕복 지연(roundtrip delay; RTD)으로부터 결정되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리는 상기 수신된 신호의 편도 지연(one-way delay)으로부터 결정되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 편도 지연은 제 3 시간 동기화 소스를 기준으로 하는 클록을 가진 기지국과 무선 모바일 장치에 근거하여 결정되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 3 시간 동기화 소스는 GPS(global positioning satellite)인 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신된 신호의 측정값은 3개의 상이한 안테나 섹터로부터 얻어지는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장된 각도 측정값은 0 내지 360°의 각도를 포함하고, 각각의 각도 측정값은 적어도 2개의 상이한 안테나 섹터 측정값에 대응하여 저장되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신된 신호의 측정값은 3개의 상이한 안테나 섹터로부터 얻어지는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도달 각도는 2개의 안테나 섹터 신호 측정값 간의 차로부터 결정되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 도달 각도는 2개의 안테나 섹터 신호 측정값 간의 차로부터 결정되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    2개의 상이한 안테나 섹터 측정값의 각각의 조합에 대하여, 단일의 상이한 각도 측정값이 저장되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 수신된 신호의 측정값은 3개의 상이한 안테나 섹터로부터 얻어지는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도 측정값 및 대응하는 신호 측정값은 룩업 테이블(LUT)에 저장되고, 상기 도달 각도는 상기 수신된 신호의 적어도 2개의 상이한 안테나 섹터 측정값에 대응하는 상기 LUT의 각도 측정값으로서 결정되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 LUT에 저장된 상기 신호 측정값은 상기 멀티 섹터 안테나 쌍 간의 차 측정값인 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    제 1 섹터 쌍의 차 측정값은 대략 0°내지 대략 120°의 각도에 대응하고, 제 2 섹터 쌍의 차 측정값은 대략 120°내지 대략 240°의 각도에 대응하고, 제 3 섹터 쌍의 차 측정값은 대략 240°내지 대략 360°의 각도에 대응하는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    단일 기지국에 의해 수신된 신호가 상기 무선 모바일 장치의 위치를 결정하기 위해 사용되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    2개의 기지국에 의해 수신된 신호가 상기 무선 모바일 장치의 위치를 결정하기 위해 사용되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 방법.
  18. 단일 기지국으로부터의 신호 측정값을 이용하여 무선 모바일 장치의 위치를 결정하는 장치에 있어서,
    상기 무선 모바일 장치와, 상기 무선 모바일 장치로부터 신호를 수신하는 기지국에 속하는 멀티 섹터 안테나 간의 거리를 결정하는 신호 결정 장치와,
    상기 멀티 섹터 안테나의 적어도 2개의 상이한 섹터의 안테나 섹터 측정값에 대응하여 각도 측정값을 저장하는 메모리와,
    상기 신호의 적어도 2개의 상이한 안테나 섹터 신호 측정값을 이용하여 상기 저장된 각도 측정값으로부터 상기 신호의 도달 각도를 결정하며, 상기 결정된 거리 및 상기 수신된 신호의 도달 각도에 근거하여 상기 수신된 신호로부터 상기 무선 모바일 장치의 위치를 결정하는 위치 계산기를 포함하는
    무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 신호 결정 장치는 상기 수신된 신호의 왕복 지연(RTD)으로부터 상기 거리를 결정하는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 거리는 상기 수신된 신호의 편도 지연으로부터 결정되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 편도 지연은 제 3 시간 동기화 소스를 기준으로 하는 클록을 가진 기지국과 무선 모바일 장치에 근거하여 결정되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 3 시간 동기화 소스는 GPS인 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 위치 계산기는 상기 수신된 신호의 측정값을 3개의 상이한 안테나 섹터로부터 수신하는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 제 18 항에 있어서,
    상기 도달 각도는 2개의 안테나 섹터 신호 측정값 간의 차로부터 결정되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  27. 제 18 항에 있어서,
    2개의 상이한 안테나 섹터 측정값의 각각의 조합이 상이한 각도 측정값에 대응하여 저장되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 위치 계산기는 상기 수신된 신호의 측정값을 3개의 상이한 안테나 섹터로부터 수신하는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  29. 제 18 항에 있어서,
    상기 메모리는 0°내지 360°각도의 안테나 섹터 측정값을 저장하는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  30. 제 18 항에 있어서,
    상기 메모리는 룩업 테이블(LUT)을 포함하는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 LUT에 저장된 상기 안테나 섹터 측정값은 상기 멀티 섹터 안테나 쌍 간의 차 측정값인 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  32. 제 31 항에 있어서,
    제 1 섹터 쌍의 차 측정값은 대략 0°내지 대략 120°의 각도에 대응하고, 제 2 섹터 쌍의 차 측정값은 대략 120°내지 대략 240°의 각도에 대응하고, 제 3 섹터 쌍의 차 측정값은 대략 240°내지 대략 360°의 각도에 대응하는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  33. 제 18 항에 있어서,
    단일 기지국에 의해 수신된 신호가 상기 무선 모바일 장치의 위치를 결정하기 위해 사용되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
  34. 제 18 항에 있어서,
    2개의 기지국에 의해 수신된 신호가 상기 무선 모바일 장치의 위치를 결정하기 위해 사용되는 무선 모바일 장치의 위치 결정 장치.
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