KR100946773B1 - ＲＳＳＩ를 이용한 향상된 ＴＤｏＡ와 패턴 매칭 간의선택적 실내 측위 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 단말기의 위치를 측위하는 방법에 있어서, (a) 다수 개의 기지국으로부터 상기 단말기로 수신된 PN파일롯신호를 분석하여 수신신호레벨이 임계값 이상인 신호를 측위대상신호로 선별하는 단계; 및 (b) 상기 측위대상신호의 개수가 3개 이상인 경우, 상기 3개 이상의 측위대상신호를 이용하여 TDoA방식을 통해 상기 단말기의 측위연산을 수행하는 단계를 포함하는, RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법이 제공된다.
개시된 RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법에 따르면, 선별된 신호만을 사용함으로 측위의 신뢰도를 높일 수 있고, 임계값 이상의 신호만을 사용하므로 기존의 기술보다 낮은 시스템 복잡성을 가질 수 있으며, TDoA 방식이 적용될 수 없는 환경에서는 패턴 매칭 방식이 적용됨에 따라 제한적인 위치 측위 문제점을 해결할 수 있고 기존의 위치 측위 방식보다 안정적이고 정확한 위치 측위 결과값을 제공할 수 있다..
측위, 단말기, RSSI, TDoA, 패턴 매칭

Description

ＲＳＳＩ를 이용한 향상된 ＴＤｏＡ와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법{Selective indoor positioning method beetween TDoA and pattern matching using RSSI}
본 발명은 RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 RSSI를 이용하여 신호를 선별한 후 TDoA방식과 패턴 매칭(Pattern Matching) 방식을 선택적으로 적용하여 단말기의 위치 측위를 수행하는, RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법에 관한 것이다.
위치 및 지리정보를 활용해 다양한 서비스를 제공하는 위치기반서비스(LBS: Location-based Service)가 새롭게 부상하고 있다. 현재 제공되는 위치기반서비스는 단말기가 서비스받고 있는 이동통신망 특성을 이용하여 단말기의 위치를 추정하는 방식을 많이 사용한다. 특히, CDMA 시스템에서는 시간 정보의 동기 문제를 해결하고 비교적 정확한 위치 측위 결과값을 제공하는 TDoA(Time Difference of Arrival)방식과 이동통신 환경의 영향을 최소화하여 위치 측위 성능을 향상시키는 패턴 매칭(Pattern Matching)방식을 주로 사용하고 있다.
TDoA 방식은 동기문제를 해결할 뿐만 아니라, 전파환경이 좋은 NLOS(Non Line of Sight) 환경에서 세밀한 위치 측위 정확도를 제공한다. 그러나 기존에 사용되는 TDoA 방식은 수신되는 신호가 반드시 3개 이상일 경우에만 위치 추정이 가능하다. 기존에 제안된 TDoA방식의 문제점은 수신되는 신호를 모두 사용하여 위치 측위를 수행하므로 시스템 복잡도가 높고, 수신되는 신호를 단순히 시간이 짧은 순서대로 정렬하여 3개만을 사용하기 때문에 위치 측위 성능이 환경에 의하여 크게 영향을 받는다.
또한, 패턴 매칭(Pattern Matching) 방식은 이동통신환경을 고려하여 데이터베이스를 생성하였기 때문에, TDoA 방식에 비해 이동통신환경에서 안정적인 특성을 가진다. 그러나 패턴 매칭 방식은 위치 측위를 수행하기 위해 먼저 데이터베이스를 구축해야 하며, 전파환경이 변화하였을 경우 새로운 데이터베이스를 구축하여야 하는 단점이 있다.
이러한 패턴 매칭 방식은 도 1과 같이, 단말기의 위치를 추정하기 전에 구축된 데이터베이스와 단말기에 측정된 데이터를 비교하여 가장 유사한 데이터베이스의 대표 좌표값을 사용자의 위치로 추정하는 확률론적 모델링에 의한 위치 추정 방식이다.
즉, 도 1과 같이 m개의 패턴을 가지는 셀 A는 아래의 수학식 1과 같이 표현 가능하다.
[수학식 1]
Figure 112008011199407-pat00001
,
Figure 112008011199407-pat00002
여기서,
Figure 112008011199407-pat00003
는 셀 A지역,
Figure 112008011199407-pat00004
는 셀 A지역에서의 i번째 패턴,
Figure 112008011199407-pat00005
는 셀 A지역에서의 i번째 패턴이 가지는 j개의 파라미터이다.
그리고, 각 패턴에 대한 특성을 데이터베이스로 구성한 후, 사용자가 단말기의 위치 추정을 요청하게 되면 단말기는 측정된 지역의 고유정보를 수학식 2와 같이 가질 수 있게 된다.
[수학식 2]
Figure 112008011199407-pat00006
단말기의 위치를 추정하기 위하여, 단말기에서 측정된 수학식 2의 값과 수학식 1에 의한 데이터베이스 간의 유사도를 비교하고, 최종적으로 측정된 데이터와 가장 유사한 데이터베이스의 주소값을 위치 결과값으로 제공할 수 있다. 물론, 단말기의 위치 추정은, 단말기 및 기지국과 통신을 수행하는 별도의 측위서버(미도시)에서 이루어진다.
이러한 패턴 매칭 방식은 안정적인 측위 결과값을 제공하며, 수신되는 신호가 1개 이상이라면 위치 측위가 가능한 장점이 있다. 그러나 이러한 패턴 매칭 방식에 따른 위치 측위 결과값은 초기 데이터 구축 시 적용된 패턴의 크기에 따라 측위 정확도의 제한을 받으며, 데이터베이스 생성을 위한 많은 시간과 노력이 요구되는 문제점이 있다.
한편, 이와 다르게 앞서 상술한 TDoA의 경우는 도 2 내지 도 3과 같다.
네트워크 기반의 TDoA 방식은 한 개의 서비스 기지국과 두 개 이상의 주변 기지국 사이에 수신 신호 도달 시간의 차이를 이용하여 거리를 산출하고 사용자의 위치를 추정하는 방식이다.
그림 2와 같이 단말기의 위치를
Figure 112008011199407-pat00007
, i번째 기지국의 위치를
Figure 112008011199407-pat00008
라고 할 때, 측정된 단말기와 기지국 사이의 위치 관계는 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure 112008011199407-pat00009
여기서, c는 빛의 속도,
Figure 112008011199407-pat00010
는 i번째 기지국과 단말기 간의 거리,
Figure 112008011199407-pat00011
는 단말기가 신호를 전송한 시간인 기준시간,
Figure 112008011199407-pat00012
는 i번째 기지국으로부터 수신된 신호의 도달시간을 나타낸다. N은 단말기에 수신되는 기지국의 PN 파일롯 신호의 수라고 할 때, 수학식 3을 확장하고, 재배열하는 일련의 과정을 거친 후, 식을 간략화 하면 단말기의 위치를 추정할 수 있다.
이러한 TDoA 방식은 수신 도달시간 차이를 이용하여 위치 측위를 하기 때문에 기지국과 단말기 사이의 시간 동기가 필요하지 않으며, 노이즈가 고려되지 않은 LOS(Line of Sight) 환경에서는 수 mm 이하의 정교한 측위 결과값을 제공하는 이점이 있다.
그러나 이동통신 채널 환경은 불규칙한 지형으로 인한 수많은 방해물로부터 NLOS(Non Line of Sight) 환경을 필연적으로 경험한다. 그러므로 단말기에서 기지국 사이에 신호 도달시간은 지연되게 되고 이것은 네트워크 기반의 TDoA 방식의 측위 결과값을 저하시키는 요인이 된다.
기존에 제안된 TDoA 방식은 도 3과 같이, 단말기에 수신되는 기지국의 PN파일롯신호를 모두 사용하여 위치 측위를 하거나, 수신되는 시간 정보가 짧은 순서대로 3가지를 선택하여 위치 측위를 한다.
그러나 이러한 형태의 위치 측위 방식은 수신된 신호를 수정 또는 보완하는 과정 없이 무분별하게 선택함으로써 신호의 신뢰성을 저하시키고, 단말기에 수신된 신호를 모두 사용하여 단말기의 위치를 추정하기 때문에 시스템 복잡도를 증가시키는 문제점이 있다. 그리고 TDoA 방식은 단말기의 위치를 추정하기 위하여 위치가 다른 기지국으로부터 송신된 신호를 최소한 3개 이상 수신하여야 한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 기지국으로부터 단말기에 수신된 PN파일롯신호의 RSSI(Received Signal Strength Indicator)를 통해 임계치 이상의 신호를 선별하여 TDoA방식 또는 패턴매칭 방식 중에서 위치 측위 방식을 선택적으로 수행함으로써 측위 성능을 향상시키고 시스템 복잡도를 줄일 수 있는, RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법이 제공된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법에 따르면, 단말기의 위치를 측위하는 방법에 있어서, (a) 다수 개의 기지국으로부터 상기 단말기로 수신된 PN파일롯신호를 분석하여 수신신호레벨이 임계값 이상인 신호를 측위대상신호로 선별하는 단계; 및
(b) 상기 측위대상신호의 개수가 3개 이상인 경우, 상기 3개 이상의 측위대상신호를 이용하여 TDoA방식을 통해 상기 단말기의 측위연산을 수행하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (a) 단계에서, 상기 수신신호레벨은, 상기 기지국의 전송출력에서 상기 기지국과 단말기 사이의 경로손실을 감산한 값이며, 상기 수신신호레벨의 임계값은, 상기 단말기와 기지국 간의 기 지정된 임계거리에서의 경로손실을 상기 전송출력에서 감산한 값을 의미할 수 있다.
여기서, 상기 기지국과 단말기 사이의 경로손실은, 오쿠무라-하타 모델을 적용한 실외환경의 신호손실과 셀룰러망에서 적용되는 실내손실계수의 합일 수 있다.
그리고, 상기 임계거리는, 이동국이 위치한 중앙 기지국 영역의 반경(R)에 대한 배수의 거리일 수 있다.
또한, 상기 임계거리는, 이동국이 위치해 있는 중앙 기지국 영역의 중심으로부터, 상기 중앙 기지국과 인접한 주변 기지국 영역의 경계 부분까지 도달하는 3R의 거리일 수 있다.
한편, 상기 (b) 단계는, 상기 측위대상신호의 개수가 2개 이하인 경우, 상기 (a) 단계에서 수신된 모든 PN파일롯신호를 이용하여 패턴매칭(Pattern Matching) 방식을 통해 상기 단말기의 측위연산을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른, RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법에 따르면, 선별된 신호만을 사용함으로 측위의 신뢰도를 높일 수 있고, 임계값 이상의 신호만을 사용하므로 기존의 기술보다 낮은 시스템 복잡성을 가질 수 있으며, TDoA 방식이 적용될 수 없는 환경에서는 패턴 매칭 방식이 적용됨에 따라 제한적인 위치 측위 문제점을 해결할 수 있고 기존의 위치 측위 방식보다 안정적이고 정확한 위치 측위 결과값을 제공할 수 있는 이점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상 적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 실시예를 위한 이동국 위치에 따른 기지국 거리 추정도, 도 5는 도 본 발명의 실시예에 따른 RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법의 흐름도, 도 6은 기지국 수에 따른 TDoA 위치 측위 성능 비교 그래프이다.
본 발명에서는 기존의 TDoA 방식이 가지는 신호의 신뢰성과 시스템 복잡도 문제를 보완하고, 수신된 기지국 수에 관계없이 서비스가 가능한 형태의 향상된 위치 측위 방식을 제안하고자 한다.
이동통신 시스템에서 이동국(단말기)은 한 개 이상의 기지국 신호를 수신한다. 이때, 이동국이 사용하는 신호는 사용자의 QoS(Quality of Service)를 보장하기 위하여 수신감도가 일정 레벨 이상으로 도달한 신호이다(ex, CDMA: -134dB / WCDMA: -137.85dB). 다수의 기지국 신호가 이동국에 수신될 때, 일반적으로 신호의 세기가 큰 신호는 이동국에서 가까운 곳에 위치한 기지국이 보낸 신호라고 추측할 수 있다. 즉, 작은 신호 세기를 가지는 신호는 이동국에서 멀리 떨어져 있거나 이동 통신 채널의 영향을 많이 받은 기지국의 신호라고 유추할 수 있다.
TDoA 방식에 사용되는 신호 도달거리 정보는 다음 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112008011199407-pat00013
Figure 112008011199407-pat00014
는 i번째 기지국과 이동국(단말기) 사이의 거리, c는 빛의 속도,
Figure 112008011199407-pat00015
는 i번째 기지국으로부터 수신된 신호의 참 도달시간(LOS(Light Of Sight) 시간),
Figure 112008011199407-pat00016
는 NLOS(Non Light Of Sight)에 의하여 발생된 시간 오차 값이다.
따라서, 일반적으로 TDoA 방식에서 사용되는 신호는 기지국과 이동국 사이의 참 도달시간보다 도달시간이 지연된다. 그리고 지연된 시간 정보를 사용하여 단말기의 위치를 추정하면 위치 측위 성능이 저하된다.
한편, 전파모델에 따르면 LOS 관계인 전파는 NLOS 관계인 전파보다 크기가 훨씬 크다. 따라서 이 전파의 세기를 측정한다면 LOS 전파인지 NLOS 전파인지를 유추할 수 있다. 그러므로 이러한 수신 신호의 세기를 정의한 후, 일정 세기 이상의 신호, 즉 신뢰성을 가진 신호만을 사용하여 위치 측위를 수행하면 기존의 방식보다 보다 좋은 위치 측위 결과값을 얻을 수 있다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 알고리즘은, 먼저 단말기(MS) 측에서 다수 개의 기지국(BS)으로 측위 요청이 있게 되면(S110), 다수 개의 기지국에서 단말기 측으 로 PN파일롯신호를 전송하고, 이때 단말기 측으로 수신된 PN파일롯신호를 분석하여 수신신호레벨이 임계값 이상인 신호를 측위대상신호로 선별한다(S120~S140).
여기서, 수신신호레벨은 수신신호 세기를 의미하는 것으로서 RSSI(Received Signal Strength Indicate)의 개념이다.
이러한 측위대상신호의 개수가 3개 이상(측위대상신호의 개수≥3)인 경우(S150), 상기 3개 이상의 측위대상신호를 이용하여 TDoA방식을 통해 단말기의 측위연산을 수행하여(S160), 단말기(이동국)의 위치를 결정하게 된다(S180).
여기서, 측위대상신호의 개수가 2개 이하(측위대상신호의 개수≤2)인 경우(S150), 상기 S120단계에서 수신된 모든 PN파일롯신호를 이용하여 패턴매칭(Pattern Matching) 방식을 통해 단말기의 측위연산을 수행하여(S160), 단말기의 위치를 결정할 수 있게 된다(S180).
TDoA방식 및 패턴매칭 방식은 기존에 다양하게 공지되어 있는 기술이므로 이에 관한 상세 알고리즘은 별도로 생략하고자 한다.
상기 S120 단계에서 이동국(단말기)에 수신된 신호의 수신감도에 대한 레벨을 정의하기 위하여, 일반적으로 사용되고 있는 전파모델을, 제안하는 본 발명의 방식으로 재모델링을 하여 수신신호 레벨을 정의할 수 있다.
예를 들어, 도 4와 같은 형태로 기지국(Base Station)이 배열된 경우, 단말기(Mobile Station;MS)가 위치한 중앙 기지국의 주변에 위치한 6개의 주변 기지국(neighbor cell)에서 송신되는 신호는 그 외의 다른 기지국 신호에 비하여 보다 좋은 신호 레벨을 가진다.
따라서, 셀 반경이 R일 때, 이동국이 위치해 있는 중앙의 서비스 기지국에서부터 주변 기지국의 경계 부분까지 도달할 수 있는 최대거리는 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
Figure 112008011199407-pat00017
한편, 본 발명에서는 위치 측위를 위한 수신신호레벨을 추정하기 위한 한 예로, 수학식 6과 같이 매크로셀(Macrocell) 지역에서 사용 가능한 오쿠무라-하타(Okunura-Hata) 모델을 사용할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112008011199407-pat00018
여기서, 는 단위가 MHz인 사용 주파수(신호 주파수),
Figure 112008011199407-pat00020
는 단위가 m인 기지국 안테나의 유효 높이,
Figure 112008011199407-pat00021
은 이동국 안테나의 높이 보정팩터,
Figure 112008011199407-pat00022
는 단위가 m인 기지국과 이동국 사이의 거리를 나타낸다. 이때, 보정팩터는 도심과 중소 도시, 대도시, 교외지역에 따라 각각 다르게 적용하여 수신신호레벨을 추정할 수 있다.
이러한 수학식 6의 경우는 실외환경을 고려한 것으로서, 실외 환경과 더불어 실내 환경을 추가적으로 고려할 수 있다.
실내 전파 모델은 건물의 층 수, 벽, 문 등과 같은 실내의 구조물의 종류와 성질을 알 경우에는 통계적인 분석 및 투과손실을 적용한 모델 등의 실내 전파 모델을 적용할 수 있지만, CDMA 시스템을 사용하여 이동국의 위치를 추정할 할 경우에는 위치 측위를 요청하는 대상의 위치를 예상하여 모든 실내 구조물을 파악하기 가 어렵다.
따라서 이러한 실내 환경을 고려하기 위하여, 본 발명에서는 아래 수학식 7과 같이 셀룰러 망에서 적용되는 실내 손실 계수(indoor loss factor)를 고려하여 위치 측위 모델에 추가적으로 적용한다.
[수학식 7]
Figure 112008011199407-pat00023
Figure 112008011199407-pat00024
는 오쿠무라-하타 모델을 적용한 신호 손실,
Figure 112008011199407-pat00025
는 실내 손실 계수이다.
즉, 단말기와 기지국 간의 경로손실은, 오쿠무라-하타 모델을 적용한 실외환경의 신호손실(LOH)과 셀룰러망에서 적용되는 실내손실계수(Lilf)의 합으로 정의될 수 있다. 이러한 실내외 환경이 모두 고려된 손실계수에 따르면 보다 정확하고 신뢰도 있는 수신신호레벨을 예측할 수 있다.
본 발명은 수학식 7을 적용함으로써 수학식 8과 같이, 기지국과 이동국 간의 거리가 R인 곳에서의 수신신호레벨을 예측할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112008011199407-pat00026
즉,
Figure 112008011199407-pat00027
은 기지국으로부터 거리가 R인 지역에서의 수신신호레벨이며,
Figure 112008011199407-pat00028
는 기지국에서 전송된 PN파일롯신호의 전송출력,
Figure 112008011199407-pat00029
는 거리가 R인 지역에서의 경로손실(수학식 7)을 나타낸다.
따라서, 기지국으로부터 전송된 신호의 전송출력과 경로손실을 안다면 단말 기에 수신되는 수신신호레벨 또한 예측해낼 수 있다.
앞서 상술한 바와 같이 본 발명에서는, 다수 개의 기지국으로부터 단말기로 수신된 PN파일롯신호를 분석하여(S120), 그 수신신호레벨이 임계값 이상인 신호를 측위대상신호로 선별하게 된다(S130~S140).
여기서, 상기 수신신호레벨은, 앞서와 같이 기지국의 전송출력 값에서 기지국과 단말기 사이의 경로손실 값을 감산한 값이다.
그리고, 수신신호레벨의 임계값은 기 지정된 값으로서, 단말기와 기지국 간의 기 지정된 임계거리(예를 들어 3R)에서의 경로손실을 기지국의 전송출력에서 감산한 값이며, 예를 들면 수학식 9와 같다.
[수학식 9]
Figure 112008011199407-pat00030
즉, 도 4와 같이, 수학식 9의 임계거리는, 이동국(단말기)이 위치해 있는 중앙 기지국 영역의 중심으로부터, 중앙 기지국과 인접한 주변 기지국 영역의 경계 부분까지 도달하는 3R의 거리인 경우이다. 이는 앞서와 같이, 단말기가 위치한 기지국으로부터 주변 기지국(neighbor cell)에서 송신되는 신호가 그 외의 다른 지역의 기지국 신호에 비하여 보다 좋은 신호 레벨을 가진다는 점과 연관된다.
물론, 이러한 임계거리는, 이동국이 위치한 중앙 기지국 영역의 반경(R)에 대한 어떠한 배수의 거리(3R,4R 등)가 될 수도 있다. 그런데 임계거리가 증가 될수록 연산의 복잡도가 증가될 수 있으므로, 임계거리는 위치 측위의 정확도와 연산의 복잡도를 모두 고려하여 최적의 값으로 선택되는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명은, 임계치에 해당되는 수신신호레벨
Figure 112008011199407-pat00031
을 기준으로, 이동국(단말기)에 도달하는 전체 기지국 신호(PN파일롯신호)에서 상기 임계치 수신신호레벨보다 큰 기지국 신호를 사용하여 TDoA 방식을 계산한다. 이때, 임계치 신호 세기보다 큰 신호가 2개 이하일 경우에는 TDoA 방식을 적용할 수 없으므로, 이 경우에는 패턴매칭(Pattern Matching) 방식을 사용하여 이동국의 위치를 추정한다.
여기서, 본 발명의 방법을 도 5를 참고로 하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. CDMA 시스템에서 이동통신 단말을 가지고 있는 사용자가 위치 측위를 요청하게 되면(S110), 이동국(단말기)은 다수의 기지국으로부터 수신된 다수의 PN파일롯신호을 분석하게 된다(S120). 다수의 기지국으로부터 수신된 PN파일롯신호는 각각 서비스 PN 시퀀스 오프셋(Reference PN sequence offset), 파일롯 세기, 이동국 ID(Base Station Identification), 시스템 ID(System Identification), 네트워크 ID(Network Identification) 등의 정보를 가지고 있다.
제안하는 본 발명은 전파환경 분석을 위하여 수신된 여러 가지 파라미터 중, PN파일롯신호 세기 값(수신신호레벨)을 사용하여 위치 측위 입력값을 선별하는 과정을 수행한다(S130~S140). 즉, 이러한 본 발명의 위치 추정 방식은 임계치 신호 세기를 설정한 후, 선별된 신호 값들을 사용하여 이동국의 위치를 추정한다.
TDoA 방식은 위치 측위 연산을 수행하기 위하여 적어도 3개 이상의 기지국 신호를 필요로 하기 때문에, 본 발명에서는 S140단계에서 선별된 신호가 3개 이상인 경우에는 선별된 위치 신호를 사용하여 TDoA 방식을 수행한다(S160).
그러나 선별된 신호가 2개 이하인 경우에는 TDoA 방식을 수행할 수 없으므로, 이 경우에는 수신된 신호를 모두 사용하여 패턴매칭 방식을 수행한다(S170). 여기서, 패턴매칭 방식 적용시 별도의 선별 없이 단말기에 수신된 신호를 모두 사용하여 위치 측위를 수행하는 이유는, 패턴매칭 방식을 위해 구축된 데이터베이스가 상기 수신된 PN 파일롯신호를 모두 고려한 상태에서 생성된 것이기 때문이다.
이상과 같은 도 5의 일련의 동작은, 단말기의 측위 연산을 위해, 기지국 및 단말기와 각각 통신(각종 정보 교환)을 수행을 수행하는 별도의 측위서버(미도시)에서 이루어질 수 있으며 이는 당업자에게 자명한 사실이다.
예를 들면, 측위서버(미도시)는 단말기가 기지국으로 측위 요청을 수행한 지의 여부, 기지국으로부터 수신된 PN파일롯신호의 수신신호레벨 등에 관한 정보 등을 단말기로부터 실시간 전송받아, 전송받은 데이터를 이용하여 측위 정보를 연산하여 단말기, 기타 유관기관, 방재청, 각종 클라이언트 측에 제공할 수 있게 된다.
이상과 같은 본 발명의 위치 측위 방식의 성능 분석을 위하여, 이동 통신 채널은 단일 사용자, 다중 경로 채널로 모델링하고, 송신출력이 20[W]인 900MHz 환경에서 모의실험하였다.
또한, 패턴 매칭 방식을 위하여 패턴 크기가 100m × 100m인 데이터베이스를 구축하였다. 시뮬레이션에 적용한 파라미터는 아래의 표 1과 같다.
또한, 시뮬레이션에 사용된 도달시간 오차 범위는
Figure 112008011199407-pat00032
이며,
Figure 112008011199407-pat00033
이다. 이때
Figure 112008011199407-pat00034
는 가우시안 분포를 따르는 시간 오차 값이며,
Figure 112008011199407-pat00035
는 기지국과 이동국 사이의 참 도달시간(LOS 도달시간)이다. 도달시간 오차 값을 적용하여 TDoA 연산을 할 경우, TDoA 측정값은 수학식 10과 같다.
[수학식 10]
Figure 112008011199407-pat00036
,
Figure 112008011199407-pat00037
[표 1]
Figure 112008011199407-pat00038
한편, 기지국 수에 따른 TDoA 위치 측위 결과를 비교한 결과는 도 6과 같다.
이에 따르면, 더 많은 기지국을 사용할 경우 향상된 위치 측위 결과를 얻을 수 있다. 즉, 위치 측위 연산시 정확한 입력 값을 바탕으로 위치 측위를 한다면, 수신되는 기지국 신호의 수가 증가함에 따라 위치 측위 결과값도 향상된다.
다음으로 본 발명의 방식과 기존의 TDoA 방식을 비교한 결과는 표 2와 같다.
[표 2]
Figure 112008011199407-pat00039
표 2에서 95%는 확률적 검증 중에서 1-시그마 검증(전체 100% 대해 특수한 값으로 발생되는 양측의 2.5%씩을 제외한 나머지 95%만을 검증), 68%는 2-시그마 검증(전체 100% 대해 특수한 값으로 발생되는 양측의 16%씩을 제외한 나머지 68%만을 검증)을 의미한다.
표 2의 결과와 같이 기존 TDoA 방식은 위치 측위시 고정된 기지국(3개)을 사용하게 되지만, 본 발명에서는 수신된 기지국 PN파일롯신호 중에서 수신신호레벨이 임계치 신호 세기보다 큰 값을 갖는 기지국 PN파일롯신호들을 선별하여 사용하므로 사용하는 기지국의 수가 고정된 것이 아니라 가변 가능하다.
한편 표 2에는 각각의 시그마 검증에 대하여, 단말기의 실제 위치와 측위에 의해 결정된 위치 간의 오차값을 나타내고 있는데, 본 발명의 방법을 적용한 경우 종래의 TDoA에 비하여 그 오차가 현저히 감소되었고 향상된 측위 결과를 나타낸다.
예를 들면 68% 확률적 검증에서 종래의 TDoA방식은 309.96m의 측위 오차가 발생되었으나 본 발명은 이보다 훨씬 적은 232.07m의 측위 오차가 발생되었음을 알 수 있다.
마지막으로 TDoA 측위가 수행될 수 없는 경우, 즉 수신되는 기지국의 수가 2개 이하인 경우에는 패턴 매칭 방식을 사용하여 위치 측위를 수행하였다. 위치 측위의 결과는 표 3과 같다.
표 3을 보면 종래의 패턴 매칭 방식의 경우, 수신되는 기지국 신호를 모두 사용하여 측위를 하기 때문에 신호세기가 임계치 이상인 신호 개수가 변화하여도 위치 측위 성능에 큰 변화를 미치지 않는 것을 알 수 있다.
그러나 본 발명의 방식을 적용한 경우, 신호 세기가 임계치 이상인 신호 개수가 2개 이하인 경우에는 패턴 매칭 방식을 사용하므로 동일한 위치 측위 결과값을 가지지만, 신호 세기가 임계치 이상인 신호 개수가 3개 이상인 경우에는 수신된 PN 파일롯신호를 신호 세기에 의하여 선별하는 과정을 수행하므로, 기존의 제안된 TDoA 방식보다 향상된 위치 측위 결과를 제공하는 것을 확인할 수 있다.
[표 3]
Figure 112008011199407-pat00040
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1 내지 도 2는 종래의 패턴 매칭(Pattern Matchin) 방식과 TDoA방식의 설명을 위한 구성도,
도 3은 도 2의 TDoA방식의 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시예를 위한 이동국 위치에 따른 기지국 거리 추정도,
도 5는 도 본 발명의 실시예에 따른 RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법의 흐름도,
도 6은 기지국 수에 따른 TDoA 위치 측위 성능 비교 그래프이다.

Claims (6)

  1. 단말기의 위치를 측위하는 방법에 있어서,
    (a) 다수 개의 기지국으로부터 상기 단말기로 수신된 PN파일롯신호를 분석하여 수신신호레벨이 임계값 이상인 신호를 측위대상신호로 선별하는 단계; 및
    (b) 상기 측위대상신호의 개수가 3개 이상인 경우, 상기 3개 이상의 측위대상신호를 이용하여 TDoA방식을 통해 상기 단말기의 측위연산을 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 수신신호레벨은, 상기 기지국의 전송출력에서 상기 기지국과 단말기 사이의 경로손실을 감산한 값이며,
    상기 수신신호레벨의 임계값은, 상기 단말기와 기지국 간의 기 지정된 임계거리에서의 경로손실을 상기 전송출력에서 감산한 값인 것을 특징으로 하는, RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 기지국과 단말기 사이의 경로손실은,
    오쿠무라-하타 모델을 적용한 실외환경의 신호손실과 셀룰러망에서 적용되는 실내손실계수의 합인 것을 특징으로 하는 RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 임계거리는,
    이동국이 위치한 중앙 기지국 영역의 반경(R)에 대한 배수의 거리인 것을 특징으로 하는, RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 임계거리는,
    이동국이 위치해 있는 중앙 기지국 영역의 중심으로부터, 상기 중앙 기지국과 인접한 주변 기지국 영역의 경계 부분까지 도달하는 3R의 거리인 것을 특징으로 하는, RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    상기 측위대상신호의 개수가 2개 이하인 경우, 상기 (a) 단계에서 수신된 모든 PN파일롯신호를 이용하여 패턴매칭(Pattern Matching) 방식을 통해 상기 단말기의 측위연산을 수행하는 것을 특징으로 하는, RSSI를 이용한 향상된 TDoA와 패턴 매칭 간의 선택적 실내 측위 방법.
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