KR100956754B1 - 광대역 무선통신 시스템에서 단말의 위치를 추정하기 위한장치 및 방법 - Google Patents

광대역 무선통신 시스템에서 단말의 위치를 추정하기 위한장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광대역 무선통신 시스템에서 단말의 위치 추정에 관한 것으로, 다수의 리더(Reader)들로부터 제공되는 단말의 태그(Tag) 신호 수신 시간들을 이용하여 상기 단말의 후보 영역을 결정하는 결정기와, 상기 태그 신호의 전파 지연을 고려하여 상기 후보 영역 내에서 가상 위치를 설정하는 설정기와, 상기 가상 위치로부터의 태그 신호 수신 시간을 예측하고, 예측 수신 시간과 측정된 수신 시간과의 차이가 임계치보다 작거나 같은 경우, 상기 가상 위치를 최종 위치로 판단하는 판단기를 포함하여, 단말이 송신하는 태그 신호의 전파 지연을 고려하여 수신 시간을 정확히 측정함으로써, 추가 장비없이 단말의 정확한 위치를 추정할 수 있다.
태그(Tag) 신호, 다중경로 지연 확산, 바크(Bark) 코드, 위치 추정

Description

광대역 무선통신 시스템에서 단말의 위치를 추정하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING LOCATION OF MOBILE STATION IN BROADBAND WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 위치 추정을 위한 후보 영역을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 단말의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 위치 추정 서버의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 단말의 태그 신호 송신 절차를 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 태그 신호 검출 절차를 도시하는 도면, 및
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 위치 추정 서 버의 위치 추정 절차를 도시하는 도면.
본 발명은 광대역 무선통신 시스템에 관한 것으로, 특히 광대역 무선통신 시스템에서 단말의 위치를 추정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
차세대 통신 시스템인 4세대(4th Generation, 이하 '4G'라 칭함) 통신 시스템에서는 약 100Mbps의 전송 속도를 가지는 다양한 서비스 품질(Quality of Service, 이하 QoS 칭함)을 가지는 서비스들을 사용자들에게 제공하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 현재 4G 통신 시스템에서는 무선 근거리 통신 네트워크 시스템 및 무선 도시 지역 네트워크 시스템과 같은 광대역 무선 접속(BWA : Broadband Wireless Access) 통신 시스템에 이동성과 QoS을 보장하는 형태로 고속 서비스를 지원하도록 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
상기 4G 통신 시스템과 같이 이동성 및 고속의 전송률이 보장되는 통신 환경으로 인해서 사용자는 다양한 서비스를 제공받을 수 있다. 예를 들어, 상기 통신 시스템을 이용하여 단말의 위치를 알려주는 RTLS(Real Time Location System)을 구축할 수 있다. 종래에는, 상기 통신 시스템을 이용한 위치 추정 방안으로 GPS(Global Positioning System)를 이용하는 방안 및 삼각 측정법을 적용한 방안 등이 제시되어 있다.
하지만, 상기 GPS를 이용하는 경우, 단말은 GPS 신호를 수신하기 위한 칩을 구비해야한다. 또한, 상기 삼각 측정법을 적용하는 경우, 구현이 매우 복잡하며, 위치 추정의 오차가 큰 문제가 있다. 더욱이, 상기 삼각 측정법을 적용한 방법 중 하나인 TOA(Time Of Arrival) 방식은 모든 단말기들의 정밀한 시간 동기가 요구되며, ROA(Received sinal strength Of Arrival) 방식은 신호가 전파하는 채널에 대한 경험적 정보가 필요하다.
상술한 바와 같이, 광대역 무선통신 시스템에서 단말의 위치를 추정하기 위해서는 GPS 신호 수신 칩과 같은 추가 장비로 인해 단말의 비용이 상승하고, 구조적 복잡성이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 삼각 측정법을 적용한 상기 단말의 위치 추정에 있어서 정밀한 시간 동기 및 채널의 정보 획득 등의 조건이 만족되어야하며, 구현이 복잡하고 오차가 큰 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 광대역 무선통신 시스템에서 별도의 추가 장비없이 단말의 위치를 추정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 광대역 무선통신 시스템에서 신호의 전파 지연을 고려한 도착 시간 차 기반의 위치 추정을 수행하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템에서 위치 추정 장치는, 다수의 리더들로부터 제공되는 단말의 태그 신호 수신 시간들을 이용하여 상기 단말의 후보 영역을 결정하는 결정기와, 상기 태그 신호의 전파 지연을 고려하여 상기 후보 영역 내에서 가상 위치를 설정하는 설정기와, 상기 가상 위치로부터의 태그 신호 수신 시간을 예측하고, 예측 수신 시간과 측정된 수신 시간과의 차이가 임계치보다 작거나 같은 경우, 상기 가상 위치를 최종 위치로 판단하는 판단기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템에서 단말 장치는, 태그 신호를 발생시키는 발생기와, 상기 태그 신호를 DC 반송파에 매핑하는 매핑기와, 상기 태그 신호를 포함하는 심벌을 송신하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템에서 단말의 위치를 추정하는 방법은, 다수의 리더들로부터 제공되는 단말의 태그 신호 수신 시간들을 이용하여 상기 단말의 후보 영역을 결정하는 과정과, 상기 태그 신호의 전파 지연을 고려하여 상기 후보 영역 내에서 가상 위치를 설정하는 과정과, 상기 가상 위치로부터의 태그 신호 수신 시간을 예측하고, 예측 수신 시간과 측정된 수신 시간과의 차이가 계산하는 과정과, 예측 전파 시간과 측정된 전파 시간과의 차이가 임계치보다 작거나 같은 경우, 상기 가상 위치를 최종 위치로 판단하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템에서 단말의 태그 신호 송신 방법은, 태그 신호를 발생시켜 DC 반송파에 매핑하는 과정과, 상기 태그 신호를 포함하는 심벌을 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 5 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템은, DC 반송파에 태그 신호를 매핑한 송신 심벌을 송신하는 단말과, 상기 송신 심벌을 수신하여 상기 DC 반송파에 매핑된 태그 신호를 확인하고, 상기 태그 신호의 수신 시간을 확인하는 다수의 리더들과, 상기 다수의 리더들 각각으로부터 제공되는 상기 태그 신호의 수신 시간 정보들을 이용하여 상기 단말의 후보 영역을 결정하고, 상기 후보 영역 내에서 설정되는 가상 위치로부터의 태그 신호 수신 시간을 예측한 후, 예측 수신 시간과 측정된 수신 시간과의 차이가 임계치보다 작거나 같은 경우, 상기 가상 위치를 최종 위치로 판단하는 위치 추정 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단 된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 광대역 무선통신 시스템에서 단말로부터의 태그(Tag) 신호의 도달 시간 차이를 이용하여 상기 단말의 위치를 추정하기 위한 기술에 대해 설명한다. 본 발명에서 상기 무선통신 시스템은 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'이라 칭함) 방식 기반의 통신 시스 템을 예로 들어 설명하며, 다중 반송파 방식의 통신 시스템이라면 동일하게 적용할 수 있다.
먼저, 본 발명에서 제안하는 알고리즘을 수식을 참조하여 상세히 설명한다.
단말의 위치를 추정하기 위해서, 상기 단말은 태그 신호라 불리는 미리 약속된 신호를 매 OFDM 심벌마다 지속적으로 송신한다. 여기서, 상기 태그 신호는 상기 OFDM 심벌 내의 부반송파 중 DC(Direct Current) 반송파를 통해 송신되고, 바크(Bark) 코드를 이용하여 변조된다. 상기 바크 코드는 일반 통신 신호와의 간섭을 줄이기 위해 고안된 기준 신호로, 상기 바크 코드 간의 내적이 0에 가까운 상호 상관성이 우수한 코드이다.
상기 단말이 송신하는 태그 신호는 태그 리더(Reader)로 수신되고, 상기 태그 리더는 상기 태그 신호의 수신 시간을 확인한다. 이때, 위치 추정을 위해서는 적어도 세 개의 태그 리더들이 상기 태그 신호를 수신해야한다. 본 발명에서는 광대역 무선통신 시스템을 이용하여 추가 장비없이 위치 추정을 수행하기 위하여, 상기 태그 리더의 기능을 기지국이 수행하는 것이 바람직하다. 따라서, 이하 본 발명은 상기 태그 리더를 기지국으로 가정하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 기지국A(110), 기지국B(120), 기지국C(130)는 단말(100)이 송신한 태그 신호를 각각 수신하여 수신 시간 정보를 위치 추정 서버(150)으로 알린다. 여기서, 상기 위치 추정 서버(150)은 상기 기지국 내부에 위치될 수도 있고, 또는, 다수의 기지국들과 통신 가능한 별도의 장비로 구성될 수 있다.
우선, 상기 위치 추정 서버(150)는 상기 기지국들(110, 120, 130)로부터 제공되는 태그 신호 수신 시간 정보를 이용하여 각 기지국 쌍 간의 태그 신호 수신 시간 차를 계산한다. 즉, 상기 기지국A(110)와 기지국B(120) 간의 수신 시간 차, 상기 기지국B(120)와 기지국C(130) 간의 수신 시간 차, 상기 기지국C(130)와 기지국A(110) 간의 수신 시간 차가 계산된다. 여기서, 상기 태그 신호 수신 시간 차는 단말이 위치할 수 있는 후보 영역을 결정하는데 사용된다. 다시 말해, 상기 후보 영역은 상기 각 기지국 쌍의 태그 신호 수신 시간차를 이용하여 산출되는 위치 곡선들에 의해 결정되며, 상기 위치 곡선은 하기 <수학식 1>을 통해 산출된다.
Figure 112006098127018-pat00001
상기 <수학식 1>에서 상기 R(i,j)는 두 개의 기지국 간의 태그 신호 수신 시간 차, 상기 Xi 및 Yi는 기지국i의 좌표, 상기 Xj 및 Yj는 기지국j의 좌표, 상기 C는 빛의 속도를 나타낸다.
상기 도 1에서, 상기 <수학식 1>을 이용하여 상기 기지국A(110)와 기지국B(120)에 의한 제 1 곡선(115), 상기 기지국B(120)와 기지국C(130)에 의한 제 2 곡선(125), 상기 기지국C(130)와 기지국A(110)에 의한 제 3 곡선(135)이 산출된다. 여기서, 상기 세 곡선들(115, 125, 135)에 의해 형성되는 하나의 폐곡면이 단말이 위치한 후보 영역이다. 이상적인 경우, 상기 세 곡선(115, 125, 135)은 하나의 점에서 교차해야 한다. 하지만, 실제의 경우, 비가시선(NLOS : Non Line Of Sight) 환경 등의 원인으로 전파 지연이 발생하기 때문에 태그 신호 수신 시간이 정확한 거리를 반영하지 않는다. 따라서, 상기 도 1과 같이 넓이를 갖는 후보 영역이 형성된다. 이후, 상기 후보 영역 내에서 전파 지연을 고려한 단말의 가상 위치가 설정된다.
상기 단말의 가상 위치를 설정하는 알고리즘은 다음과 같다.
먼저, 태그 신호의 전파 시간 측정치는 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006098127018-pat00002
상기 <수학식 2>에서 상기 r은 측정된 태그 신호의 전파 시간, 상기 f(X)는 정확한 신호 전파 시간, 상기 n은 측정 오차를 나타낸다. 여기서, 상기 X는 단말의 실제 위치 좌표로 [x y]T이고, 상기 정확한 신호 전파 시간은 {단말과 기지국의 거리}/{빛의 속도}이다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이 세 개의 기지국들을 이용하는 경우, 상기 <수학식 2>의 각 변수들은 세 개의 원소들를 갖는 벡터이며, 이를 측정 오차에 대해 정리하면 하기 <수학식 3>과 같다.
Figure 112006098127018-pat00003
상기 <수학식 3>에서 상기 R은 측정된 태그 신호의 전파 시간 벡터, 상기 F(X)는 정확한 신호 전파 시간 벡터, 상기 N은 측정 오차 벡터를 나타낸다.
여기서, 상기 측정 오차의 제곱의 합이 최소화되는 위치가 단말의 가상 위치로 설정된다. 상기 측정 오차의 제곱의 합은 하기 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006098127018-pat00004
상기 <수학식 4>에서, 상기 ε(X)는 측정 오차 제곱 벡터, 상기 R은 측정된 태그 신호의 전파 시간 벡터, 상기 F(X)는 정확한 신호 전파 시간 벡터, 상기 W는 가중치 행렬을 나타낸다.
상기 <수학식 4>에서 상기 W는 가상 위치와 실제 위치 간 오차를 줄이기 위한 각 기지국의 측정 오차에 대한 가중치이다. 상기 W를 절적히 선택함으로써, 상기 가상 위치는 상기 실제 위치와 근사한 값으로 설정된다. 여기서, 기지국으로 수신되는 태그 신호는 다중 경로를 통과한 지연 신호들의 합으로 표현된다. 각 경로별 지연 정도의 분포, 즉, 다중 경로 지연 확산은 측정 오차의 범위에 영향을 끼치므로, 본 발명은 상기 W를 태그 신호의 다중 경로 지연 확산 RMS(Root Mean Square)를 이용하여 도출한다. 상기 다중 경로 지연 확산 RMS는 하기 <수학식 5>와 같이 산출된다.
Figure 112006098127018-pat00005
상기 <수학식 5>에서, 상기 τrms는 다중 경로 지연 확산의 RMS, 상기 Pi는 i번째 경로로 수신된 신호의 전력, 상기 τi는 소정 기준 시간에 대한 i번째 경로의 상대적 지연, 상기 τm은 평균 초과 지연을 나타낸다.
상기 <수학식 5>에서 상기 τm은 하기 <수학식 6>과 같이 산출된다.
Figure 112006098127018-pat00006
상기 <수학식 6>에서, 상기 τm은 평균 초과 지연, 상기 Pi는 i번째 경로로 수신된 신호의 전력, 상기 τi는 소정 기준 시간에 대한 i번째 경로의 상대적 지연을 나타낸다.
상기 위치 추정 서버(150) 또는 각 기지국(110, 120, 130)은 상기 <수학식 5> 및 <수학식 6>을 이용하여 각 태그 신호의 RMS를 산출하고, 상기 위치 추정 서버(150)는 RMS 값들을 이용하여 하기 <수학식 7>과 같이 상기 W를 결정한다.
Figure 112006098127018-pat00007
상기 <수학식 6>에서, 상기 W는 측정 오차의 가중치 행렬, 상기 τrms ,m는 m 번째 기지국이 수신한 태그 신호의 RMS를 나타낸다.
이때, 상기 F(X)를 테일러 급수(Taylor Series)를 이용하여 1차 미분 성분 까지 근사하면 하기 <수학식 8>과 같다.
Figure 112006098127018-pat00008
상기 <수학식 8>에서, 상기 F(X)는 실제 전파 지연 시간 벡터, 상기 F(X0)는 기준위치 X0에서의 신호 전파 시간, 상기 G는 F(X)의 야코비안(Jacobian) 행렬을 나타낸다.
상기 <수학식 8>에서 상기 G는 하기 <수학식 9>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006098127018-pat00009
상기 <수학식 9>에서, 상기
Figure 112006098127018-pat00010
는 X가 X0인 경우에 fm을 xp로 편미분한 값을 나타낸다. 여기서, 상기 xp는 상기 X의 p번째 원소를 나타낸다.
상기 <수학식 8> 및 <수학식 9>을 통해 상기 F(X)를 근사한 후, 상기 ε(X)를 최소화하는 X는 하기 <수학식 10>과 같이 산출된다.
Figure 112006098127018-pat00011
상기 <수학식 10>에서 상기 X'는 단말의 가상 위치, 상기 X0는 임의의 기준위치, 상기 G는 F(X)의 야코비안 행렬, 상기 W는 가중치 행렬, 상기 R은 측정된 태그 신호의 전파 시간 벡터, 상기 F(X0)는 기준위치 X0에서의 신호 전파 시간을 나타낸다.
상기 <수학식 10>과 같이 단말의 가상 위치가 설정되면, 상기 위치 추정 서버(150)는 상기 가상 위치에 대한 각 기지국의 태그 신호 수신 시간을 예측한다. 다시 말해, 상기 위치 추정 서버(150)는 상기 가상 위치에서 단말이 태그 신호를 송신하였다는 가정하에 각 기지국이 태그 신호를 수신하는 시간을 예측한다. 상기 예측된 수신 시간 정보를 실제 측정된 수신 시간 정보와 비교하여 두 시간 정보의 차이가 임계치 이하라면, 상기 가상 위치가 최종 위치로 결정된다. 반면, 상기 두 시간 정보의 차이가 임계치보다 크면, 상기 가상 위치를 기반으로 다른 가상 위치를 설정한다. 다시 말해, 상기 <수학식 10>에서 상기 X'를 X0에 대입하여 가상 위치를 재설정한다. 즉, 상기 <수학식 10>을 다시 표현하면 하기 <수학식 11>과 같다.
Figure 112006098127018-pat00012
상기 <수학식 11>에서 상기 X(n)은 단말의 n번째 가상 위치, 상기 X(n-1)은 단말의 n-1번째 가상 위치, 상기 G는 F(X)의 야코비안 행렬, 상기 W는 가중치 행렬, 상기 R은 측정된 태그 신호의 전파 시간 벡터, 상기 F(X0)는 기준위치 X0에서의 신호 전파 시간을 나타낸다.
즉, 상기 측정된 수신 시간 정보와 예측된 수신 시간 정보의 차이가 임계치 이하가 될 때까지 가상 위치 설정을 반복 수행함으로써 단말의 최종 위치가 추정된다.
이하 본 발명은 상술한 알고리즘을 수행하기 위한 단말, 기지국, 및 위치 추정 장치의 구성 및 동작 절차를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 단말의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 단말은 태그 신호 발생기(201), 부반송 파 매핑기(203), OFDM 변조기(205), 디지털 아날로그 변환기(Digital to Analog Converter, 이하 'DAC'라 칭함)(207) 및 RF(Radio Frequency) 송신기(209)를 포함하여 구성된다.
상기 태그 신호 발생기(201)는 단말 인식을 위해 부여된 고유 시퀀스(Sequence)를 바크 코드 변조하여 지속적으로 출력한다. 상기 부반송파 매핑기(203)는 상기 태그 신호 발생기(201)로부터 제공되는 태그 신호를 DC 반송파에 매핑한다. 상기 OFDM 변조기(205)는 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산을 통해 상기 부반송파 매핑기(203)로부터 제공되는 주파수 매핑된 신호들을 시간영역 신호로 변환하여 OFDM 심벌을 생성한다. 상기 DAC(207)는 상기 OFDM 변조기(205)로부터 제공되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 상기 RF 송신기(209)는 상기 DAC(207)로부터 제공되는 기저대역 신호를 RF 대역 신호로 변환 및 증폭하여 안테나를 통해 송신한다.
도 3은 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기지국은 RF 수신기(301), 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter, 이하 'ADC'라 칭함)(303), OFDM 복조기(305), 부반송파 디매핑기(307) 및 태그 신호 확인기(309)를 포함하여 구성된다.
상기 RF 수신기(301)는 안테나를 통해 수신된 RF 대역의 신호를 증폭하고, 기저대역 신호로 변환한다. 상기 ADC(303)는 상기 RF 수신기(301)로부터 제공되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 상기 OFDM 복조기(305)는 FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 통해 상기 ADC(303)로부터 제공되는 시간 영역 OFDM 심벌을 주파수 영역 부반송파별 신호들로 변환한다.
상기 부반송파 디매핑기(307)는 상기 OFDM 복조기(305)로부터 제공되는 부반송파별 신호들을 매핑되기 전 형태로 복원한다. 특히, 상기 부반송파 디매핑기(307)는 본 발명에 따라 DC 반송파에 실린 태그 신호를 상기 태그 신호 확인기(309)로 출력한다.
상기 태그 신호 확인기(309)는 상기 부반송파 디매핑기(307)로부터 제공되는 태그 신호를 바크 코드 복조하여 어느 단말의 태그 신호인지 확인하고, 상기 태그 신호의 수신 시간을 확인한다. 여기서, 상기 태그 신호의 수신 시간 정보는 위치 추정 서버로 송신된다. 또한, 상기 태그 신호 확인기(309)는 상기 태그 신호의 다중 경로 지연 확산 RMS를 측정한다. 여기서, 상기 태그 신호의 수신 시간 정보 및 RMS 정보는 위치 추정 서버로 제공된다.
도 4는 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 위치 추정 서버의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 위치 추정 서버는 후보 영역 결정기(401), 가상 위치 설정기(403) 및 최종 위치 판단기(405)를 포함하여 구성된다.
상기 후보 영역 결정기(401)는 단말의 태그 신호를 수신한 태그 리더, 즉, 기지국들로부터 상기 태그 신호의 수신 시간 정보들을 수집하여 상기 단말 위치에 대한 후보 영역을 결정한다. 다시 말해, 상기 후보 영역 결정기(401)는 상기 수신 시간을 제공한 기지국들을 두 개씩 쌍을 지어, 각 쌍에 대한 수신 시간 차이를 계산한다. 상기 후보 영역 결정기(401)는 상기 수신 시간 차이를 이용하여 상기 <수학식 1>과 같이 각 쌍에 대한 위치 곡선을 산출하고, 상기 후보 영역을 결정한다. 예를 들어, 세 개의 기지국으로부터 상기 태그 신호의 수신 시간 정보를 수집한 경우, 상기 도 1과 같이 세 개의 위치 곡선이 산출되며, 상기 위치 곡선들이 형성한 폐곡면이 후보 영역이 된다.
상기 가상 위치 설정기(403)는 상기 후보 영역 내에서 단말이 위치할 것이라고 예상되는 가상 위치를 설정한다. 즉, 상기 가상 위치 설정기(403)은 임의의 위치를 기준 위치(X0)로 하여 상기 <수학식 10>과 같이 가상 위치를 설정한다. 또한, 상기 최종 위치 판단기(405)가 설정된 가상 위치를 최종 위치로 판단하지 않는 경우, 상기 가상 위치를 이용하여 가상 위치를 재설정한다. 즉, 상기 <수학식 11>을 통해 상기 가상 위치를 재설정한다.
상기 최종 위치 판단기(405)는 상기 가상 위치 설정기(403)로부터 가상 위치 정보를 제공받아 상기 가상 위치가 최종 위치인지 판단한다. 다시 말해, 상기 가상 위치에 대한 각 기지국의 태그 신호 수신 시간을 예측하고, 상기 예측된 수신 시간과 실제 측정된 수신 시간을 비교한다. 예를 들어, 상기 가상 위치에 대한 태그 신호 수신 시간은 상기 각 기지국과 가상 위치 간의 거리를 빛의 속도로 나누어 정확한 신호 전파 시간을 계산하고, 상기 정확한 신호 전파 시간을 이용하여 예측될 수 있다. 만일, 상기 두 시간 정보의 차이가 임계치 이하이면, 상기 가상 위치를 최종 위치로 판단한다. 반면, 상기 두 시간 정보의 차이가 임계치보다 크면, 상기 가상 위치를 재설정하도록 상기 가상 위치 설정기(403)를 제어한다. 이때, 상기 가상 위치의 재설정은 상기 최종 위치가 결정되는 시점까지 반복 수행된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 단말의 태그 신호 송신 절차를 도시하고 있다.
상기 도 5를 참조하면, 상기 단말은 501단계에서 태그 신호를 발생시킨다. 즉, 단말 인식을 위해 부여된 고유 시퀀스를 바크 코드 변조한다.
상기 태그 신호를 발생시킨 후, 상기 단말은 503단계로 진행하여 DC 반송파에 상기 태그 신호가 실린 송신 심벌을 생성한다. 즉, 상기 송신 심벌 생성 시, 상기 태그 신호를 DC 반송파에 매핑한다.
이후, 상기 단말은 505단계로 진행하여 기지국으로 상기 송신 심벌을 전송한다. 이때, 상기 태그 신호는 다수의 기지국이 수신할 수 있도록 방송(Broadcast)의 형태로 전송된다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 태그 신호 검출 절차를 도시하고 있다.
상기 도 6을 참조하면, 상기 기지국은 601단계에서 위치를 추정하려는 목표 단말의 태그 신호가 수신되는지 확인한다. 즉, DC 반송파에 실려 수신되는 태그 신 호를 바크 코드 복조하여 목표 단말의 태그 신호인지 확인한다.
상기 목표 단말의 태그 신호가 수신되면, 상기 기지국은 603단계로 진행하여 상기 태그 신호의 수신 시간을 확인한다.
이후, 상기 기지국은 605단계로 진행하여 상기 태그 신호의 다중경로 지연 확산 RMS를 측정한다. 여기서, 상기 RMS는 상기 <수학식 5> 및 <수학식 6>을 통해 산출된다.
상기 태그 신호의 수신 시간을 확인한 후, 상기 기지국은 607단계로 진행하여 상기 태그 신호의 수신 시간 정보 및 RMS 정보를 위치 추정 서버로 전송한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 위치 추정 서버의 위치 추정 절차를 도시하고 있다.
상기 도 7을 참조하면, 상기 위치 추정 서버는 701단계에서 위치 추정하려는 목표 단말의 태그 신호를 수신한 기지국들로부터 상기 태그 신호의 수신 시간 정보(t1, t2, t3)가 수신되는지 확인한다. 이때, 상기 위치 추정 서버는 상기 수신 시간 정보를 적어도 세 개 이상의 기지국으로부터 수집해야만 위치 추정을 수행할 수 있다.
상기 적어도 세 개의 기지국으로부터 태그 신호의 수신 시간 정보가 수집되면, 상기 위치 추정 서버는 703단계에서 상기 수집된 수신 시간 정보를 이용하여 단말 위치에 대한 후보 영역을 결정한다. 즉, 상기 위치 추정 서버는 각 기지국 쌍 간의 수신 시간 차를 계산하고, 상기 <수학식 1>을 통해 위치 곡선들을 산출한다. 여기서, 상기 위치 곡선들이 형성하는 폐곡면이 상기 후보 영역이 된다.
상기 후보 영역을 결정한 후, 상기 위치 추정 서버는 705단계로 진행하여 상기 후보 영역 내에서 단말의 가상 위치를 설정한다. 여기서, 상기 가상 위치는 상기 <수학식 10>을 통해 설정된다.
상기 가상 위치를 설정한 후, 상기 위치 추정 서버는 707단계로 진행하여 상기 가상 위치로부터의 태그 신호 수신 시간을 예측한다. 즉. 상기 가상 위치에서 단말이 태그 신호를 송신하였을 경우, 각 기지국이 상기 태그 신호를 수신하는 시간을 예측한다. 예를 들어, 상기 가상 위치에 대한 태그 신호 수신 시간(t1', t2', t3')은 상기 각 기지국과 가상 위치 간의 거리를 빛의 속도로 나누어 정확한 신호 전파 시간을 계산하고, 상기 정확한 신호 전파 시간을 이용하여 예측될 수 있다.
이후, 상기 위치 추정 서버는 709단계로 진행하여 상기 예측된 수신 시간(t1', t2', t3')과 측정된 수신 시간(t1, t2, t3)을 비교하여, 상기 두 시간 정보 차이가 임계치 이하인지 확인한다. 즉, 상기 위치 추정 서버는 각 기지국별 시간 정보 차이(t1-t1', t2-t2', t3-t3')의 합이 임계치 이하인지 확인한다.
만일, 상기 두 시간 정보 차이가 임계치보다 크면, 상기 위치 추정 서버는 705단계로 되돌아가 가상 위치를 재설정한다. 즉, 상기 <수학식 11>을 통해 상기 가상 위치를 재설정한다.
반면, 상기 두 시간 정보 차이가 임계치보다 작거나 같으면, 상기 위치 추정 서버는 711단계로 진행하여 현재의 가상 위치를 최종 위치로 판단한다.
상술한 바와 같이, 광대역 무선통신 시스템에서 단말이 DC 반송파를 통해 송신하는 태그 신호를 이용하여 상기 단말의 위치를 추정할 수 있다. 여기서, 상기 태그 신호는 상기 위치 추정뿐만이 아니라 RFID(Radio Frequency IDentification)를 이용한 다양한 서비스에 활용될 수 있다. 예를 들어, 고속도로 톨게이트(Toll Gate)에 상기 태그 신호를 확인할 수 있는 장치를 구비함으로써, 자동 고속도로 요금 징수 등의 서비스가 가능하다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 광대역 무선통신 시스템에서 단말이 송신하는 태그 신호의 전파 지연을 고려하여 수신 시간을 정확히 측정함으로써, 추가 장비없이 단말의 정확한 위치를 추정할 수 있다.

Claims (32)

  1. 광대역 무선통신 시스템에서 위치 추정 장치에 있어서,
    다수의 리더(Reader)들로부터 제공되는 단말의 태그(Tag) 신호 수신 시간들을 이용하여 상기 단말의 후보 영역을 결정하는 결정기와,
    기준 위치 및 상기 태그 신호의 전파 지연을 이용하여 상기 후보 영역 내에서 가상 위치를 설정하는 설정기와,
    상기 가상 위치로부터의 태그 신호 수신 시간을 예측하고, 예측 수신 시간과 측정된 수신 시간과의 차이가 임계치보다 작거나 같은 경우, 상기 가상 위치를 최종 위치로 판단하는 판단기를 포함하며,
    상기 설정기는, 상기 예측 수신 시간과 상기 측정된 수신 시간과의 차이가 임계치보다 큰 경우, 상기 가상 위치를 상기 기준 위치로서 이용하여 새로운 가상 위치를 재설정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 결정기는,
    상기 다수의 리더들을 두 개씩 쌍을 지어, 각 쌍의 신호 수신 시간 차이를 계산하고, 상기 신호 수신 시간 차이를 이용하여 다수의 위치 곡선을 산출한 후, 상기 다수의 위치 곡선이 형성하는 폐곡면을 후보 영역으로 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 설정기는, 하기 수식을 통해 상기 가상 위치를 설정하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112009079221879-pat00014
    여기서, 상기 X'는 가상 위치, 상기 X0는 기준 위치, 상기 G는 F(X)의 야코비안(Jacobian) 행렬, 상기 W는 가중치 행렬, 상기 R은 측정된 태그 신호의 전파 시간 벡터, 상기 F(X0)는 기준위치 X0에서의 신호 전파 시간을 나타냄.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 설정기는, 상기 가중치 행렬 W를 하기 수식과 같이 산출하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112007093745133-pat00015
    여기서, 상기 W는 가중치 행렬, 상기 τrms,m는 m 번째 리더가 수신한 태그 신호의 다중경로 지연 확산 RMS(Root Mean Square)를 나타냄.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 판단기는,
    상기 가상 위치와 각 리더 간 거리를 빛의 속도로 나누어 정확한 신호 전파 시간을 계산하고, 상기 정확한 신호 전파 시간을 이용하여 가상 위치로부터의 태그 신호 수신 시간을 예측하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 설정기는, 하기 수식을 통해 상기 새로운 가상 위치를 재설정하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112009079221879-pat00016
    여기서, 상기 X(n)은 단말의 n번째 가상 위치, 상기 X(n-1)은 단말의 n-1번째 가상 위치, 상기 G는 F(X)의 야코비안 행렬, 상기 W는 가중치 행렬, 상기 R은 측정된 태그 신호의 전파 시간 벡터, 상기 F(X0)는 기준위치 X0에서의 신호 전파 시간을 나타냄.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 광대역 무선통신 시스템에서 단말의 위치를 추정하는 방법에 있어서,
    다수의 리더(Reader)들로부터 제공되는 단말의 태그(Tag) 신호 수신 시간들을 이용하여 상기 단말의 후보 영역을 결정하는 과정과,
    기준 위치 및 상기 태그 신호의 전파 지연을 이용하여 상기 후보 영역 내에서 가상 위치를 설정하는 과정과,
    상기 가상 위치로부터의 태그 신호 수신 시간을 예측하고, 예측 수신 시간과 측정된 수신 시간과의 차이가 계산하는 과정과,
    예측 수신 시간과 측정된 수신 시간과의 차이가 임계치보다 작거나 같은 경우, 상기 가상 위치를 최종 위치로 판단하는 과정과,
    상기 예측 수신 시간과 상기 측정된 수신 시간과의 차이가 임계치보다 큰 경우, 상기 가상 위치를 상기 기준 위치로서 이용하여 새로운 가상 위치를 재설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 단말의 후보 영역을 결정하는 과정은,
    상기 다수의 리더들을 두 개씩 쌍을 지어, 각 쌍의 신호 수신 시간 차이를 계산하는 과정과,
    상기 신호 수신 시간 차이를 이용하여 다수의 위치 곡선을 산출하는 과정과,
    상기 다수의 위치 곡선이 형성하는 폐곡면을 후보 영역으로 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 가상 위치는, 하기 수식을 통해 설정되는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112007093745133-pat00020
    여기서, 상기 X'는 가상 위치, 상기 X0는 임의의 기준위치, 상기 G는 F(X)의 야코비안(Jacobian) 행렬, 상기 W는 가중치 행렬, 상기 R은 측정된 태그 신호의 전파 시간 벡터, 상기 F(X0)는 기준위치 X0에서의 신호 전파 시간을 나타냄.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 가중치 행렬 W는, 하기 수식과 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112007093745133-pat00021
    여기서, 상기 W는 가중치 행렬, 상기 τrms,m는 m 번째 리더가 수신한 태그 신호의 다중경로 지연 확산 RMS(Root Mean Square)를 나타냄.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 예측 수신 시간은, 상기 가상 위치와 각 리더 간 거리를 빛의 속도로 나누어 정확한 신호 전파 시간을 계산하고, 상기 정확한 신호 전파 시간을 이용하여 예측되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 새로운 가상 위치는, 하기 수식을 통해 재설정되는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112009079221879-pat00022
    여기서, 상기 X(n)은 단말의 n번째 가상 위치, 상기 X(n-1)은 단말의 n-1번째 가상 위치, 상기 G는 F(X)의 야코비안 행렬, 상기 W는 가중치 행렬, 상기 R은 측정된 태그 신호의 전파 시간 벡터, 상기 F(X0)는 기준위치 X0에서의 신호 전파 시간을 나타냄.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 광대역 무선통신 시스템에 있어서,
    DC(Direct Current) 반송파에 태그(tag) 신호를 매핑한 송신 심벌을 송신하는 단말과,
    상기 송신 심벌을 수신하여 상기 DC 반송파에 매핑된 태그 신호를 확인하고, 상기 태그 신호의 수신 시간을 확인하는 다수의 리더(reader)들과,
    상기 다수의 리더들 각각으로부터 제공되는 상기 태그 신호의 수신 시간 정보들 및 기준 위치를 이용하여 상기 단말의 후보 영역을 결정하고, 상기 후보 영역 내에서 설정되는 가상 위치로부터의 태그 신호 수신 시간을 예측한 후, 예측 수신 시간과 측정된 수신 시간과의 차이가 임계치보다 작거나 같은 경우 상기 가상 위치를 최종 위치로 판단하고, 상기 예측 수신 시간과 상기 측정된 수신 시간과의 차이가 임계치보다 큰 경우 상기 가상 위치를 상기 기준 위치로서 이용하여 새로운 가상 위치를 재설정하는 위치 추정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 단말은, 상기 태그 신호를 바크(Bark) 코드 변조하여 DC 반송파에 매핑하고,
    상기 다수의 리더들은, 상기 DC 반송파에서 추출된 신호를 바크 복조함으로써, 상기 태그 신호를 확인하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제 21항에 있어서,
    상기 위치 추정 장치는, 하기 수식을 통해 상기 가상 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 시스템,
    Figure 112007093745133-pat00032
    여기서, 상기 X'는 가상 위치, 상기 X0는 임의의 기준위치, 상기 G는 F(X)의 야코비안(Jacobian) 행렬, 상기 W는 가중치 행렬, 상기 R은 측정된 태그 신호의 전파 시간 벡터, 상기 F(X0)는 기준위치 X0에서의 신호 전파 시간을 나타냄.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 다수의 리더들 각각은, 상기 태그 신호의 다중경로 지연 확산 RMS(Root Mean Square)를 측정하고,
    상기 위치 추정 장치는, 상기 태그 신호의 다중경로 지연 확산을 이용하여 상기 가중치 행렬을 산출하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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