KR101222768B1 - 무선 통신 시스템을 위한 단말의 위치 추정 방법 - Google Patents

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Abstract

다수의 단말들에 대해 접속 서비스를 제공하는 무선 통신 시스템에서 위치를 추정하는 방법에 있어서, 공간 다중화를 통해 기지국을 중심으로 다수의 빔 공간을 정의하며, 미리 정해진 패턴에 따라 상기 빔 공간을 스케줄링하며, 적어도 하나의 빔 공간에 빔을 동시에 형성하고, 상기 빔에 대한 응답 메시지가 수신되는지 여부에 따라 단말의 존재 및 위치를 검출한다. 본 발명의 무선 통신 시스템을 위한 단말의 위치 추정 방법에서는 기지국의 미리 정해진 공간 스케줄링 패턴에 따라 빔을 형성하고 상기 빔을 인지한 단말들이 해당 빔 영역에 자신이 존재함을 기지국에 통보하여 위치를 등록하기 때문에 복잡한 DOA 알고리즘을 이용하지 않고도 간단하게 단말의 위치를 추정할 수 있다.
무선랜(WLAN), 빔포밍(beamforming), 스마트 안테나, 스위치드 안테나 (switched antenna), 위치 추정

Description

무선 통신 시스템을 위한 단말의 위치 추정 방법{METHOD FOR LOCATING TERMINAL FOR WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 종래의 무선 통신 시스템을 보인 개략적인 구성도;
도 2는 개선된 접속노드에 의해 운용되는 WLAN 망을 보인 도면;
도 3은 종래의 스마트 안테나를 이용한 셀룰러 시스템에서의 DOA 기법을 설명하기 위한 개념도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서의 단말 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면;
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면;
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면; 그리고
도 7은 본 발명의 위치 추정 방법을 IEEE 802.11망에 적용한 경우 접속노드 (Access Point: AP)와 단말(STA) 간의 프레임 송수신 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위치드 빔포밍 (Switched Beamforming) 기반의 무선 통신 시스템에서의 단말의 위치 추정 방법에 관한 것이다.
종래의 셀룰러 무선 통신 시스템에서는 기지국이 방사형 안테나를 이용하여 송수신을 하며, 특성상 서비스 영역 내의 단말들과 송수신하지만 서비스 영역 밖에 위치한 단말과는 통신이 불가능하다.
이러한 무선 통신 시스템으로서 IEEE 802.11 기반의 무선 지역 망 (Wireless Local Area Network: WLAN)이 잘 알려져 있다. 도 1에서, 접속 노드 (110)의 서비스 영역(10)은 송신 전력의 수준으로 결정되며 서비스 영역 내의 단말들(121, 122)은 접속노드와 송수신이 가능하지만 서비스 영역(10) 밖에 위치한 단말 (123)은 통신이 불가능하다.
도 2는 개선된 접속노드에 의해 운용되는 WLAN 망을 보인 도면으로서, 상기 접속노드(210)는 스마트 안테나를 이용하여 모든 단말과 통신을 한다. 스마트 안테나를 장착한 접속노드는 각 단말을 지향하는 빔을 형성할 수 있으며 단말들도 접속노드를 지향하는 빔을 형성할 수 있어 시스템 성능을 향상 시킨다. IEEE 802.11 시스템에서 스마트 안테나를 이용할 경우, 도 2에서 보는 바와 같이 단말이 위치한 특정 방향으로 송신 전력을 집중시킬 수 있기 때문에 해당 방향으로의 서비스 영역을 확장할 수 있다.
그러나, IEEE 802.11 시스템의 반송파 감지 다중 접속 (Carrier Sense Multiple Access: CSMA) 기법의 특성 상 단말은 타 단말들이 채널을 점유하고 있는지를 검사하여 채널 상태에 따라 동작하기 때문에, 방향성 빔을 이용할 경우 망 내의 타 단말들로부터 전송된 신호를 듣지 못하는 부작용이 발생한다. 802.11 시스템의 단말은 접속노드들은 물론 타 단말들로부터 전송되는 신호를 측정하며, 타 전송 신호가 검출되지 않으면 채널 점유를 시도한다. 따라서, 방향성 안테나를 사용할 경우, 많은 단말들은 실재로는 채널이 사용되고 있음에도 불구하고 휴지(idle) 상태로 판단하게 된다. 히든 빔 문제 (hidden beam problem)로 알려진 이러한 현상은 시스템 성능에 심각한 영향을 준다.
또한, 스마트 안테나 기법에서는 신뢰성 있는 통신을 위해 단말의 이동을 추적해야 하며, 단말의 위치 추정 기법으로서 일반적으로 수신방향 검출 (direction of arrival: DOA) 기법이 이용된다.
도 3은 종래의 스마트 안테나를 이용한 셀룰러 시스템에서의 DOA 기법을 설명하기 위한 개념도로서, 기지국 (310)과 빔 영역 (30) 에서 통신을 하던 단말 (320)이 이동할 경우 기지국(310)은 스스로 단말(320)의 이동을 알지 못한다. 따라서, 단말(320)은 자신의 위치를 알리기 위해 빔 요청 메시지를 기지국으로 전송하고 기지국(310)은 상기 빔 요청 메시지를 수신하여 DOA 알고리즘을 통해 이동한 단말(320')의 위치를 파악하게 된다. 단말(320')의 위치를 알게 되면 기지국(310)은 파악된 위치 지향의 빔을 형성하여 해당 단말과 통신을 하게 된다.
그러나, 종래의 DOA 기법에서는 단말로부터 빔 요청 메시지를 수신하기 전까 지는 단말의 이동을 알 수 없기 때문에 하향 링크 전송 오류가 발생확률이 높다. 또한, 단말로부터 빔 요청을 받들 때 마다 계속해서 DOA 알고리즘을 실행해야 하기 때문에 과도한 처리 오버헤드가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 복잡한 DOA 알고리즘 사용 없이 신속하게 단말의 위치를 파악함으로써 통신 품질을 제고할 수 있는 셀룰러 시스템에서의 위치 추정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 하나의 기지국이 다수의 단말들에 대해 접속 서비스를 제공하는 셀룰러 무선 통신 시스템을 위한 단말의 위치 추적 방법에 의해 달성된다.
상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서 제안하는 방법은, 다수의 단말들에 대해 접속 서비스를 제공하는 무선 통신 시스템에서 위치를 추정하는 방법에 있어서, 공간 다중화를 통해 기지국을 중심으로 다수의 빔 공간을 정의하며, 미리 정해진 패턴에 따라 상기 빔 공간을 스케줄링하며, 적어도 하나의 빔 공간에 빔을 동시에 형성하고, 상기 빔에 대한 응답 메시지가 수신되는지 여부에 따라 단말의 존재 및 위치를 검출한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀룰러 시스템의 위치 추정 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서의 단말 위치 추정 방법 을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 추정 방법에서는 기지국(410)이 미리 정해진 공간 스케줄링 패턴(42->42'->42")으로 빔을 형성하고 형성된 빔 영역(42, 42' 42") 내의 단말(420, 420')은 해당 빔에 실려 전송되는 빔 식별자 (beam-indication)에 대한 응답으로 자신의 상태 정보를 기지국으로 전송한다.
이전 위치 (420)에서 현재 위치 (420')로 이동할 경우, 단말은 이전 빔 영역 (41)에서 수신되는 빔 식별자와 현재 빔 영역(41')에서 수신되는 빔 식별자가 다르기 때문에 자신이 이동했음을 알 수 있다. 따라서, 단말은 수신되는 빔 식별자를 확인하여 수신된 식별자가 이전에 수신된 빔 식별자가 이전에 수신된 빔 식별자와 다른 경우 자신의 ID와 상태 정보를 포함한 응답 메시지를 상기 기지국 (410)으로 피드백 한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면으로, 1 실시예와는 달리 120도의 내각을 형성하며 배치된 3개의 빔이 미리 정해진 동일한 또는 각자의 공간 스케줄링 패턴에 빔 영역을 형성한다. 본 실시예에서는 3개의 빔이 동시에 일정한 내각을 가지도록 운용되지만 상기 빔의 수 및 빔간 내각은 시스템 환경에 따라 변경 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 위치 추정 방법을 설명하기 위한 도면으로, 제 2 실시예의 빔형성 방법과 동일하게 운용되나 각 빔의 크기, 다시 말해 송신 전력이 다르다. 이와 같이 본 발명의 제 3 실시예에서는 여러 개의 빔을 동시에 형성하여 운용하되 각 빔의 송신 전력을 다양하게 운용함으로써 서비스 영역 및 전체 송신 전력을 조절할 수 있다.
본 발명의 위치 추정 방법을 IEEE 802.11 망에 적용하고 각 빔이 형성하는 빔 영역 내에 둘 이상의 단말이 존재할 경우 하나의 빔 내에서 단말들은 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance) 방식으로 매체 접속을 시도한다.
도 7은 본 발명의 위치 추정 방법을 IEEE 802.11망에 적용한 경우 접속노드 (Access Point: AP)와 단말(STA) 간의 프레임 송수신 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에서, AP는 빔포밍 아이디 요소 (BF_ID Element) 메시지를 포함하는 비콘 (Beacon) 프레임(70)을 주기적으로 전송한다. 상기 BF_ID Element 메시지를 수신한 각각의 단말은 부반송파 (subcarrier)에 자신의 정보를 실어 기지국으로 전송한다.
상기 AP는 상기 단말들로부터 전송되는 단말 정보를 수신하여 단말의 존재를 확인하고 빔 영역 별 단말 테이블을 작성하여 단말들을 관리한다. 이렇게 생성된 단말 테이블을 기반으로 각각의 단말을 지향하는 빔이 형성되는 시점에 해당 단말의 하향링크 프레임을 전송한다.
IEEE 802.11 망에서는 단말끼리 서로 다른 부반송파를 사용한다. 따라서 기지국으로부터 빔 정보를 수신하며 단말은 짧은 프레임 간격 (short interframe space: SIFS) 내에 동일 커버리지 안의 모든 단말들이 정해진 공통의 프리앰블 (71) 과 개별적인 데이터 심볼 (73, 75, 77)을 전송하게 된다. 다시 말해, 단말의 전원이 켜진 후 처음으로 등록과정 이후 개별 단말이 몇 번째 부반송파를 사용할지 결정되며 결정된 부반송파에 자신의 ID 또는 MAC 주소 등을 실어 보낸다.
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 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 셀룰러 통신 시스템을 위한 단말의 위치 추정 방법에서는 기지국의 미리 정해진 공간 스케줄링 패턴으로 빔을 형성하고 상기 빔을 인지한 단말들이 해당 빔 영역에 자신이 존재함을 기지국에 통보하여 위치를 등록하기 때문에 복잡한 DOA 알고리즘을 이용하지 않고도 단말의 위치를 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 위치 추정 방법에서는 기지국이 일정한 패턴으로 형성하는 빔 영역 내에서 수신되는 고유의 빔 식별자를 참조하여 단말이 자신의 이동 여부를 판단하기 때문에 위치 추정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 다수의 단말들에 대해 접속 서비스를 제공하는 접속 포인트가 무선 통신 시스템에서 위치를 추정하는 방법에 있어서,
    상기 접속 포인트가 공간 다중화를 통해 상기 접속 포인트를 중심으로 다수의 빔 공간을 정의하는 과정과,
    미리 정해진 패턴에 따라 상기 빔 공간을 스케줄링하는 과정과,
    적어도 하나의 빔 공간에 빔을 형성하는 과정과,
    상기 빔에 대한 응답 메시지가 단말로부터 수신되는지 여부에 따라 상기 단말의 존재 및 위치를 검출하는 과정을 포함하는 위치 추정 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 빔은 상기 빔 공간에 따라 고유의 빔 식별자를 포함함을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 단말의 존재 및 위치를 검출하는 과정은,
    상기 단말이 상기 빔을 통해 상기 빔 식별자를 수신하면, 상기 빔 식별자와 이전에 수신된 빔 식별자를 비교하는 과정과,
    상기 빔 식별자가 상기 이전에 수신된 빔 식별자와 다르면, 단말 식별자를 포함하는 응답 메시지를 상기 접속 포인트로 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 빔은 상기 빔 공간에 따라 서로 다른 송신 전력으로 형성됨을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 빔은 적어도 2 개의 빔 공간에 동시에 형성됨을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 빔은 상기 다수의 빔 공간 각각에 대해 서로 다른 송신 전력으로 형성됨을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
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