KR101495456B1 - 무선국의 셀프-포지셔닝 - Google Patents

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Abstract

액세스 포인트의 포지션을 판정하고 실시간으로 트래킹하는 셀프-포지셔닝 메커니즘이 제공된다. 위치 미인식 액세스 포인트는 위치 인식 스테이션들의 위치들로부터 그의 위치를 판정한다. 위치는 시간 주기 동안 위치 인식 스테이션들의 위치들의 측정된 값들에 기초하여 업데이트되는 예측 추정치에 기초하여 판정된다. 그 후, 위치의 이동은 위치 인식 스테이션들의 범위 측정치들 사이의 차이들에 기초하여 트래킹된다.

Description

무선국의 셀프-포지셔닝{SELF-POSITIONING OF A WIRELESS STATION}
본 발명의 실시형태들은 전반적으로 통신에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 무선국의 포지션을 판정하고 계속해서 트래킹하는 기법들에 관한 것이다.
무선 디바이스들이 위치 기반 서비스들을 채용하는 경향이 증가하고 있다. 이들 위치 기반 서비스들은 무선 디바이스의 사용자에게 무선 네트워크를 통해 액세스 가능한 정보를 제공한다. 위치 기반 서비스는 무선 디바이스의 지리적 포지션에 의존한다. 이러한 정보의 예들은 국지적 기상 정보, 운전 방향, 오락 서비스들 등일 수 있다. 무선 디바이스의 지리적 위치는 특정 포지셔닝 시스템에서 사용되는 공지된 좌표계 (예컨대, WGS84) 에 기초한다. 이러한 포지셔닝 시스템들의 예들은 셀룰러 네트워크들에서 사용되는 지상 포지셔닝 시스템들 (예컨대, GSM) 및 글로벌 포지셔닝 시스템 (GPS) 을 포함한다.
일반적인 무선 네트워크는 무선 디바이스들을 이터넷과 같은 유선 매체를 통해 인터넷과 같은 보다 큰 통신 네트워크에 접속시키는 하나 이상의 액세스 포인트들을 채용한다. 각각의 액세스 포인트는 특정 포지셔닝 시스템과 연관되는 위치를 갖는다. 위치는 GPS 포지션, GSM 위치 등일 수 있다. 대부분의 액세스 포인트들은 그들의 위치들을 인식하지 않고, 수동적 구성을 통해 획득한다.
또한, 액세스 포인트들은 공원들, 레스토랑들, 민간 회사, 공항들, 도서관들 등과 같은 다양한 장소들에 위치된다. 이들 액세스 포인트들 중 일부의 위치는 고정적일 수 있다. 몇몇 경우들에 있어서, 액세스 포인트의 위치는 액세스 포인트가 이동함에 따라 변화한다. 이 이동은 액세스 포인트의 위치가 업데이트될 것을 요구한다. 따라서, 액세스 포인트의 위치를 자동으로 판정하고 트래킹할 필요성이 발생한다.
액세스 포인트가 포지셔닝 시스템 내에서 그의 위치를 실시간으로 판정하고 트래킹하게 하는 셀프-포지셔닝 장치 및 방법의 다양한 실시형태들이 제공된다. 액세스 포인트는 포지셔닝 시스템 내에서 좌표계에 기초하는 위치를 갖는다. 포지셔닝 시스템은 무선 통신 시스템 또는 위성 컨스텔레이션일 수 있다. 위치가 알려지지 않은 액세스 포인트는 위치 미인식 (location unaware) 액세스 포인트라고 지칭된다. 위치 미인식 액세스 포인트는 그 위치 미인식 액세스 포인트의 범위 내에 있는 위치 인식 스테이션들로부터 획득된 정보를 이용하여 그의 위치를 습득할 수 있다.
액세스 포인트는 확장 칼만 필터 (Extended Kalman Filter: EKF) 를 활용하여 그의 위치를 습득한다. EKF 는 잡음 측정치들로부터 비선형의 추계학적 (stochastic) 식별가능 기능에 의해 지배되는 이산 시간 제어 시스템의 위치 또는 상태를 추정한다. EKF 는 초기 시간 스텝에 대해 위치 인식 스테이션들의 위치들로부터 도출되는 초기 상태 추정치 및 공분산으로 시작한다. 초기 상태 추정치는 예측 상태 및 예측 공분산을 판정하는 데 사용된다. 예측 상태 추정치 및 공분산은 각각의 시간 스텝에서 위치 인식 스테이션들의 범위 측정치들을 이용하여 정교화 (refine) 되어, 각각의 시간 스텝에서 출력 상태 및 출력 공분산을 생성한다. 예측 상태 추정치 및 출력 상태는, 그들 사이의 차이가 사용자 정교화 에러 허용치에 도달할 때까지 각각의 시간 스텝에 대해 산출된다.
액세스 포인트는 테스트 통계치를 특정 신뢰 레벨에서의 임계치와 비교함으로써 그의 포지션으로부터 이동을 트래킹한다. 이동이 확인될 때, 액세스 포인트는 그의 포지션을 다시 산출한다.
개시된 주제는, 제한이 아닌 예로서, 첨부한 도면의 도들에 예시되어 있으며, 여기서 동일한 참조기호들은 동일한 엘리먼트들을 지칭한다.
도 1 은 몇몇 실시형태들에 따른 통신 시스템의 예시적 구성을 예시한 블록도이다;
도 2 는 몇몇 실시형태들에 따른 액세스 포인트의 예시적 구성을 예시한 블록도이다;
도 3 은 몇몇 실시형태들에 따른 위치 서버의 예시적 구성을 예시한 블록도이다;
도 4 는 몇몇 실시형태들에 따라 무선국의 위치를 판정하고 트래킹하는 방법을 예시한 예시적 흐름도이다;
도 5 는 몇몇 실시형태들에 따라 무선국의 위치를 판정하는 방법을 예시한 예시적 흐름도이다;
도 6 은 몇몇 실시형태들에 따라 위치 추정치를 정교화하는 방법을 예시한 예시적 흐름도이다;
도 7 은 몇몇 실시형태들에 따라 무선국의 이동을 검출하는 방법을 예시한 예시적 흐름도이다.
도 1 은 몇몇 실시형태들에서 사용하기 위한 통신 시스템 (100) 의 예시적 구성을 예시한다. 무선 통신 시스템 (110) 을 통해 하나 이상의 스테이션들 (104) 과 통신하는 하나 이상의 액세스 포인트들 (102) 을 갖는 통신 시스템 (100) 이 도시되어 있다. 각각의 액세스 포인트 (102) 는 유선 링크 (114) 를 통해 통신 네트워크 (106) 에 커플링된다. 위치 서버 (108) 도 통신 네트워크 (106) 에 커플링될 수 있다. 액세스 포인트들 (102) 및 스테이션들 (104) 의 각각은 위성 시스템 (112) 에 커플링될 수 있다.
액세스 포인트 (102) 는 무선 디바이스들을 통신 네트워크 (106) 와 접속시키는 능력을 갖는 가교 (bridge) 이다. 일반적으로, 액세스 포인트 (102) 는 이더넷 네트워킹 프로토콜들을 이용하는 동축 케이블 연선과 같은 유선 링크를 통해 통신 네트워크 (106) 에 커플링된다. 통신 네트워크 (106) 는 인터넷 (제한사항 아님) 과 같은 임의의 구성으로 구성된 임의의 타입의 네트워크일 수 있다.
각각의 스테이션 (104) 은 셀룰러 폰들, PDA들, 개인 컴퓨터들, 서버들, 임의의 타입의 컴퓨팅 디바이스 등 (제한사항 아님) 과 같은 임의의 타입의 무선 디바이스일 수 있다. 각각의 액세스 포인트 (102) 는 무선 통신 시스템 (110) 을 통해 하나 이상의 스테이션들 (104) 과 통신한다. 몇몇 실시형태들에서, 액세스 포인트 (102) 는 셀룰러 네트워크에서 사용되는 좌표계 내에서의 위치와 연관된다. 액세스 포인트 (102) 는 여기서 설명되는 기법을 활용하여 그 좌표계 내에서의 그의 위치를 무선 통신 시스템 (110) 으로부터 직접적으로 수신하지 않고 판정할 수 있다.
IEEE 802.11 표준에 따라 동작하는 무선 통신 시스템에서, 액세스 포인트들 및 스테이션들은 프레임들이라고 지칭되는 송신물들을 통해 통신한다. 액세스 포인트들은 비컨 프레임들을 주기적으로 송신하여 그들의 존재를 공고하고 그들의 식별 및 위치에 관한 정보를 중계한다. 스테이션들은 일반적으로 무선 채널들을 모니터링하고, 범위 내에 있는 비컨 프레임들 또는 비컨들을 리스닝한다. 스테이션은 액세스 포인트와 연관되어 그것에 의해 제공되는 통신 네트워크 (106) 및 서비스들에 대한 액세스를 획득한다. 스테이션은 연관성 요청 프레임을 사용하여 액세스 포인트와 연관된다. 액세스 포인트는 연관성 요청의 허용 또는 거부를 포함하는 연관성 응답 프레임을 스테이션에 역전송한다.
스테이션 또는 액세스 포인트는 그것이 다른 스테이션 또는 액세스 포인트로부터의 정보를 필요로 할 때 프로브 요청 프레임을 송신한다. 그 프로브 요청 프레임에 응답하는 액세스 포인트 또는 스테이션은 그 요청된 정보를 포함하는 프로브 응답 프레임을 전송하는 것에 의해 응답한다.
각각의 액세스 포인트 (102) 및 스테이션 (104) 은 GPS, GLONASS 등과 같은 위성 시스템 (글로벌 내비게이션 위성 시스템 (global navigation satellite system: GNSS) 이라고도 지칭됨)(112) 에서의 하나 이상의 위성들과 통신할 수 있다. 액세스 포인트가 GPS 수신기를 갖고 있으면, 액세스 포인트는 그의 위치를 GNSS 로부터 판정할 수 있다. 그러나, GPS 수신기가 신호들을 수신할 수 없으면, 액세스 포인트는 여기서 설명되는 기법을 활용하여 그의 위치를 판정할 수 있다.
도 2 는 액세스 포인트 (102) 의 예시적 구성을 도시한다. 송신기/수신기 유닛 (122) 에 커플링된 적어도 하나의 안테나 (120), 네트워크 인터페이스 (132), 제어기 (134), 및 메모리 (136) 를 갖는 액세스 포인트 (102) 가 도시되어 있다. 안테나 (120) 는 송신기/수신기 유닛 (122) 에 커플링되고, WiFi 신호들을 송신 및 수신하는 데 사용된다. 송신기/수신기 유닛 (122) 은 위성 시스템 (112)(도 1) 으로 신호들을 수신하고 송신하는 위성 회로 (비도시) 를 포함할 수 있다. 또한, 송신기/수신기 유닛 (122) 은 안테나 (120) 를 통해 무선 신호들을 무선 통신 시스템 (110)(도 1) 으로 수신하고 송신하는 WiFi 회로 (비도시) 를 포함할 수 있다. 네트워크 인터페이스 (132) 는 유선 링크 (114) 를 통해 통신 네트워크 (106) 와 통신하는 데 사용되고, 제어기 (134) 는 액세스 포인트 내에서의 프로세싱을 관리 및 제어하고, 메모리 (136) 는 액세스 포인트 (102) 의 동작 시에 사용되는 명령들 및 데이터를 저장하는 데 사용된다.
메모리 (136) 는 실행가능 절차들, 코드, 애플리케이션들, 및 데이터를 저장할 수 있는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체이다. 그것은, 임의의 타입의 메모리 디바이스 (예컨대, 랜덤 액세스 메모리, 판독 전용 메모리, 플래시 메모리 등), 자기적 저장소, 휘발성 저장소, 비휘발성 저장소, 광학적 저장소, DVD, CD 등일 수 있다. 메모리 (136) 는 다음과 같은 명령들 및 데이터를 포함할 수 있다:
Figure 112013054292909-pct00001
오퍼레이팅 시스템 (138);
Figure 112013054292909-pct00002
셀프-포지션 위치 절차 (140);
Figure 112013054292909-pct00003
위치 인식 스테이션들로부터의 범위 측정치 데이터 (142);
Figure 112013054292909-pct00004
위치 인식 스테이션들로부터의 위치 데이터 (144); 및
Figure 112013054292909-pct00005
다른 애플리케이션들 및 데이터 (146).
도 1 을 다시 참조하면, 위치 서버 (108) 는 통신 네트워크 (106) 를 통해 액세스 포인트들 (102)(그리고 이에 따라 스테이션들 (104)) 과 통신하는 컴퓨팅 디바이스이다. 위치 서버 (108) 는 서버, 개인 컴퓨터, PDA, 셀 폰 등 (제한사항 아님) 과 같은 임의의 타입의 컴퓨팅 디바이스일 수 있다. 위치 서버 (108) 는, 참조 데이터베이스에 다양한 액세스 포인트들 및 스테이션들의 위치들을 저장하고 필요에 따라 추가 컴퓨팅 및 리소스들을 제공하는 데 사용될 수 있다. 도 3 을 참조하면, 위치 서버 (108) 는, 적어도, 송신기/수신기 유닛 (152) 에 커플링된 안테나 (150), 위치 서버 (108) 의 동작을 제어하는 프로세서 (162), 통신 네트워크 (106) 와 통신하는 네트워크 인터페이스 (163), 및 메모리 (154) 를 포함할 수 있다. 메모리 (154) 는 실행가능 절차들, 코드, 애플리케이션들, 및 데이터를 저장할 수 있는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체이다. 그것은 임의의 타입의 메모리 디바이스 (예컨대, 랜덤 액세스 메모리, 판독 전용 메모리, 플래시 메모리 등), 자기적 저장소, 휘발성 저장소, 비휘발성 저장소, 광학적 저장소, DVD, CD 등일 수 있다. 메모리 (154) 는 다음과 같은 명령들 및 데이터를 포함할 수 있다:
Figure 112013054292909-pct00006
오퍼레이팅 시스템 (156);
Figure 112013054292909-pct00007
다양한 스테이션들 및 액세스 포인트들의 위치들 및/또는 측정치 데이터를 저장하는 참조 데이터베이스 (158); 및
Figure 112013054292909-pct00008
다른 애플리케이션들 및 데이터 (160).
이제, 전술된 통신 시스템에 의해 활용되는 셀프-포지셔닝 방법의 실시형태들에 주목한다.
셀프-포지셔닝 프로세스는 확장 칼만 필터 (EKF) 라고 지칭되는 추정치 기법을 이용하여 액세스 포인트의 위치를 추정한다. EKF 는 잡음 측정치들로부터 비선형의 추계학적 식별가능 기능에 의해 지배되는 이산 시간 제어 시스템의 상태를 추정한다. 본질적으로, 이 방법은 시스템의 상태를 추정하는데, 시스템의 상태는 상태의 함수인 변수를 측정하는 것에 의해서는 측정될 수 없고 잡음으로 오류가 발생한다.
시스템의 상태는 액세스 포인트의 미지의 포지션이다. EKF 는 각각의 시간 스텝 k 에서의 상태 방정식들 및 각각의 시간 스텝 k 에서의 출력 방정식들에 의해 시스템의 상태를 나타낸다. 상태 방정식은, 시간 스텝 k-1 에서의 상태를 현재 스텝 k 에 관련시키는 계차 방정식 또는 변환 모델
Figure 112013054292909-pct00009
에 의해 지배된다. 스텝 k 에서의 상태 방정식은 수학적으로 다음과 같이 표현된다:
Figure 112013054292909-pct00010
여기서,
Figure 112013054292909-pct00011
는 시간 스텝 k 에서의 상태이고,
Figure 112013054292909-pct00012
는 상태 변환 모델 (선형 또는 비선형) 이고,
Figure 112013054292909-pct00013
는 공분산
Figure 112013054292909-pct00014
Figure 112013054292909-pct00015
와 함께 제로 평균을 갖는 가우시안 분포로부터 묘화된 프로세스 잡음 벡터이며, 여기서
Figure 112013054292909-pct00016
는 프로세스 잡음 공분산 매트릭스이다.
출력 방정식은, 잡음 측정치를 고려하여, 비선형 계차 방정식 또는 변환 모델
Figure 112013054292909-pct00017
의 함수로서 시간 스텝 k 에서의 시스템의 상태의 측정치를 나타낸다. 시간 스텝 k 에서의 출력 방정식은 수학적으로 다음과 같이 표현된다:
Figure 112013054292909-pct00018
여기서,
Figure 112013054292909-pct00019
는
Figure 112013054292909-pct00020
의 상태의 측정치이고,
Figure 112013054292909-pct00021
는 상태 스페이스를 측정치 스페이스에 매핑하는 비선형 측정치 변환 모델이고,
Figure 112013054292909-pct00022
는 공분산
Figure 112013054292909-pct00023
Figure 112013054292909-pct00024
와 함께 제로 평균을 갖는 가우시안 분포로부터 묘화된 측정 잡음이며, 여기서
Figure 112013054292909-pct00025
는 측정 잡음 공분산 매트릭스이다.
시간 스텝 k 에서의 상태는
Figure 112013054292909-pct00026
로서 표현된다. 상태 x 는 수학적으로 벡터로서 표현될 수 있으며, 여기서 벡터에서의 각각의 엔트리는 위치들을 나타낸다. 예를 들어, 상태 벡터 x 는 투플 (tuple)(위도, 경도, 고도) 에 의해 표현되는 3 차원 벡터, (위도, 경도) 로서 표현되는 2 차원 벡터, 또는 지리적 좌표계 내에서 사용되는 임의의 다른 표현일 수 있다.
확장 칼만 필터는 2 개의 페이즈들로 구성된다: 예측 페이즈 및 업데이트 페이즈. 예측 페이즈에서, 현재 시간 스텝 k 에서의 예측 상태 추정치는 이전 시간 스텝 k-1 로부터 추정된다. 예측 상태 추정치는 현재 시간 스텝 k 에서 관측된 측정치 데이터를 포함하지 않는다. 제 2 페이즈는 예측 상태 추정치가 현재 시간 스텝에서 관측된 측정치 데이터와 결합되어 정교화된 상태 추정치를 생성하는 업데이트 페이즈이다. 예측 페이즈 및 업데이트 페이즈는 상태 추정치가 미리 정해진 에러 허용치 내에서 수렴할 때까지 시간 주기에 따라 각각의 시간 스텝에 대해 반복되거나 또는 되풀이된다.
예측 페이즈는 예측 상태 및 그의 대응하는 예측 공분산을 다음과 같이 생성한다:
예측 상태
Figure 112013054292909-pct00027
(1)
예측 공분산
Figure 112013054292909-pct00028
(2)
여기서, k = 시간 스텝,
Figure 112013054292909-pct00029
= 시간 스텝 k 에서의 상태,
Figure 112013054292909-pct00030
= 시간 스텝 k 에서의 프로세스 잡음 공분산 매트릭스.
업데이트 페이즈는 업데이트된 상태 및 그의 공분산을 다음과 같이 생성한다:
변혁
Figure 112013054292909-pct00031
(3)
변혁 공분산
Figure 112013054292909-pct00032
(4)
칼만 이득
Figure 112013054292909-pct00033
(5)
업데이트된 상태
Figure 112013054292909-pct00034
(6)
업데이트된 공분산
Figure 112013054292909-pct00035
(7)
여기서,
Figure 112013054292909-pct00036
는 측정치 매트릭스이고, 수학적으로
Figure 112013054292909-pct00037
로서 표현되며, 여기서
Figure 112013054292909-pct00038
는 측정 잡음이고,
Figure 112013054292909-pct00039
는 x 에 대한 h 의 부분 도함수들의 야코비안 (Jacobian) 매트릭스이며, 수학적으로
Figure 112013054292909-pct00040
로서 표현되고,
Figure 112013054292909-pct00041
는 측정 잡음 공분산 매트릭스이고,
Figure 112013054292909-pct00042
는 아이덴티티 매트릭스이다.
이제, 셀프-포지셔닝 방법에서 EKF 의 사용에 대한 보다 상세한 설명에 주목한다.
도 4 를 참조하면, 셀프-포지셔닝 절차 (140) 는 액세스 포인트의 정확한 위치가 공지되는지를 판정하는 것에 의해 시작한다 (단계 164). 정확한 위치는 액세스 포인트가 포지셔닝 시스템으로부터 직접 판정했고 그의 연관 스테이션들로부터의 포지션 데이터에 기초하여 추정하지 않은 위치이다. 액세스 포인트의 정확한 위치가 공지되는 이벤트 (단계 164 - 예) 에서, 액세스 포인트는 그들의 셀프-포지셔닝 시에 그의 스테이션들을 보조 (단계 168) 하는 데 그리고 그의 위치로부터 임의의 이동을 트래킹 (단계 170) 하는 데 참여할 수 있다. 단계들 (168, 170) 은 더 상세히 후술될 것이다.
정확한 위치가 공지되어 있지 않을 때 (단계 164 - 아니오), 절차 (140) 는 그의 자신의 위치를 판정하는 데 착수한다 (단계 166). 도 5 를 참조하면, 액세스 포인트가 그의 위치를 알지 못하므로, 액세스 포인트는 그들의 위치를 판정할 시에 그의 스테이션들을 보조하는 데 있어서의 참여를 중지하도록 구성된다 (단계 180).
다음, 초기 상태 추정치
Figure 112013054292909-pct00043
및 대응하는 초기 상태 에러 공분산 P0 이 EKF 를 초기화하기 위해 계산된다 (단계 182). 일 실시형태에서, 초기 상태 추정치가 위치 인식 스테이션들의 위치들로부터 판정된다. 몇몇 실시형태들에서, 위치 미인식 액세스 포인트는, 발명의 명칭이 Management-Packet Communication of GPS Satellite Positions 이고, Atheros Communications, Inc. 에게 양도되었으며, 출원 번호가 제 12/840,155 호이고, 2010 년 7 월 20 일에 출원되었고, 이로써 여기서 참조로서 포함되는, 미국 특허 출원에서 설명된 브로드캐스트 프레임들을 사용하여 이들 위치들을 획득할 수 있다.
간단히 말해, 비컨 프레임의 정보 엘리먼트는 그의 수용 범위, 스테이션의 포지션 데이터 및 연관 품질 추정치 내에서 스테이션에 의해 액세스 포인트에 브로드캐스트하는 데 사용된다. 이 포지션 데이터는 비컨 프레임들을 통해 규칙적인 간격들로 브로드캐스트될 수 있다. 대안으로, 이 포지션 데이터 및 품질 추정치를 획득하도록 프로브 요청이 스테이션 또는 액세스 포인트 중 어느 하나에 의해 발행될 수 있다. 프로브 요청을 수신하는 스테이션은 그의 포지션 데이터 및/또는 품질 추정치를 이용하여 응답할 것이다.
위치 미인식 액세스 포인트가 초기 시간 스텝에서 하나의 인식 스테인과 연관되는 경우에 있어서, 그 위치 인식 스테이션의 위치는 초기 상태 추정치
Figure 112013054292909-pct00044
로서 사용된다. 초기 상태 에러 공분산은 품질 추정치 또는 액세스 포인트의 최대 범위에 기초할 수 있다. 액세스 포인트가 1 개보다 많은 위치 인식 스테이션과 연관되는 경우에 있어서, 초기 상태 추정치는 위치 인식 스테이션들의 위치들의 가중된 평균일 수 있다. 가중치들은 위치 인식 스테이션으로부터의 인입 신호의 전력의 수신된 신호 세기 또는 임의의 다른 품질 측정치에 기초할 수 있다. 대안으로, 가중치들은 위치 인식 스테이션들로부터의 타이밍 측정치들에 기초할 수 있다. 이러한 타이밍 측정치들의 예들은 일반적 도달 시간 (TOA) 측정치들, 왕복 시간 (round trip time: RTT) 측정치들, 및 시간차 측위 (observed time difference: OTD) 측정치들 (제한사항 아님) 이다. 다른 실시형태에서, 가중치들은 신호 품질 및/또는 타이밍 측정치들의 임의의 조합일 수 있다. 위치 미인식 액세스 포인트가 3 개보다 많은 위치 인식 스테이션들과 연관되는 또 다른 실시형태에서, 초기 상태 추정치는 주지된 배치 프로세싱된 최소 자승법들 (batch processed least-squares techniques) 중 어느 하나를 이용하여 판정될 수 있다.
다음, 초기 상태 추정치는 EKF 를 이용하여 액세스 포인트의 위치를 추정하는 것에 의해 정교화된다 (단계 184). 도 6 은 미리 정해진 에러 허용치 내에서 위치를 추정하는 데 사용되는 단계들을 설명한다. 도 6 을 참조하면, EKF 는 프로세스가 수렴할 때까지 각각의 시간 스텝 k 에 대해 반복한다 (단계 190). 단계 192 에서, EKF 는 방정식들 (1) 및 (2) 에 대해 전술된 바와 같이 예측 위치 추정치 및 그의 공분산을 계산한다. 단계 192 는 전술된 EKF 의 예측 페이즈이다.
단계 194 에서, EFK 는 그의 위치 인식 스테이션들로부터 측정치 데이터를 획득한다. 포지션이 투플 (x, y) 로서 표현되는 실시형태들에서, 측정치 데이터는 수학적으로 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112013054292909-pct00045
여기서,
Figure 112013054292909-pct00046
는 시간 k 에서의 위치 미인식 액세스 포인트의 좌표들을 나타내고,
Figure 112013054292909-pct00047
는 시간 k 에서 스테이션 i 의 좌표들을 위치 미인식 액세스 포인트의 범위 내에 있는 모든 i 에 대해 나타내고,
Figure 112013054292909-pct00048
는 공분산
Figure 112013054292909-pct00049
을 갖는 제로 평균 가우시안 백색 잡음으로 상정되는 측정 잡음이며, 함수
Figure 112013054292909-pct00050
는 상태에 대해 식별 가능하다.
액세스 포인트는 다수의 방식들 중 어느 하나로 이 측정치 데이터를 획득할 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 측정치 데이터는 위치 인식 스테이션들로부터 획득된 타이밍 측정치들로부터 도출될 수 있다. 이들 타이밍 측정치들은 일반적 도달 시간 (TOA) 측정치들, 왕복 시간 (RTT) 측정치들, 및 시간차 측위 (OTD) 측정치들 중 어느 하나일 수 있다.
몇몇 다른 실시형태들에서, 범위 또는 거리 측정치 데이터는, 발명의 명칭이 Synchronization-Free Station Locator In Wireless Network 이고, Atheros Communications, Inc. 에게 양도되었으며, 2009 년 9 월 3 일에 출원되었고, 출원 번호가 제 12/553,757 호이고, 이로써 여기서 참조로서 포함되는, 미국 특허 출원에서 설명된 것들과 같은 더 개선된 측정치들로부터 도출될 수 있다. 간단히 말해, 이 특허 출원은 액세스 포인트로부터 스테이션의 거리 또는 범위를 판정하는 여러 상이한 실시형태들을 제공한다. 몇몇 실시형태들에서, 액세스 포인트는 유니캐스트를 스테이션에 전송하고 그의 출발 시간 TOD(D) 을 노트한다. 스테이션은 유니캐스트 패킷을 수신하고 그의 도달 시간 TOA(D) 을 노트한다. 스테이션은 수신 확인 패킷을 액세스 포인트에 역전송하고 그의 출발 시간 TOD(D_ACK) 을 노트한다. 액세스 포인트는 수신 확인 패킷을 수신하고 그의 도달 시간 TOA(D_ACK) 을 노트한다. 액세스 포인트와 스테이션 사이의 거리는 TOA(D_ACK) 와 TOD(D) 사이의 제 1 차이 및 TOD(D_ACK) 와 TOA(D) 사이의 제 2 차이를 이용하여 판정될 수 있다. 이 특허 출원에서 설명되는 다른 실시형태들도 또한 단계 194 에서 범위 측정치 데이터를 획득하는 데 사용될 수 있다.
다음, 단계 196 에서, EKF 는 방정식들 (3) 내지 (7) 에 대해 전술된 바와 같은 측정치 데이터로 예측 상태 추정치 및 공분산을 업데이트한다. 단계 196 은 전술했던 EKF 의 업데이트 페이즈이다.
프로세스는 단계 198 에서 수렴을 테스트한다. EKF 는 현재 시간 스텝 k 에서의 상태 추정치와 이전 시간 스텝 k-1 에서의 상태 추정치 사이의 차이가 사용자 정의 에러 허용치 내에 있을 때 수렴한다. 수학적으로, EKF 는 다음의 조건이 발생하면 수렴한다:
Figure 112013054292909-pct00051
, 여기서
Figure 112013054292909-pct00052
은 사용자 정의 에러 허용치이다. 수렴 기준이 충족되지 않으면, EKF 는 다음 시간 스텝에 대해 단계들 192-198 의 다른 반복을 통해 진행한다. 이와 달리, 수렴 기준이 충족되면, 현재 상태 추정치는 액세스 포인트의 위치로 간주된다.
도 5 를 다시 참조하면, 절차 (140) 는 액세스 포인트의 위치가 판정된 후에 그의 이동을 검출하는 데 사용하기 위한 테스트 통계치를 판정한다 (단계 186). 일반적으로, 테스트 통계치는 수학적으로 다음과 같이 정의될 수 있다:
Figure 112013054292909-pct00053
(8)
여기서 k 는 수렴의 시간 스텝이다.
도 4 를 다시 참조하면, 일단 위치 미인식 액세스 포인트가 그의 위치를 알면, 위치 미인식 액세스 포인트는 그들의 셀프-포지셔닝 판정들 시에 다른 스테이션들을 보조하는 데 참여할 수 있다 (단계 168). 위치 미인식 액세스 포인트는 그의 위치를 브로드캐스트하는 것 또는 그의 위치로 프로브 요청들에 응답하는 것 중 어느 하나에 의해 다른 스테이션들 또는 액세스 포인트들을 보조할 수 있다. 전술된 바와 같이, 위치 미인식 액세스 포인트는 규칙적인 간격들로 비컨 프레임들을 송신한다. 이들 비컨 프레임들에서, 위치 미인식 액세스 포인트의 포지션 데이터 및 품질 추정치가 송신될 수 있다. 비컨 프레임의 수용 범위 내의 스테이션들은 위치 미인식 액세스 포인트의 포지션 및 품질 추정치를 수신할 수 있다. 대안으로, 위치 미인식 액세스 포인트는 그의 포지션을 요청하는 프로브 요청에 응답할 수 있다.
또한, 위치 미인식 액세스 포인트는 위치 미인식 액세스 포인트가 그의 포지션을 다시 판정할 필요가 있음을 나타낼 임의의 이동을 트래킹한다 (단계 170). 몇몇 실시형태들에서, 위치의 이동을 모니터링하는 것은 카이-제곱 테스팅 (chi-square testing) 을 이용하여 수행된다. 이 기법을 이용하는 데 있어서, 절차 (140) 는 테스트 통계치 (즉, 예상 상태) 와 현재 측정 상태 사이에 어떠한 현저한 차이도 없음을 설명하는 귀무가설 (null hypothesis) 을 항상 테스트하고 있다. 이 테스팅은 테스트 통계치
Figure 112013054292909-pct00054
가
Figure 112013054292909-pct00055
자유도를 갖는 카이-제곱 랜덤 변수에 대해 신뢰 영역 (1-
Figure 112013054292909-pct00056
) 에 있는지를 판정하는 것에 의해 수행된다. 신뢰 레벨
Figure 112013054292909-pct00057
는 사용자 정의 파라미터이다. 특정 신뢰 레벨
Figure 112013054292909-pct00058
에 대해, 사용자 정의 임계치
Figure 112013054292909-pct00059
가 제공되면, 검증 테스트는 테스트 통계치
Figure 112013054292909-pct00060
가 사용자 정의 임계치
Figure 112013054292909-pct00061
에 대해 어디에 있는지를 테스트한다. 이동의 부재는
Figure 112013054292909-pct00062
<
Figure 112013054292909-pct00063
일 때 나타내지며, 이동은
Figure 112013054292909-pct00064
>
Figure 112013054292909-pct00065
일 때 나타내진다.
도 7 을 참조하면, 단계 202 에서, 검증 테스트는
Figure 112013054292909-pct00066
<
Figure 112013054292909-pct00067
인지 또는
Figure 112013054292909-pct00068
>
Figure 112013054292909-pct00069
인지를 판정하는 것에 의해 테스트 통계치에 대해 수행된다. 이동이 검출되지 않는 이벤트 (단계 204 - 아니오) 에서, 절차 (170) 는 검증을 다시 테스트한다 (단계 202). 이 테스트는 랜덤으로, 연속으로, 또는 사용자 정의 간격들로 수행된다.
이동이 검출되는 이벤트 (단계 204 - 예) 에서, 절차 (170) 는 이동이 발생했다는 것을 확인한다 (단계 206). 시간 k 에서의 단일 테스트 통계치는 위치 미인식 액세스 포인트가 변위되었음을 확인하기에는 충분하지 않을 수도 있다. 이동의 확인은 시간 간격 [k, k+N-1] 내에서의 여러 테스트 통계치들의 조합으로서 테스트 통계치를 공식화하는 것에 의해 판정될 수 있는데, 여기서 N 은 추가 시간 스텝들의 수이고, k 는 검증 테스트가 처음 실패했던 시간 스텝이다. 이 새로운 테스트 통계치는 시간 간격 [k, k+N-1] 내에서 취해진 테스트 통계치들의 평균일 수 있다. 단계 208 에서, 이동의 확인은 특정 신뢰 레벨
Figure 112013054292909-pct00070
동안 사용자 정의 임계치
Figure 112013054292909-pct00071
에 대해 시간 간격 [k, k+N-1] 내에서 취해지는 테스트 통계치들의 평균을 테스트하는 것에 의해 판정된다. 이동이 확인되면 (단계 208 - 예), 새로운 위치가 전술된 방식으로 판정된다 (단계 166). 이와 달리, 이동이 확인되지 않으면 (단계 208 - 아니오), 절차 (170) 는 임의의 다른 이동들을 계속해서 트래킹한다 (단계 202).
전술된 프로세스는 액세스 포인트의 동작 동안에 계속해서 반복된다. 대안으로, 프로세스는 미리 정해진 시간 간격들에서 실행하여 액세스 포인트의 위치를 트래킹하고 필요에 따라 위치를 다시 산출하도록 인보크될 수 있다. 액세스 포인트가 전력 차단되는 이벤트 시에, 프로세스는 시작으로부터 다시 시작할 것이다.
몇몇 실시형태들에서, 위치 미인식 액세스 포인트는 위치 서버 (108) 를 활용하여 위치 인식 스테이션들의 위치들을 획득하고 참조 데이터베이스 (158) 에 저장할 수도 있다. 위치 서버 (108) 는 여기서 설명되는 기법들 중 임의의 것을 다른 주지된 기법들에 더하여 위치 인식 스테이션들의 위치들을 획득하는 데 사용할 수 있다. 또한, 위치 서버 (108) 는, 여기서 설명된 기법들을 이용하여 또는 다른 수단을 통해 이들 스테이션들의 이동을 트래킹하고 참조 데이터베이스 (158) 에 업데이트된 위치들을 저장하는 데 사용될 수 있다. 셀프-포지셔닝 위치 절차 (140) 는 위치 서버 (108) 로부터 위치들 및/또는 측정치 데이터를 획득할 수 있다.
몇몇 실시형태들에서, 액세스 포인트 (102) 는 위성 수신기를 갖출 수도 있지만, 그의 위치를 판정하는 데 위성 데이터를 이용하고 있지 않을 수도 있다. 액세스 포인트 (102) 는 위성 신호 수신이 차단되는 실내 위치에 존재할 수 있고, 또는 위성 데이터의 수신에 영향을 주는 다른 문제들을 경험하고 있을 수 있다. 이들 상황들에서, 액세스 포인트 (102) 는 여기서 설명되는 기법을 채용하여, 그의 위치를 습득하고 그의 위치 인식 스테이션들의 위치들에 기초하여 그의 위치를 계속해서 정교화할 수도 있다.
전술된 설명은, 설명의 목적으로, 특정 실시형태들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 위의 예시적인 설명들은 본 발명을 개시된 정확한 형태들로 제한하거나 망라하는 것으로 의도되지 않는다. 많은 수정 및 변형이 전술한 교시의 관점에서 가능하다. 실시형태들은 본 발명의 원리들을 가장 잘 설명하기 위해 그리고 실제 애플리케이션들에서 선택되고 설명되어, 당업자가, 고려되는 특정 용도에 적합하게, 본 발명 및 다양한 수정들을 갖는 다양한 실시형태들을 가장 잘 활용하게 한다. 본 발명의 범주는 다음의 청구범위 및 그들의 등가물들에 의해 정의되어야 하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 방법으로서,
    위치 미인식 (unaware) 액세스 포인트와 통신하는 하나 이상의 위치 인식 (aware) 스테이션들을 제공하는 단계로서, 각각의 위치 인식 스테이션은 기지의 위치를 갖고, 상기 위치 미인식 액세스 포인트는 미지의 위치를 갖는, 상기 위치 인식 스테이션들을 제공하는 단계;
    상기 위치 인식 스테이션들의 위치들 중 하나 이상으로부터 상기 위치 미인식 액세스 포인트에 대한 코어스 (coarse) 위치 추정치를 판정하는 단계;
    상기 코어스 위치 추정치가 에러 허용치를 충족할 때까지 시간 주기에 따라 상기 위치 인식 스테이션들 중 하나 이상으로부터 획득된 범위 측정치 데이터에 기초하여 상기 코어스 위치 추정치를 정교화하는 (refining) 단계; 및
    상기 정교화된 코어스 위치 추정치를 상기 위치 미인식 액세스 포인트의 위치로서 이용하는 단계를 포함하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어스 위치 추정치를 판정하는 단계는,
    상기 위치 인식 스테이션들의 위치들의 가중된 평균에 기초하여 상기 코어스 위치 추정치를 추정하는 단계를 더 포함하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가중된 평균은 수신된 신호 세기 표시 또는 타이밍 측정치들에 기초하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어스 위치 추정치를 정교화하는 단계는,
    EKF (Extended Kalman Filter) 를 활용하여 상기 코어스 위치 추정치가 상기 에러 허용치를 충족할 때까지 상기 시간 주기 내의 각각의 시간 스텝에서 상기 코어스 위치 추정치를 정교화하는 단계를 더 포함하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치 미인식 액세스 포인트의 현재 위치 및 상기 위치 인식 스테이션들의 현재 위치들에 대한 상기 위치 미인식 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 단계;
    상기 위치 미인식 액세스 포인트가 이동한 것으로 판정하는 단계; 및
    상기 위치 미인식 액세스 포인트의 새로운 위치를 계산하는 단계를 더 포함하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 코어스 위치 추정치를 판정하는 단계는,
    제 2 시간 주기 동안 위치 인식 스테이션들의 범위 측정치들을 샘플링함으로써 상기 위치 미인식 액세스 포인트의 이동을 확인하는 단계를 더 포함하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치 미인식 액세스 포인트의 위치와 연관된 테스트 통계치를 제공하는 단계;
    상기 테스트 통계치가 이동을 나타내는지를 판정하는 단계; 및
    제 2 시간 주기 동안 하나 이상의 추가 테스트 통계치들을 산출함으로써 상기 위치 미인식 액세스 포인트의 이동을 확인하는 단계를 더 포함하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 코어스 위치 추정치를 판정하는 단계는,
    상기 테스트 통계치를 신뢰 레벨에 기초하여 임계치에 비교하는 단계를 더 포함하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기지의 위치는 위성 포지셔닝 시스템 및 무선 통신 포지셔닝 시스템 중 하나 내의 포지션인, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 방법.
  10. 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 장치로서,
    하나 이상의 위치 인식 스테이션들로부터 위치 및 측정치 데이터를 수신하는 무선 수신기로서, 상기 위치 인식 스테이션들은 상기 장치와 통신하고, 상기 장치는 미지의 위치를 갖는, 상기 무선 수신기; 및
    상기 무선 수신기에 커플링된 프로세서로서, 상기 프로세서는, 예측 추정치가 임계치를 충족할 때까지, 시간 주기 동안 위치의 예측 추정치들 및 위치의 측정 값들을 가중 평균함으로써 상기 장치의 위치를 판정하도록 구성된, 상기 프로세서를 포함하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 측정 값들은 하나 이상의 위치 인식 스테이션들로부터 수신된 측정치 데이터에 기초하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 위치 인식 스테이션들 중 하나 이상으로부터 수신된 위치 데이터에 기초하여 초기 포지션 추정치를 판정하고, 상기 예측 추정치가 상기 임계치를 충족할 때까지 상기 위치 인식 스테이션들의 측정치 데이터를 이용하여 상기 시간 주기 동안의 각각의 시간 스텝에서 정교화되는 초기 포지션 추정치로서 코어스 위치 추정치에 기초하여 예측 추정치를 판정하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로세서는 EKF 를 활용하여 상기 장치의 위치를 판정하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로세서는 하나 이상의 위치 인식 스테이션들의 위치들에 기초하여 상기 장치의 위치의 이동을 트래킹하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 프로세서는 제 2 시간 주기 동안 하나 이상의 위치 인식 스테이션들의 위치들을 샘플링함으로써 상기 장치의 위치의 이동을 확인하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 장치.
  16. 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 시스템으로서,
    무선 통신 시스템;
    위치를 복수의 스테이션들의 각각 및 복수의 액세스 포인트들의 각각에 연관시키는 포지셔닝 시스템;
    적어도 하나의 위치 미인식 액세스 포인트로서, 각각의 위치 미인식 액세스 포인트는 미지의 위치를 갖고, 각각의 위치 미인식 액세스 포인트는 상기 무선 통신 시스템에 링크되고, 상기 미지의 위치는 상기 포지셔닝 시스템과 연관되는, 상기 위치 미인식 액세스 포인트; 및
    적어도 하나의 위치 인식 스테이션으로서, 각각의 위치 인식 스테이션은 기지의 위치를 갖고, 각각의 위치 인식 스테이션은 상기 무선 통신 시스템에 링크되고, 상기 기지의 위치는 상기 포지셔닝 시스템과 연관되는, 상기 위치 인식 스테이션을 포함하며,
    상기 위치 미인식 액세스 포인트는, 상기 위치 인식 스테이션들의 위치들에 기초하여 상기 위치 미인식 액세스 포인트의 미지의 위치의 초기 추정치를 판정하고, 위치가 판정될 때까지, 시간 주기 동안 상기 위치 인식 스테이션들의 범위 측정치들을 이용하여 상기 초기 추정치를 정교화하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 위치 인식 스테이션들의 위치들을 저장하는 것 및 상기 위치 인식 스테이션들의 범위 측정치들을 저장하는 것 중 적어도 하나를 저장하는 위치 서버를 더 포함하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 위치 미인식 액세스 포인트는 상기 위치 서버로부터 상기 위치 인식 스테이션들의 위치들을 획득하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 위치 미인식 액세스 포인트는 상기 위치 서버로부터 상기 위치 인식 스테이션들의 상기 범위 측정치들을 획득하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 시스템.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 포지셔닝 시스템은 위성 시스템 또는 셀룰러 네트워크를 포함하는, 액세스 포인트의 위치를 트래킹하는 시스템.
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