KR101521686B1 - 위치 추정을 위한 ｒｆ 핑거프린팅 - Google Patents

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Abstract

단말기와 고정 노드들 중 하나 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답을 측정하고, 적어도 측정된 복소 주파수 응답의 제1 메트릭을 나타내는 데이터와 복수의 저장된 메트릭을 나타내는 데이터와의 비교에 기초하여 단말기의 위치를 추정함으로써, 적어도 하나의 고정 노드를 포함하는 무선 네트워크의 커버리지 내의 단말기의 위치가 추정된다. 상기 복수의 저장된 메트릭 각각은 네트워크 내의 복수의 상이한 위치 중 하나에 관련되고, 저장된 메트릭 각각은 상기 고정 노드들 중 상기 하나와 메트릭이 관련되는 네트워크 내의 위치 사이에서 측정되는 복소 주파수 응답이다.

Description

위치 추정을 위한 ＲＦ 핑거프린팅{RF FINGERPRINTING FOR LOCATION ESTIMATION}
본 발명은 일반적으로 무선 네트워크에 관한 것으로서, 특히, 무선 네트워크 커버리지 영역 내의 단말기의 위치 추정을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
데이터 통신 네트워크는 종종 무선 링크에 의해 접속된 요소를 포함한다. 통상, 액세스 포인트와 같은 다수의 정적이거나 고정된 무선 노드는, 이동 장치가 통상 IEEE 802.11 등의 산업 표준, 예를 들면 IEEE 802.11a를 준수하는 무선 접속을 형성할 수 있는 로컬 구역 내에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 무선 액세스 포인트는 관련 커버리지의 구역이나 영역에서 유용한 커버리지를 제공하도록 배열되어, 유선 또는 무선 링크에 의해 데이터 네트워크에 접속된다.
이동 단말기의 위치를 알 필요가 있는 다수의 적용예가 있으며, 무선 주파수 전파의 측정치에 근거하여 단말기의 위치 추정을 위해 다양한 시스템이 제안되고 구현되었다. 공지의 시스템은 무선 주파수 환경의 조사가 수행되도록 요구하는지 여부에 따라 분류될 수 있다.
예를 들면, 조사를 요구하지 않는 위치 추정의 시스템은, 액세스 포인트나 기지국과 같은 네트워크의 고정 노드와 송수신되는 무선 신호들의 상대적 도착시간에 의한 위치 추정을 포함한다. 무선 신호들은 업링크 또는 다운링크일 수 있으며, 즉, 도착시간은 복수의 고정 노드로부터 송신된 신호에 대하여 단말기에서 측정되거나 또는 단말기로부터 송신된 신호에 대하여 복수의 고정 노드에서 측정될 수 있다. 대안으로서, 단말기로부터 고정 노드들에 수신되는 또는 복수의 고정 노드로부터 단말기에 수신되는 신호의 강도에 근거하여 위치를 추정하는 것이 공지되어 있다. 도착시간 및/또는 복수의 고정 노드로부터 또는 복수의 고정 노드에 수신되는 신호의 강도에 근거하는 이러한 위치 시스템은 다변형 시스템(multilateration system)이라 지칭할 수 있다.
또한, 위치가 무선 신호의 도달 각도의 측정치에 근거하여 추정될 수 있는 것으로 공지되어 있으며, 이를 삼변형(triangulation)이라 지칭할 수 있다.
통상적으로, 조사를 요구하지 않는 위치 시스템과 방법은, 예를 들면, 무선 채널이 일직선의 가시 경로를 따르고, 신호가 장애물에 의해 감쇠되지 않는다고 하는 무선 주파수 전파에 대한 가정에 의존한다. 다수의 환경에서 이는 타당한 가정일 수 있는 반면, 통상의 사무용 또는 영업용 옥내 등과 같은 실내 환경은 심한 다중 경로, 장애물, 및 비가시선 전파를 수반할 수 있으므로, 이러한 위치 시스템의 정확도는 심하게 감소될 수 있다.
GPS 등과 같은 위성 네비게이션 시스템은 실외 위치용으로 채용될 수 있지만, 이러한 시스템은 위성에서 송신되는 신호를 수신할 때의 어려움으로 인해 실내에서 덜 효과적인 경향이 있다.
예측할 수 없는 무선 전파 특성의 환경, 통상 실내에서 위치 추정을 가능하게 하기 위해서는 복수의 액세스 포인트로부터 단말기에 수신되는 신호의 강도의 측면에서 무선 주파수 환경의 측정에 기초하는 시스템을 구현하는 것이 알려져 있다. 네트워크의 커버리지 영역에 걸쳐 다수의 상이한 위치에서 미리 조사되는, 액세스 포인트로부터의 수신 신호 강도의 데이터베이스와 측정된 수신 신호 강도와의 비교에 의해 위치가 추정된다. 수신 신호 강도의 측정치는 네트워크 내의 위치의 "핑거프린트", 즉, 그 위치의 무선 주파수 환경의 특성 측정치를 나타낸다. 그러나, 이 방법에 의한 위치 추정은, 유사한 핑거프린트가 수개의 위치에서 발생할 수 있다는 점에서 불명확할 수 있다. 또한, 시스템의 정확도는 제한될 것이다.
본 발명의 목적은 이러한 단점들을 해결하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 적어도 하나의 고정 노드를 포함하는 무선 네트워크의 커버리지 영역 내의 단말기 위치 추정 방법으로서, 상기 단말기와 상기 고정 노드들 중 하나 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답을 측정하는 단계; 및 적어도 상기 측정된 복소 주파수 응답의 제1 메트릭을 나타내는 데이터와 복수의 저장된 메트릭을 나타내는 데이터와의 비교에 기초하여 상기 단말기의 위치를 추정하는 단계를 포함하며, 상기 복수의 저장된 메트릭 각각은 네트워크 내의 복수의 상이한 위치 중 하나에 관련되고, 상기 저장된 메트릭 각각은 상기 고정 노드들 중 상기 하나와 상기 메트릭이 관련되는 네트워크 내에서의 위치 사이에서 측정되는 복소 주파수 응답인 위치 추정 방법이 제공된다.
복소 주파수 응답에 기초한 위치 추정의 이점은, 복소 주파수 응답이 다수의 성분을 가지는 벡터이기 때문에, 예를 들어, 측정이 수신 전력의 단순한 측정보다는 더 많은 정보를 포함한다는 것이다. 그러므로, 측정이 상이한 위치에서 동일한 값들을 경험하게 되는 곤란을 겪게 될 확률이 더 낮다.
제1 메트릭을 나타내는 데이터와 복수의 저장된 메트릭을 나타내는 데이터와의 비교에 기초하는 위치 추정의 이점은, 네트워크 내의 복수의 상이한 위치 중 하나에 관련되는 상기 복수의 저장된 메트릭 각각이, 무선 전파의 본질에 관하여 가정하는 방법보다, 더 정확할 가능성이 있다는 것이다. 이는 가정이 부정확할 가능성이 있는 강한 다중 경로 또는 비가시선 전파를 특징으로 하는 무선 환경에서 특히 중요하다. 예를 들면, 저장된 메트릭은, 2차원 또는 3차원으로 분포될 수 있는, 무선 네트워크의 커버리지 영역에 걸쳐서 분포된 지점들에서의 이전의 조사에 의해서 판정될 수 있다.
바람직하게는, 제1 메트릭과 복수의 저장된 메트릭은 자기 상관 함수(autocorrelation function)이다. 복소 주파수 응답의 자기 상관 함수에 기초한 위치 추정의 이점은, 이러한 자기 상관이 복소 주파수 응답 자체 보다는 위치에 따라서 더 느리게 변한다는 것이다. 그러므로, 이것은 저장된 메트릭을 발생시키는데 사용되는 위치들에서 에러 및 무선 전파 환경에서의 미소한 변화를 허용하는 견고한 측정법이다. 또한, 견고함과 비교적 느리게 변화하는 특성은, 저장된 메트릭의 위치들 사이의 지나치게 작은 공간을 필요로 하지 않고, 측정된 값을 저장된 값에 매칭시키는 프로세스에 매우 적합하다.
편리하게는, 제1 메트릭과 복수의 저장된 메트릭은 주파수 코히어런스 함수(frequency coherence function)이다. 또한, 주파수 코히어런스 함수는 위치에 따라 느리게 변하는 의존성과 견고성을 나타낸다.
유리하게는, 제1 메트릭과 복수의 저장된 메트릭은 정규화된 주파수 코히어런스 함수이다. 주파수 코히어런스 함수를 정규화하는 이점은, 메트릭이 수신 전력에 의존하지 않게 되는 것이며, 따라서 송신기의 전력 또는 알려지지 않거나 보정되지 않는 안테나의 이득 등과도 무관하게 되는 것이다. 이는, 예를 들면, 단말기가 저장된 메트릭을 발생시키는데 사용되는 설비와 동일한 출력 전원에 설정될 필요 없도록, 설비 출력 전원에서의 변동에 대한 메트릭의 견고함을 향상시키는데 있어 유리하다.
바람직하게는, 단말기와 상기 고정 노드들 중 상기 하나 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답의 측정은, 선택되는 하나의 단말기로부터 상기 고정 노드들 중 상기 하나에 송신되는 신호에 기초하여 수행되며, 신호는 다른 하나의 단말기와 상기 고정 노드들 중 상기 하나에 의해 수신된다. 그러므로, 단말기에서 고정 노드로 또는 정반대 방향의 전파에 의해 수신되는 신호에서 측정이 수행된다. 일반적으로 무선 채널에서 전파는 상호적인 것이므로, 캐리어 주파수가 동일하면, 전파가 발생하는 방향에 관계없이 동일한 복소 채널 응답이 발견되게 된다.
유리하게는, 신호는 직교 주파수 분할 다중 심볼을 포함한다. 표준 OFDM 수신기에 있어서 수신 신호는 어떤 경우에도 주파수 영역으로 변환되기 때문에, 또한 복소 채널 응답의 발생은 OFDM 신호 포맷의 표준 파일럿 톤을 사용하는 표준 수신 프로세스에서 고유한 것이기 때문에, 주파수 직교 주파수 분할 다중 변조를 사용하는 무선 시스템은, 복소 채널 응답 및 주파수 코히어런스 함수를 발생시키는데 있어서 특히 적합하다.
편리하게는, 제1 메트릭과 각각의 저장된 메트릭과의 차이의 측정이 평가되고, 차이의 평가된 측정이 최소가 되는 저장된 메트릭에 관련된 위치에 기초하여 단말기의 위치가 추정된다. 즉, 제1 메트릭은 조사하는 동안 상이한 위치에서 취해진 다수의 저장된 핑거프린트에 매칭되는 핑거프린트로서 사용된다. 가장 가까운 매칭을 가지는 핑거프린트를 갖는 위치가 가장 가능성있는 위치로서 취득된다.
바람직하게는, 핑거프린트는 단말기와 2개 이상의 고정 노드와 사이의 채널 응답에 관련되는 메트릭의 세트를 포함하며, 마찬가지로, 저장된 메트릭은 수개의 고정 노드로 또는 고정 노드로부터의 채널 응답에 관련된다. 그 후, 측정된 메트릭의 세트와 저장된 메트릭의 세트와의 사이의 매칭이, 측정된 세트와 저장된 세트 사이의 평균 제곱차 등의 차이의 측정에 기초하여 수행될 수 있다. 2개 이상의 고정 노드에 관련되는 메트릭을 사용하는 이점은, 오직 단일의 메트릭이 사용되는 경우일 때보다 더 높은 정확도로 위치가 추정될 수 있다는 점이다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 적어도 하나의 고정 노드를 포함하는 무선 네트워크의 커버리지 영역 내의 단말기의 위치 추정에 이용하기 위한 조사 데이터를 컴파일하는 방법으로서, 네트워크 내의 복수의 상이한 위치들에서 측정 노드와 상기 고정 노드들 중 하나 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답을 측정하는 단계; 상기 복수의 상이한 위치 각각에 관련되는 각각의 측정된 복소 주파수의 메트릭을 나타내는 데이터를 도출하는 단계; 및 상기 메트릭이 관련되는 네트워크 내의 위치의 지시와 함께 상기 복수의 상이한 위치 각각에 대한 도출된 데이터를 저장하는 단계를 포함하는 컴파일 방법이 제공된다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 적어도 하나의 고정 노드를 포함하는 무선 네트워크의 커버리지 영역 내의 단말기 위치를 추정하도록 구성되는 프로세서로서, 상기 프로세서는 상기 단말기와 상기 고정 노드들 중 하나 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답의 측정을 수신하도록 구성되고, 상기 프로세서는 적어도 상기 측정된 복소 주파수 응답의 제1 메트릭을 나타내는 데이터와 복수의 저장된 메트릭을 나타내는 데이터와의 비교에 기초하여 상기 단말기의 위치를 추정하도록 구성되고, 상기 복수의 저장된 메트릭 각각은 네트워크 내의 복수의 상이한 위치 중 하나에 관련되고, 각각의 저장된 메트릭은 상기 메트릭이 관련되는 네트워크 내의 위치와 상기 고정 노드들 중 상기 하나 사이에서 측정되는 복소 주파수 응답인 프로세서가 제공된다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 프로세서가 상기 단말기와 상기 고정 노드들 중 하나 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답의 측정을 수신하고, 적어도 상기 측정된 복소 주파수 응답의 제1 메트릭을 나타내는 데이터와 복수의 저장된 메트릭을 나타내는 데이터와의 비교에 기초하여 상기 단말기의 위치를 추정하게 함으로써, 적어도 하나의 고정 노드를 포함하는 무선 네트워크의 커버리지 영역 내의 단말기의 위치를 추정하도록 하는 컴퓨터 실행가능 명령어들로 인코딩된 컴퓨터 판독가능한 기록 매체로서, 상기 복수의 저장된 메트릭 각각은 네트워크 내의 복수의 상이한 위치 중 하나에 관련되고, 저장된 메트릭 각각은 상기 고정 노드들 중 상기 하나와 메트릭이 관련되는 네트워크 내의 위치 사이에서 측정되는 복소 주파수 응답인 컴퓨터 판독가능한 기록 매체가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징과 이점은, 일례로서 주어지는, 본 발명의 바람직한 실시예의 이하의 설명으로부터 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 네트워크를 나타내는 개략도이다.
도 2는 3개의 일례의 복소 채널 응답의 진폭을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 양태에 따른 3개의 일례의 주파수 코히어런스 함수의 진폭을 나타낸다.
도 4a는 송신된 OFDM 심볼을 나타내는 개략도이다.
도 4b는 수신된 OFDM 심볼을 나타내는 개략도이다.
도 4c는 OFDM 심볼의 파일럿 톤에서 도출되는 채널의 복수 주파수 응답의 진폭을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 주파수 코히어런스 함수를 도출하도록 구성되는 OFDM 수신기의 수신 체인을 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예로서 고정 노드에서 단말기로부터 수신되는 신호에 기초하여 단말기의 위치 추정을 위한 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예로서 복수의 고정 노드에서 단말기로부터 수신되는 신호에 기초한 단말기의 위치 추정을 위한 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예로서 복수의 고정 노드로부터 단말기에 수신되는 신호에 기초한 단말기 위치 추정을 위한 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예로서 복수의 고정 노드로부터 단말기에 수신되는 신호에 기초한 단말기 위치 추정에 포함되는 단계들을 나타낸다.
일반적으로, 본 발명은 무선 네트워크 커버리지 영역 내의 단말기의 위치 추정을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
일례로서, 무선 액세스 포인트의 네트워크 내에 구비되며, 하나 이상의 사용자 장치가 무선 접속을 형성할 수 있는, 접속 지점 또는 기지국이라 지칭하기도 하는, 영업용 옥내 등의 구역 내의 WiFi 네트워크의 맥락에서 본 발명의 실시예를 설명한다. 통상적으로, 액세스 포인트는 또 다른 위치의 데이터 센터를 포함하는 회사 네트워크일 수도 있거나, 또는 인터넷에의 접속을 포함할 수 있는 데이터 네트워크의 또 다른 부분으로의 무선 접속 및 유선 접속에 적절한 송수신기를 포함한다. 무선 송수신기를 구비하는 다양한 종류의 장치들이 개인 컴퓨터(PCs)와 같은 접속 지점 및 개인 휴대용 정보 단말기(PDA)와 같은 모바일 데이터 유닛들을 통해서 네트워크에 접속될 수 있으며, 이는 액세스 포인트의 무선 커버리지 구역 내에서 또한 영업용 옥내의 액세스 포인트들 사이에서 이동될 수 있다.
본 발명은 다음에 한하지는 않지만, 디지털 방식으로 부호화한 음성 신호, 일반적으로 오디오 신호, 화상, 및 비디오 스트림을 포함하는 모든 종류의 데이터를 통신하기 위해 사용되는 데이터 네트워크에 적용될 수 있다. 무선 신호는 IEEE 802.11 WiFi 등과 같은 산업 표준을 준수할 수 있지만, 또한 LTE 또는 WiMax 등과 같은 셀룰러 무선 표준, 또는 초광대역 무선과 같은 기타의 산업 표준, 또는 사설 표준을 준수할 수 있으며, 또는 특별하게 인정되지 않는 표준을 준수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예를 나타낸다. 액세스 포인트일 수 있는 3개의 고정 노드(4a, 4b, 및 4c)가 무선 네트워크 커버리지(2)의 영역 내에 도시되어 있다. 통상적으로, 액세스 포인트 각각은 유선 링크에 의해 사설 데이터 네트워크 또는 공중 인터넷일 수도 있는 네트워크(11)에 접속된다. 위치 추정 프로세서(12) 또한 네트워크(11)에 접속된다.
단말기(6)는 무선 네트워크의 커버리지(2)의 영역 내에 위치하여, 액세스 포인트(4a, 4b, 및 4c)와 통신한다.
본 발명의 실시예는 무선 주파수(RF) 핑거프린팅 기술의 이용에 의해서 무선 네트워크 내에서 단말기(6)의 위치를 추정하는 방법에 관한 것이다. RF 핑거프린트는 무선 환경의 특성 측정이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, RF 핑거프린트는 단말기와 하나 이상의 액세스 포인트와 사이의 무선 채널의 응답이나 복소 주파수 응답의 주파수 코히어런스 함수이다. RF 핑거프린트를 측정하거나, 측정된 핑거프린트와 알려진 위치에 관련된 핑거프린트의 저장된 세트를 비교함으로써 단말기의 위치가 추정된다.
통상적으로, 커버리지의 영역에 걸쳐서 분포되는 위치들에서 핑거프린트의 저장된 세트들이 조사(survey)중에 미리 취득되어 있다. 도 1에서, 커버리지(2)의 영역은 크로스(10a, 10b 등)로 표시된 격자 상의 각각의 점에서 RF 핑거프린트를 측정함으로서 미리 조사되었다. 통상적으로, 격자점은 2.4 GHz 또는 5 GHz에서 동작하는 시스템에 있어서 약 2 m의 간격을 둔다. 이 도면은 단지 대표적 예로서, 더 크거나 더 작은 격자 간격의 값 또한 채용될 수 있다. 조사에서 커버리지의 전체 영역을 다룰 필요는 없고, 단순히 관심 영역, 규칙적인 격자 패턴을 따를 필요도 없다.
양방향 화살표(8a, 8b, 및 8c)는 단말기와 액세스 포인트 사이의 무선 채널을 나타낸다. 일반적으로, 무선 링크는 상호적이므로, 8a, 8b, 및 8c에 의해 나타낸 무선 채널들의 복소 주파수 응답은 양쪽 방향으로 전파하는 신호에 의해 측정될 수 있다. 그러나, 실제에 있어서, 통상적으로, 단말기를 송신기로서, 액세스 포인트를 수신기로서 사용할 때 유리하며, 이는, 후술하는 바와 같이, 단말기는 변경되지 않은 형태로 사용되고, 액세스 포인트는 위치 추정을 위해 사용되는 메트릭 또는 메트릭의 세트(즉, 핑거프린트)를 발생시키도록 변경될 수 있기 때문이다. 일반적으로, 단말기들은 다양한 레거시 항목으로부터 선택될 수 있으며, 그 위치는 변경할 필요없이 발견될 수 있다는 점에서 유리하다. 본 발명은, 단말기가 송신기이고 고정 노드 또는 노드들이 위치 추정을 위한 수신기로서 사용되는 실시예를 참조하여 주로 설명하지만, 정반대 방향에서 신호 흐름을 가지는 위치 추정을 수행하는 것도 상당히 타당하다.
전술한 바와 같이, 복소 채널 응답으로부터 도출되는 주파수 코히어런스 함수는 본 발명의 실시예에서 무선 환경의 특성 측정법으로서 사용된다. 도 2는 3개의 근접한 간격의 위치들(약 10 cm 간격)에 관한 3개의 복소 주파수 응답(14a, 14b, 및 14c)(진폭은 단지 명확화를 위해 도시됨)을 나타낸다. 도 3은 동일한 3개의 위치와 관련되는 등가 주파수 코히어런스 함수(16a, 16b, 및 16c) (또한, 진폭은 단지 명확화를 위해 도시됨)를 나타낸다. 곡선의 비교로부터, 복소 주파수 응답이 소규모 이동의 결과 (주어진 주파수에서) 크게 변화하는 반면, 주파수 코히어런스 함수는 소규모 이동의 결과 더 적게 변화한다는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 주파수 코히어런스 함수는, 반복가능한 결과를 생성하기 위한 평균화를 거의 필요치 않는다는 점에서 더욱 견고하므로, 복수 주파수 응답보다는 RF 환경의 특성 측정법으로서 더 나은 측정법인 것을 알았다.
주파수 코히어런스 함수(FCF)는 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112012001770046-pct00001
N은 채널 응답 샘플 포인트의 개수, m은 샘플 위치의 측면에서의 주파수 오프셋, k는 샘플 위치의 측면에서 주파수, H는 복소 채널 응답, 및 H "star"는 추정된 복소 채널 응답의 공액 복소수이다. 그러므로, FCF는 m 차원의 복소 벡터이다. FCF는 추정된 복소 채널 응답의 자기상관의 형태라는 것을 알 수 있다. 실제로, 정확한 복소 채널 응답(H)은 알려져 있지 않고, 단순히 추정된 복소 채널 응답이다. 측정된 어떤 것이 반드시 추정치인 것으로 이해되기 때문에, 추정된 채널 응답을 단순히 "채널 응답"으로 지칭하는 것이 상례이다. 마찬가지로, 참(true) 주파수 코히어런스 함수(R)는 엄격히 말해서 알려져 있지 않고, 차라리, 추정된 주파수 코히어런스 함수이다. 공통의 R과 H 위에 나타낸 꺽쇠(hat) 기호는 추정치를 지칭한다.
도 4a, 4b, 및 4c는 채널의 복소 주파수 응답을 도출하기 위한 직교 주파수 분할 다중 시스템에서의 파일럿 톤의 이용을 나타낸다.
OFDM은, 802.11a, 802.11g, WiMax, 및 LTE 등 그 수가 증가하는 현대 무선 표준의 근간이 되고 있다. OFDM을 이용하는 시스템들은, 비교적 적은 변형을 가지는 FCF를 형성하기 위해 잠재적으로 사용될 수 있는, 복조 프로세스의 고유의 부분으로서 복소 채널 응답 추정을 형성하므로, 본 발명의 실시예의 이용에 특히 적합하다.
도 4a, 4b, 및 4c는 채널의 복소 주파수 응답을 도출하기 위한 직교 주파수 분할 다중 시스템에서의 파일럿 톤의 이용을 나타낸다. 도 4a는 주파수 영역에서 도시되는 송신된 OFDM 심볼(18)을 나타낸다. 소정의 진폭 및 위상으로 송신되는 파일럿 톤(20a 및 20b)과 데이터를 반송하도록 변조되는 데이터 톤(22)을 포함하는 다수의 부반송파가 존재한다는 것을 알 수 있다.
도 4b는 채널을 통한 송신 후 수신되는 OFDM 심볼(18)을 나타낸다. 진폭 프로파일이 채널 응답에 의해 변화되는 것(위상(도시 생략) 또한 영향을 받게 됨)을 알 수 있다.
도 4c는 파일럿 톤 값들(24a 및 24b)로부터 도출되는 복소 채널 응답(14)의 진폭을 나타낸다.
일부 송신 포맷에는, 채널 응답이 수신 심볼로부터 추정될 수 있도록, 모든 부반송파가 공지의 진폭과 위상 상태에서 송신되는 OFDM 심볼들을 포함할 수 있다. 이러한 공지의 심볼들은 통상적으로 프리앰블에서 발생한다. 기타의 심볼들, 특히, 페이로드 데이터를 전달하는 심볼들은 통상 파일럿 톤으로서 확보된 부반송파의 서브세트(도 4a에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 파일럿 톤의 실제 개수를 나타내지 않음) 및 데이터를 전송하는데 사용되는 대다수의 반송파를 가진다. 이러한 파일럿 톤들은 통상 시간에 따른 채널 추정을 구축하는데 사용된다. 채널 추정치의 자기 상관, 즉, 복소 채널 응답 추정치의 자기 상관은 FCF의 기초로서 사용될 수 있다. 그러므로, 모든 부반송파 위치 또는 채널 추정의 지점이 바로 파일럿 심볼로부터 도출될 필요는 없지만, 그 대신에 파일럿 심볼들 간의 보간에 의해 도출될 수 있다.
이하의 도출은 모든 부반송파가 공지의 송신 상태의 파일럿 톤인 경우에 기초하지만, 상기한 바로부터 명백한 바와 같이, 이는 유용한 일례이지만, 항상 그러할 필요는 없다.
Sk는 (x,y)지점에서 k번째 주파수에서 수신되는 신호의 복소 진폭,
Dk는 k번째 주파수에서 공지의 파일럿 심볼, 및
Zk는 k번째 주파수에서 잡음항이라고 하면,
Figure 112012001770046-pct00002
다음과 같이 채널을 추정할 수 있다:
Figure 112012001770046-pct00003
H의 추정치는 수학식 1을 사용하는 주파수 코히어런스 함수를 도출하는데 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
여기서, 주파수 코히어런스 함수는 수신 신호의 전력 지연 프로파일의 푸리에 변환에 의해 도출될 수 있다는 것에 주목해야 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 주파수 코히어런스 함수를 도출하도록 구성되는 OFDM 수신기의 수신 체인을 나타내는 개략도이다. 여기서, 이하의 부분들은 전부 종래의 OFDM 수신기를 형성한다: 저잡음 증폭기(28), 다운 변환기(30), 자동 이득 제어기(32), 아날로그-디지털 변환기(34), 직-병렬 변환기(36), 순환 프리픽스 제거기(38), 고속 푸리에 변환기(40), 병렬-직렬 변환기(42), 채널 정정기(44), 및 QAM 디매핑기(46).
채널 정정 블록(44)은 OFDM 송신기와 수신기 사이에 복소 채널 응답의 추정, 즉, 측정을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라서, 복소 채널 응답이 채널 정정 블록(44)으로부터 취득되어, 주파수 코히어런스 함수를 생성하도록 구성되는 자기 상관 함수(48)로 전달된다. 그 후, 이것은 정규화된 주파수 코히어런스 함수를 생성하기 위해 전력 정규화 함수(50)에 의해서 정규화된 전력이 될 수 있다.
도 6은 단말기(6)가 송신기로 사용되고 액세스 포인트가 수신기(4)로 사용되는 본 발명의 실시예로서 위치 추정 시스템이 어떻게 구현될 수 있는지를 나타낸다. 단말기(6)와 액세스 포인트(4) 사이에 무선 채널(8)의 복소 채널 응답이 액세스 포인트(4) 내의 복소 주파수 응답 추정 함수에서 추정 즉, 측정된다.
그 후, 복수 주파수 응답 측정치는 적절한 링크를 통해서, 개인 컴퓨터 상에서, 또는 무선 네트워크 제어부 일부로서 구현될 수 있는, 위치 추정 프로세서(12)로 송신된다.
복소 주파수 응답을 수신하면, 위치 추정 프로세서는 측정된 주파수 코히어런스 함수를 생성하도록 자기 상관 함수를 수행한다. 그 후, 측정된 주파수 코히어런스 함수는 통상 액세스 포인트 커버리지의 영역 내에 다수의 상이한 위치에서 RF 조사의 일부로서 미리 측정되어지는 주파수 코히어런스 함수의 데이터베이스의 내용과 비교된다.
예를 들어, 비교는 주파수 코히어런스 함수의 대응하는 주파수 오프셋 성분 사이의 평균 제곱차에 기초할 수 있다. 최소의 평균 제곱차를 가지는 저장된 주파수 코히어런스 함수는, 측정된 주파수 코히어런스 함수에 가장 가까운 매치라고 선언되며, 주파수 코히어런스 함수가 측정되는 위치는 단말기 위치의 추정치로서 취득된다.
여기서, 위치 추정 프로세서에 송신될 데이터로서 복소 주파수 응답의 선택은 단지 도시를 위한 것이고, 물론, 주파수 코히어런스 함수는 액세스 포인트에서 계산될 수 있고, 실제로, 위치 추정 프로세서는 액세스 포인트에 위치될 수 있다.
도 7은 단말기(6)가 송신기로서 사용되고, 3개의 액세스 포인트(4a, 4b, 및 4c)가 수신기로 사용되는 본 발명의 실시예로서 위치 추정 시스템이 어떻게 구현될 수 있는지를 나타낸다. 단말기(6)와 액세스 포인트(4a, 4b, 및 4c) 사이의 무선 채널(8a, 8b, 및 8c)의 복소 채널 응답들이 액세스 포인트(4a, 4b, 및 4c) 내에서 계산된다. 그 후, 복소 주파수 응답 측정치들이 적절한 링크를 통해서, 예를 들면, 개인 컴퓨터 상에서, 또는 무선 네트워크 제어부의 일부로서 구현될 수 있는 위치 추정 프로세서(12)에 송신된다. 전술한 바와 같이, 물리적 개체 사이에 함수의 분할은 단순히 예시를 위한 것으로서, 원칙적으로, 신호의 수신에 따른 함수 중 어느 것이라도 액세스 포인트에서, 또는 위치 추정 프로세서에서, 또는 실제 상이한 프로세서에서, 또는 네트워크의 노드에서 수행될 수 있다.
복소 주파수 응답을 수신함에 따라(단계 S6.01), 위치 추정 프로세서는 각각의 복소 주파수 응답에 대하여 자기 상관함수를 수행하여(단계 S6.02), 각각에 대하여 측정된 주파수 코히어런스 함수를 생성하여, 주파수 코히어런스 함수의 세트, 즉, 각각의 채널 주파수 응답의 메트릭을 포함하는 세트를 형성한다. 이 세트는 RF 핑거프린트라고 할 수 있다.
RF 핑거프린트, 즉, 측정된 주파수 코히어런스 함수의 세트는, 통상 액세스 포인트의 커버리지의 영역 내의 다수의 상이한 위치에서 RF 조사의 일부로서 미리 측정되어 있는 RF 핑거프린트의 데이터 베이스의 내용과 비교된다(단계 S6.03).
예를 들어, 비교는 대응하는 주파수 코히어런스 함수의 대응하는 주파수 오프셋 성분 간의 평균 제곱차에 기초할 수 있다(즉, 동일한 액세스 포인트에서의 측정과 관련되는 주파수 코히어런스 함수). 최소의 평균 제곱차를 가지는 저장된 주파수 코히어런스 함수는 측정된 주파수 코히어런스 함수에 대한 가장 가까운 매치라고 선언되며, 측정되는 위치가 단말기의 위치 추정치로서 취득된다. 이를 경판정(hard decision)이라 지칭할 수 있다.
단말기의 위치는 위치 추정치가 조사의 측정 지점 사이의 값을 취할 수 있는, 소위, 연판정(soft decision)에 의해서 추정될 수도 있다. 이 경우, 측정된 핑거프린트로부터 가장 적은 차이 또는 가장 적은 평균 제곱차를 갖는 2개 이상의 측정 위치가 선택되고, 이러한 지점들 사이의 보간에 의해서 위치가 추정된다. 연판정보다 유리한 점은 위치 추정의 정밀도가 개선될 수 있다는 것이다.
도 8은 3개의 액세스 포인트(4a, 4b, 및 4c)가 송신기로 사용되고, 단말기(6)가 수신기로 사용되는 실시예를 나타낸다. 이 경우, 단말기가 액세스 포인트에 의해 송신되는 비컨 신호 또는 프레임을 수신하고, 주파수 코히어런스 함수의 계산의 기초로서 이들을 사용하는 것이 편리할 수 있다. 그러나, 단말기가 송신기로서 사용되는 것과 마찬가지로, 종래의 OFDM 심볼 등의 기타의 송신 신호들 또한 사용될 수 있는 점에 유의한다. 비컨 프레임들은 프리앰블과 OFDM 심볼로 구성되는 점에서 기타의 임의의 프레임들과 마찬가지이다. 단지 실질적 차이는 페이로드 데이터를 전달하지 않고, 그 아이디 및 성능 등의 액세스 포인트에 대한 정보를 전달한다는 점이다.
도 9는 도 7의 실시예를 이용하는 위치 추정에 포함되는 단계들을 나타낸다. 단계 S7.01에서, 비컨 신호들이 각각의 액세스 포인트(4a, 4b, 및 4c)로부터 수신된다. 단계 S7.02에서, 각 수신된 비컨 신호에 대하여 복소 주파수 응답이 측정된다. 단계 S7.03에서, 각 복소 주파수 응답에 대하여 자기상관이 실행되어, 주파수 코히어런스 함수의 세트, 즉, RF 핑거프린트를 생성한다. 그 후, RF 핑거프린트가 RF 핑거프린트의 저장된 세트와 비교된다. 전술한 바와 같이, 경판정으로서 가능성 있는 단말기 위치를 지시하기 위해 가장 잘 매치되는 RF 핑거프린트가 사용될 수 있으며, 또는 연판정으로서 보간되는 위치 추정치를 생성하기 위해 2개 이상의 가장 잘 매칭하는 지점 사이의 보간이 사용될 수 있다.
이상의 실시예는 본 발명의 예시로서 이해되어야 할 것이다. 임의의 하나의 실시예에 관하여 기술한 임의의 특징은 단독으로 또는 기재된 다른 특징들과 조합하여 사용될 수 있으며, 임의의 다른 실시형태 또는 임의의 다른 실시형태의 임의의 조합의 하나 이상의 특징들과 결합하여 사용될 수 있다. 또한, 상기에 기재하지 않은 균등물 및 변경예들 또한 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고서 채용될 수 있다.

Claims (21)

  1. 적어도 하나의 고정 노드를 포함하는 무선 네트워크의 커버리지 영역 내의 단말기의 위치 추정에 이용하기 위한 조사(survey) 데이터를 컴파일하는 측정 장치에 있어서,
    적어도 하나의 프로세서; 및
    상기 프로세서에 연결된 적어도 하나의 메모리
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 메모리는 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해,
    상기 네트워크 내의 복수의 상이한 위치들 각각에 위치된 상기 장치를 이용하여 상기 장치와 상기 적어도 하나의 고정 노드 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답을 측정하고,
    상기 복수의 위치들 각각에 관련되는 각각의 측정된 복소 주파수 응답의 자기 상관 함수(autocorrelation function)를 나타내는 데이터를 도출하고,
    상기 자기 상관 함수가 관련되어 있는 위치의 지시(indication)와 함께 상기 적어도 하나의 메모리에 상기 복수의 상이한 위치들 각각에 대한 도출된 데이터를 저장
    하도록 실행가능한 명령어들을 저장하는 것인 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 상관 함수는 주파수 코히어런스 함수인 것인 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수 코히어런스 함수는 정규화된 주파수 코히어런스 함수인 것인 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    측정 노드와 고정 노드 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답을 측정하도록 실행가능한 상기 명령어들은, 상기 적어도 하나의 고정 노드와 상기 측정 장치 중 선택된 하나로부터 송신되고, 상기 적어도 하나의 고정 노드와 상기 측정 장치 중 다른 하나에 의해 수신되는 신호에 기초하여 상기 복소 주파수 응답을 측정하기 위한 명령어들인 것인 측정 장치.
  5. 적어도 하나의 고정 노드를 포함하는 무선 네트워크의 커버리지 영역 내의 단말기의 위치 추정에 이용하기 위한 조사 데이터를 측정 장치에 의해 컴파일하는데 이용하기 위한 프로세서-실행가능한 명령어들로 인코딩된 비일시적 프로세서-판독가능한 매체에 있어서,
    상기 명령어들은 프로세서에 의해,
    상기 네트워크 내의 복수의 상이한 위치들 각각에 위치된 상기 측정 장치를 이용하여 상기 측정 장치와 상기 적어도 하나의 고정 노드 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답을 측정하고,
    상기 복수의 위치들 각각에 관련되는 각각의 측정된 복소 주파수 응답의 자기 상관 함수를 나타내는 데이터를 도출하고,
    상기 자기 상관 함수가 관련되어 있는 위치의 지시와 함께 상기 적어도 하나의 메모리에 상기 복수의 상이한 위치들 각각에 대한 도출된 데이터를 저장
    하도록 실행가능한 명령어들을 포함하는 것인 프로세서-판독가능한 매체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 자기 상관 함수는 주파수 코히어런스 함수인 것인 프로세서-판독가능한 매체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 주파수 코히어런스 함수는 정규화된 주파수 코히어런스 함수인 것인 프로세서-판독가능한 매체.
  8. 제 5 항에 있어서,
    측정 노드와 고정 노드 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답을 측정하도록 실행가능한 상기 명령어들은, 상기 적어도 하나의 고정 노드와 상기 측정 장치 중 선택된 하나로부터 송신되고, 상기 적어도 하나의 고정 노드와 상기 측정 장치 중 다른 하나에 의해 수신되는 신호에 기초하여 상기 복소 주파수 응답을 측정하기 위한 명령어들을 포함하는 것인 프로세서-판독가능한 매체.
  9. 적어도 하나의 고정 노드를 포함하는 무선 네트워크의 커버리지 영역 내의 단말기의 위치 추정에 이용하기 위한 조사 데이터를 컴파일하는 측정 장치를 동작시키는 방법에 있어서,
    상기 네트워크 내의 복수의 상이한 위치들 각각에 위치된 상기 측정 장치를 이용하여 상기 측정 장치와 상기 적어도 하나의 고정 노드 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답을 측정하는 단계;
    상기 복수의 위치들 각각에 관련되는 각각의 측정된 복소 주파수 응답의 자기 상관 함수를 나타내는 데이터를 도출하는 단계; 및
    상기 자기 상관 함수가 관련되어 있는 위치의 지시와 함께 상기 적어도 하나의 메모리에 상기 복수의 상이한 위치들 각각에 대한 도출된 데이터를 저장하는 단계
    를 포함하는 측정 장치 동작 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 자기 상관 함수는 주파수 코히어런스 함수인 것인 측정 장치 동작 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 주파수 코히어런스 함수는 정규화된 주파수 코히어런스 함수인 것인 측정 장치 동작 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    측정 노드와 고정 노드 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답을 측정하는 단계는, 상기 적어도 하나의 고정 노드와 상기 측정 장치 중 선택된 하나로부터 송신되고, 상기 적어도 하나의 고정 노드와 상기 측정 장치 중 다른 하나에 의해 수신되는 신호에 기초하여 상기 복소 주파수 응답을 측정하는 단계를 포함하는 것인 측정 장치 동작 방법.
  13. 무선 네트워크에 있어서,
    적어도 하나의 고정 노드; 및
    적어도 하나의 위치 추정 프로세서
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 고정 노드는 상기 고정 노드의 서빙 영역 내의 적어도 하나의 무선 단말기와 통신하도록 동작가능하고,
    상기 적어도 하나의 위치 추정 프로세서는,
    상기 적어도 하나의 고정 노드 중 선택된 고정 노드와 단말기 사이의 무선 채널의 복소 주파수 응답의 측정 신호(a measurement)를 수신하고,
    상기 측정된 복조 주파수 응답의 자기 상관 함수를 나타내는 데이터와 복수의 저장된 자기 상관 함수들를 나타내는 데이터의 비교에 적어도 기초하여 상기 단말기의 위치를 추정하도록 동작가능하고,
    상기 복수의 저장된 자기 상관 함수들 각각은 상기 네트워크 내의 복수의 상이한 위치들 중 하나에 관련되어 있고, 각각의 저장된 자기 상관 함수는 상기 자기 상관 함수가 관련되어 있는 네트워크 내의 위치와 상기 선택된 고정 노드 사이에서 측정된 복조 주파수 응답의 자기 상관 함수인 것인 무선 네트워크.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각각의 자기 상관 함수는 주파수 코히어런스 함수인 것인 무선 네트워크.
  15. 제 14 항에 있어서,
    각각의 주파수 코히어런스 함수는 정규화된 주파수 코히어런스 함수인 것인 무선 네트워크.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 위치 추정 프로세서는 상기 선택된 고정 노드와 상기 단말기 중 선택된 하나로부터 송신되고, 상기 선택된 고정 노드와 상기 단말기 중 다른 하나에 의해 수신되는 신호에 기초하여 상기 복소 주파수 응답을 측정하도록 동작가능한 것인 무선 네트워크.
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