KR101683295B1 - 이동통신시스템에서 ｏｔｄｏａ 추정 장치 및 방법 - Google Patents

이동통신시스템에서 ｏｔｄｏａ 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신시스템에 관한 것으로, 특히 이동통신시스템에서 OTDOA 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. 그리고 본 발명에 따른 이동통신시스템의 수신기에서 단말의 위치 추정을 위한 OTDOA(Observed Time Difference Of Arrival)를 추정하는 방법은, 상기 수신기에서 수신된 신호의 셀간 전송 기준 시각 차이에 따라 주기 상관관계를 수행하여 인접 셀과 상기 단말 간의 CIR(Channel Impulse Response)을 추정하는 과정과, 서빙 셀의 CRS(Cell-specific Reference Signal)를 근거로 상기 추정된 CIR에서 상기 서빙 셀의 PRS(Positioning Reference Signal)를 제거하여 최종 CIR을 획득하는 과정과, 상기 셀간 전송 기준 시간 차이에 따른 PNR(Path to Noise power Ratio)의 임계값을 설정하는 과정과, 상기 최종 CIR과 상기 설정된 임계값을 이용하여 상기 신호의 첫 번째 도달 경로를 검출하는 과정을 포함한다.

Description

이동통신시스템에서 ＯＴＤＯＡ 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF OTDOA ESTIMATION IN MOBILE COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 이동통신시스템에 관한 것으로, 특히 이동통신시스템에서 OTDOA(Observed Time Difference Of Arrival) 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution) 시스템에서 OTDOA 추정 방법을 이용한 단말의 위치 추정 방식은 기본적으로 서빙 셀(Serving cell)을 포함한 최소 3개 이상의 셀을 필요로 하며, 수신기에서 수신된 서빙 셀의 신호와 인접 셀(Neighboring cell) 신호들 간의 신호 도달 시각 차이를 이용하여 쌍곡선을 그리고, 상기 쌍곡선 간의 교점을 통해 단말의 위치를 추정하는 방식이다.
상기 3GPP LTE 시스템에서는 OTDOA 추정 방법을 이용하여 단말의 위치 추정 서비스를 제공하기 위해, 기존 참조 신호(Reference signal : RS) 이외의 포지셔닝 참조 신호(Positioning Reference Signal : PRS)를 정의하였다. 그리고 PRS 서브프레임에 할당되는 상기 PRS는 가청성(hearability) 향상을 위해 주파수 영역에서 6칸 간격으로 할당되며, 이때의 PRS가 할당되는 부반송파 위치는 셀 ID 모듈로 6(cell ID modulo 6) 연산에 의해 결정된다.
따라서 단말 주변의 기지국 셀 ID 셋(set)이 {0, 1, 2} 값을 갖는 경우에는 각 셀에서 전송되는 PRS가 서로 다른 부반송파에 할당되기 때문에 PRS간의 간섭 없이 복조가 가능하나, 기지국 셀 ID 셋이 {0, 6, 12} 값을 갖는 경우에는 각 셀의 PRS가 동일한 부반송파 위치에 할당되며 이로 인한 OTDOA 추정 성능의 열화가 발생하게 된다.
또한 비동기 네트워크(asynchronous network)에서는 각 셀간의 신호 전송 기준 시각이 상이하기 때문에 수신기에서 수신되는 PRS들의 유효 심볼 구간이 서로 상이하게 중첩되어 수신되며, 이에 따라 수신되는 PRS간의 직교성 파괴로 인한 OTDOA 추정 성능 열화가 발생한다.
특히 상기 두 경우에서, 단말의 위치가 서빙 셀 기지국에 가까울수록 복조하고자 하는 인접 셀의 PRS와 간섭으로 작용하여 OTDOA 추정 성능 열화의 원인이 되는 서빙 셀의 PRS 간의 수신된 신호 전력 차이가 크게 발생하기 때문에 단말이 서빙 셀의 기지국에 가까이 위치할수록 중첩된 셀 ID 및 비동기 네트워크 환경으로 인한 OTDOA 추정 성능 열화가 심각하게 발생된다.
이에 현재 3GPP LTE 시스템의 표준화 단체에서는 상기 PRS 간의 직교성 파괴로 인한 OTDOA 추정 성능 열화를 방지하기 위해 각 셀마다 PRS를 번갈아 가며 전송하지 않는 서빙 셀의 PRS 뮤팅(muting)에 대한 성능 평가 및 표준화 여부에 대해 연구가 진행되고 있으나, 뮤팅 적용을 위해서는 뮤팅 패턴 결정을 위해 네트워크에서의 복잡도가 증가할 뿐만 아니라 뮤팅에 따른 전체적인 위치 추정 서비스의 효율이 감소한다는 단점이 발생한다.
이에 따라, 종래의 동기 네트워크(synchronous network)에서의 중첩된 셀 ID 환경 및 비동기 네트워크에서의 서빙 셀의 PRS로 인한 OTDOA 추정 성능 열화를 효율적으로 개선시킬 수 있는 OTDOA 추정 방안이 요구된다.
본 발명은 이동통신시스템의 수신기에서 동기 네트워크의 중첩된 셀 ID 환경으로 인한 OTDOA 추정 성능 열화를 효율적으로 개선하기 위한 OTDOA 추정 방법 및 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 이동통신시스템의 수신기에서 비동기 네트워크의 서빙 셀의 PRS로 인한 OTDOA 추정 성능 열화를 효율적으로 개선하기 위한 OTDOA 추정 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 이동통신시스템의 수신기에서 단말의 위치 추정을 위한 OTDOA(Observed Time Difference Of Arrival)를 추정하는 방법은, 상기 수신기에서 수신된 신호의 셀간 전송 기준 시각 차이에 따라 주기 상관관계를 수행하여 인접 셀과 상기 단말 간의 CIR(Channel Impulse Response)을 추정하는 과정과, 서빙 셀의 CRS(Cell-specific Reference Signal)를 근거로 상기 추정된 CIR에서 상기 서빙 셀의 PRS(Positioning Reference Signal)를 제거하여 최종 CIR을 획득하는 과정과, 상기 셀간 전송 기준 시간 차이에 따른 PNR(Path to Noise power Ratio)의 임계값을 설정하는 과정과, 상기 최종 CIR과 상기 설정된 임계값을 이용하여 상기 셀로부터 들어오는 신호의 수신시간 추정을 위한 첫 번째 도달 경로(First Arrival Path)를 검출하는 과정을 포함한다.
또한 본 발명에 따른 이동통신시스템의 수신기에서 단말의 위치 추정을 위한 OTDOA(Observed Time Difference Of Arrival)를 추정하는 장치는, 상기 수신기에서 수신된 신호의 셀간 전송 기준 시각 차이에 따라 주기 상관관계를 수행하여 인접 셀과 상기 단말 간의 CIR(Channel Impulse Response)을 추정하는 CIR 추정기와, 상기 추정된 CIR에서 서빙 셀의 CRS(Cell-specific Reference Signal)를 근거로 상기 서빙 셀의 PRS(Positioning Reference Signal)를 제거하여 최종 CIR을 획득하는 서빙 PRS 제거기와, 상기 셀간 전송 기준 시간 차이에 따른 PNR(Path to Noise power Ration)의 임계값을 설정하는 임계값 제어기와, 상기 최종 CIR과 상기 설정된 임계값을 이용하여 상기 신호의 첫 번째 도달 경로를 검출하는 경로검출기를 포함한다.
본 발명은 뮤팅이 지원되지 않는 경우, 동기 네트워크의 중첩된 셀 ID 환경 및 비동기 네트워크에서 정확한 OTDOA 추정을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 뮤팅으로 인한 기지국의 복잡도 추가 및 전체 위치 제공 서비스의 효율 저하를 방지하고 정확한 OTDOA 추정을 제공할 수 있다.
한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명이 적용되는 이동통신시스템의 PRS 서브프레임 구조를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명이 적용되는 CIR 기반의 OTDOA 추정 방법을 이용한 단말의 위치 추정 과정을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수신기에서 OTDOA 추정 장치를 간략하게 나타낸 도면,
도 4a 및 도 4b 는 셀 ID 셋 할당에 따른 OTDOA 추정 성능을 나타낸 도면,
도 5는 동기 네트워크에서 OTDOA 추정과 위치 추정 알고리즘과의 연동 성능을 나타낸 도면,
도 6은 비동기 네트워크에서 OTDOA 추정시 발생되는 문제점을 나타낸 도면,
도 7a 및 도 7b는 비동기 네트워크에서의 OTDOA 추정 성능을 비교한 도면,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 비동기 네트워크에서의 크로스 상관관계 방식을 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 비동기 네트워크에서의 크로스 상관관계 방식을 위한 임계값 재설정 방식을 나타낸 도면,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 크로스 상관관계 방식과 뮤팅이 지원되는 기존의 상관관계 방식과의 OTDOA 추정 성능을 비교한 도면,
도 11은 비동기 네트워크에서의 OTDOA 추정과 위치 추정 방법의 연동 성능을 나타낸 도면,
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 수신기에서 OTDOA 추정 방법을 나타낸 도면.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명의 주요한 요지는 수신된 신호로부터 상관관계 연산을 수행하여 CIR(Channel Impulse Response)을 획득하고, 셀간 전송 기준 시각에 대한 임계값을 설정하며, 상기 CIR 및 임계값을 근거로 채널의 다중 경로 지연으로 인한 성능 열화를 방지하기 위해서 신호의 첫 번째 도달 경로를 검출하여 OTDOA를 추정하는 것이다. 여기서, 상기 CIR 획득 시, 상기 수신된 신호가 동기 네트워크의 신호인 경우 중첩된 셀 ID 환경에서의 서빙 셀의 PRS를 제거하여 CIR을 획득하며, 상기 수신된 신호가 비동기 네트워크의 신호인 경우 새로운 크로스 상관관계(cross correlation)를 수행한 후, 서빙 셀의 PRS를 제거하여 상기 CIR을 획득한다.
이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 OTDOA 추정 방법 및 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명이 적용되는 이동통신시스템의 PRS 서브프레임 구조를 보이고 있다.
3GPP LTE 시스템에서 PRS 시퀀스
Figure 112010052257220-pat00001
는 아래 <수학식 1>과 같이 CRS(Cell-specific Reference Signal)와 동일한 PRBS(Pseudo Random Binary Sequence) 생성기를 이용하여 생성된다.
Figure 112010052257220-pat00002
상기 <수학식 1>에서
Figure 112010052257220-pat00003
이고, ns는 슬롯 넘버, l은 심볼 넘버를 의미한다.
PRS 시퀀스
Figure 112010052257220-pat00004
는 공액 복소 심볼
Figure 112010052257220-pat00005
로 아래 <수학식 2>와 같이 매핑되며, 도 1a 및 도 1b와 같이 셀/단말 특정(specific) RS와 중첩을 회피한 대각선 형태를 갖는다.
Figure 112010052257220-pat00006
상기 <수학식 2>에서 PRS 시퀀스를 위한 대역폭
Figure 112010052257220-pat00007
는 상위 계층에 의해 결정되며, 셀-특정 주파수 시프트
Figure 112010052257220-pat00008
는
Figure 112010052257220-pat00009
과 같이 정의된다.
이동통신시스템에서 OTDOA 추정은 수신기에서 수신된 서빙 셀의 신호와 인접 셀의 신호 간의 도달 시각 차이를 측정함으로써 수행된다. 여기서 상기 도달 시각 차이는 서빙 셀의 신호를 기준으로 인접 셀의 신호의 타이밍 옵셋으로 표현되며, 이러한 타이밍 옵셋의 추정은 주파수 영역 PRS의 위상 회전 및 시각 영역 CIR을 이용하여 추정될 수 있다. 그러나, 주파수 영역 PRS의 위상 회전을 이용하여 OTDOA를 추정하는 경우에는 수신기에서 채널의 다중 경로 지연으로 인한 성분과 OTDOA가 함께 추정되어 정확한 추정 성능을 보장할 수 없기 때문에 도 2와 같이 시각 영역 CIR의 첫 번째 경로를 검출함으로써 채널의 다중 경로 지연으로 인한 성능 열화를 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명이 적용되는 CIR 기반의 OTDOA 추정 방법을 이용한 단말의 위치 추정 과정을 보이고 있다. 여기서, 210 단계 및 220 단계는 OTDOA 추정을 위한 것이고, 230 단계는 단말의 위치 추정을 위한 것이다. 그리고 본 발명의 실시 예에 따른 OTDOA 추정 방법은 210 단계에 포함되는 213 단계 및 220 단계에서 수행된다.
도 2를 참조하면, 수신기에서 OTDOA 추정 방법을 이용한 단말의 위치 추정 과정은 210 단계에서 수신기에서 수신된 신호로부터 인접 셀과 단말 간의 CIR을 추정하고, 220 단계에서 상기 획득한 CIR로부터 첫 번째 경로를 검출하여 OTDOA 추정을 수행하며, 230 단계에서 상기 추정된 OTDOA를 이용하여 단말의 위치를 추정한다.
상기 210 단계에서 CIR을 획득하는 과정은, 시각 영역 기준 신호와의 상관관계 또는 FFT/IFFT 연산을 통해 구현이 가능하다. 일 예로, 상기 210 단계에서 FFT/IFFT를 이용하는 경우, 수신기는 211 단계에서 수신된 신호의 보호 주파수대역을 제거하고, 212 단계에서 FFT 연산을 수행하여 주파수 영역 신호로 변환하며, 213 단계에서 복조하고자 하는 PRS의 위치에서의 채널을 추정하며, 214 단계에서 상기 추정된 채널 주파수 응답으로부터 IFFT 연산을 이용하여 CIR을 획득한다.
여기서, 상기 수신기는 213 단계 및 220 단계에서 OTDOA 추정 시, 동기 네트워크 및 비동기 네트워크 각각에서 발생되는 OTDOA 추정 성능 열화를 개선하기 위해 OTDOA 추정 장치는 아래 도 3과 같이 구성된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수신기에서 OTDOA 추정 장치를 간략하게 보이고 있다.
도 3을 참조하면, OTDOA 추정 장치는 제어기(310), CIR 추정부(320), 서빙 셀의 PRS 제거기(340), CIR 누적기(360), 임계값 제어기(370) 및 경로 검출기(380)를 포함하며, 상기 CIR 추정부(320)는 윈도우 위치 제어기(321), 주기 상관관계기(323) 및 RS 생성기(322)를 포함한다.
먼저, CIR 추정부(320)의 윈도우 위치 제어기(321)는 신호를 수신하여, 수신된 신호(즉, 복조하고자 하는 PRS)의 심볼 별로, 셀간 전송 기준 시각 차이에 따라 동기 네트워크의 신호인지 또는 비동기 네트워크의 신호인지 판단하여, 판단 결과를 제어기(310) 및 주기 상관관계기(323)로 전달한다.
그리고 상기 제어기(310)는 상기 윈도우 위치 제어기(321)의 판단에 따라 전체 시스템 동작에 필요한 정보를 윈도우 위치 제어기(321), RS 생성기(322), 및 임계값 제어기(370)로 제공한다.
여기서, 상기 제어기(310)는 윈도우 위치 제어기(321)로부터 수신된 신호가 동기 네트워크의 신호임 전달받은 경우, RS 생성기(322) 및 임계값 제어기(370)를 동기 네트워크에 따라 동작하도록 제어하고, 윈도우 위치 제어기(321)로부터 수신된 신호가 비동기 네트워크의 신호임 전달받은 경우, RS 생성기(322) 및 임계값 제어기(370)를 비동기 네트워크에 따라 동작하도록 제어한다.
먼저, 상기 수신된 신호가 동기 네트워크의 신호인 경우, 상기 제어기(310)의 제어에 따라 RS 생성기(322)는 인접 셀의 PRS를 주기 상관관계기(323)로 전달한다. 그리고 상기 주기 상관관계기(323)는 상기 수신된 신호와 인접 셀의 PRS를 근거로 CIR을 추정하고, 상기 추정된 CIR을 서빙 PRS 제거기(340)로 전달한다.
상기 서빙 PRS 제거기(340)는 OTDOA 추정 성능 열화를 개선하기 위해 아래 <수학식 4>를 이용하여 상기 추정된 CIR에서 서빙 셀의 PRS를 제거한다.
즉, 본 발명의 실시 예에서 수신기의 서빙 PRS 제거기(340)는 동기 네트워크의 중첩된 셀 ID 환경에서 발생되는 OTDOA 추정 성능 열화를 개선하기 위해 다음과 같이 동작한다.
3GPP LTE 시스템에서는 PRS의 부반송파 위치 할당이
Figure 112010052257220-pat00010
에 의해 결정되기 때문에 PRS를 전송하는 기지국의 셀 ID 셋이 {0, 6, 12} 값을 갖는 경우에는 각 기지국에서 할당되는 PRS가 동일한 부반송파 위치에 할당되며, 이에 따라서 동기 네트워크의 경우 PRS간의 간섭으로 인한 OTDOA 추정 성능 열화가 발생하게 된다.
아래 <수학식 3>은 PRS를 전송하는 기지국의 셀 ID 셋이 {0, 1, 2} 값을 갖는 경우와 {0, 6, 12} 값을 갖는 경우 수신기에서 FFT 이후 주파수 영역 수신 신호를 나타낸다.
Figure 112010052257220-pat00011
상기 <수학식 3>에서 k와 l은 부반송파 인덱스와 심벌 인덱스를 의미하며, N NC 는 인접 셀의 수,
Figure 112010052257220-pat00012
는 j 번째 인접 셀의 PRS,
Figure 112010052257220-pat00013
는 인접 기지국과 단말간의 CFR(Channel Frequency Response)이고, k∈S j , S j 는 <수학식 2>에 의해 결정되는 j 번째 인접 셀의 PRS 위치 집합이다.
<수학식 3>에서와 같이 셀 ID 셋이 {0, 1, 2} 값인 경우에는 각 셀에서 전송되는 PRS간의 직교성이 유지되어 간섭 없이 복조가 가능하나, 셀 ID 셋이 {0, 6, 12} 값을 갖는 경우에는 각 셀에서 전송되는 PRS가 동일한 부반송파 위치에 할당되어 전송되기 때문에 PRS 간의 간섭으로 인한 OTDOA 추정 성능 열화가 발생하게 되며, 이러한 OTDOA 추정 성능 열화는 단말의 위치가 서빙 셀의 기지국에 가까울수록, 즉 복조하고자 하는 인접 셀의 PRS
Figure 112010052257220-pat00014
와 주요 간섭으로 작용하는 서빙 셀의 PRS
Figure 112010052257220-pat00015
의 수신 전력 차이가 증가할수록 크게 발생한다.
이에 따라 <수학식 3>에서와 같이 성능 열화의 주요 요인이 되는 서빙 셀의 PRS는 CFR(Channel Frequency Response)과 서빙 셀의 PRS의 곱으로 표현되며, 이때 단말에서 각 기지국으로부터 전송되는
Figure 112010052257220-pat00016
(j=S, 서빙 셀의 PRS)를 알고 있기 때문에 서빙 셀의 기지국과 단말간의 CFR의 항
Figure 112010052257220-pat00017
를 알 수 있다면 상기 서빙 PRS 제거기(340)는 상기 추정된 CIR로부터
Figure 112010052257220-pat00018
에 해당하는 값을 제거함으로써 서빙 셀의 PRS로 인한 성능 열화를 감소시킬 수 있다.
또한 3GPP LTE 시스템에서는 PRS 및 데이터 서브프레임의 전송 유무에 관계없이 항상 CRS를 전송하며, 이때 전송되는 CRS와 PRS는 각기 다른 심볼에 할당되므로 만약 동기 네트워크의 셀 ID 셋이 {0, 6, 12} 값과 같이 PRS가 중첩되어 전송되는 경우에는 수신된 CRS로부터 서빙 셀의 CFR을 획득하여 이후 수신되는 PRS 심볼에서
Figure 112010052257220-pat00019
를 제거할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시 예에서 서빙 셀의 CRS를 이용한 서빙 셀의 PRS 제거 방식은 아래 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010052257220-pat00020
상기 <수학식 4>에서
Figure 112010052257220-pat00021
는 서빙 셀의 CRS로부터 획득한 서빙 셀의 기지국과 단말간의 CFR을 의미한다.
각 기지국과 단말간의 CIR은 아래 <수학식 5>와 같이 수신 PRS로부터 획득한 CFR을 이용하여 얻을 수 있다.
Figure 112010052257220-pat00022
3GPP LTE 시스템에서는 인접 셀의 PRS의 가청성 향상을 위해 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이 노멀 서브프레임(normal subframe)의 경우 8개, 확정된 CP(cyclic prefix)의 경우 6개의 심볼에 PRS를 할당하며, 필요에 따라 {1, 2, 4, 6}개의 연속적인 PRS 서브프레임의 전송이 가능하다. 따라서 연속된 NSF개의 PRS 서브프레임을 통해 누적된
Figure 112010052257220-pat00023
은 아래 <수학식 6>과 같이 표현된다.
Figure 112010052257220-pat00024
상기 <수학식 6>에서 i는 서브프레임 인덱스를 의미하고, Np는 1 서브프레임 내의 PRS 심볼의 수를 의미하는 것으로 노멀 서브프레임의 경우 8 및 extended 서브프레임의 경우 6의 값을 갖는다.
그리고, 임계값 제어기(370)는 제어기(310)의 제어에 의해 동기 네트워크인 경우, PNR(Path to Noise power Ratio) 임계값
Figure 112010052257220-pat00025
을 아래 <수학식 7>을 이용하여 계산한다.
Figure 112010052257220-pat00026
상기 <수학식 7>에서 P는 PRS의 총 전력, J0는 0번째 베셀함수(zero-th order Bessel function of the first kind), fD는 최대 도플러 주파수, Ts는 OFDM 심볼 길이, 및
Figure 112010052257220-pat00027
는 인접한 CIR간의 심볼 인덱스 차이를 의미한다.
그리고 CIR 누적기(360)는 상기 수신된 신호의 심볼 별로 상기 서빙 PRS 제거기(340)로부터 전달받은 최종 CIR을 누적하며, 누적된 CIR을 경로 검출기(380)로 전달한다. 이에 경로 검출기(380)는 채널의 다중 경로 지연으로 인한 성능 열화를 방지하기 위해서 상기 누적된 CIR 및 임계값을 통해 첫 번째 경로를 검출하여 OTDOA를 추정한다.
이에 수신기에서 수신된 신호가 동기 네트워크의 신호인 경우 아래 도 4a, 도 4b 및 도 5에서와 같은 OTDOA 추정 성능을 나타낼 수 있다.
도 4a 및 도 4b 는 셀 ID 셋 할당에 따른 OTDOA 추정 성능을 보이고 있는 것이다.
본 발명의 실시 예에서의 서빙 CRS를 이용한 채널 추정 알고리즘은 간단한 형태인 선형 삽입 방식을 사용하였을 때, 도 4a는 셀 ID 셋이 {0, 1, 2} 값인 경우와 {0, 6, 12} 값인 경우의 OTDOA 추정 성능을 보인 것이다.
도 4a에서와 같이 셀 ID 셋이 {0, 6, 12} 값인 경우 중첩된 PRS로 인한 성능 열화가 발생하며, 이러한 성능 열화는 단말이 서빙 셀에 가까울수록 심각하게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
그리고 도 4b는 뮤팅을 적용한 경우와 본 발명의 실시 예에 따른 OTDOA 추정 성능을 비교한 것으로, 도시한 바와 같이 뮤팅이 지원되는 경우에는 셀 ID가 {0, 1, 2} 값과 같이 할당된 경우와 유사한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 그리고 본 발명의 실시 예에서의 OTDOA 추정 성능이 채널 추정 알고리즘에 의존하기 때문에 뮤팅이 지원되는 경우에 비해 다소 성능 열화가 발생하나, 채널 추정 오차로 인한 성능 열화는 연속된 PRS 서브프레임의 수가 증가할수록 감소되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 동기 네트워크에서 OTDOA 추정과 위치 추정 알고리즘과의 연동 성능으로서 추정된 OTDOA 값을 위치 추정 알고리즘을 통해 단말의 위치를 추정한 값과 실제 단말의 위치와의 오차를 CDF(Cumulative Distribution Function)으로 나타낸 것이다. 여기서 위치 추정 알고리즘은 널리 사용되는 반복적인 테일러 급수(Taylor series) 방식을 사용하였으며 5회의 반복 연산을 통해 단말의 위치를 추정한 것이며, OTDOA 추정은 연속된 6개의 PRS 서브프레임을 통해 추정된 것이다.
도 5에 나타낸 바와 같이 셀 ID가 {0, 1, 2} 값과 같이 할당된 경우 가장 정확한 추정 성능을 보임을 확인할 수 있으며, 셀 ID가 {0, 6, 12} 값과 같이 할당된 경우 심각한 추정 성능 열화가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한 뮤팅이 지원되는 경우에는 셀 ID가 {0, 1, 2} 값인 경우 유사한 성능을 나타내며, 본 발명의 실시 예의 경우 뮤팅이 지원되는 경우와 비교했을 때 약간의 추정 오차가 발생하나 거의 유사한 성능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 제어기(310)는 윈도우 위치 제어기(321)로부터 수신된 신호가 비동기 네트워크의 신호임 전달받은 경우, RS 생성기(322) 및 임계값 제어기(370)를 비동기 네트워크에 따라 동작하도록 제어한다.
여기서, 상기 수신된 신호가 비동기 네트워크의 신호인 경우, 상기 제어기(310)의 제어에 따라 상기 RS 생성기(322)는 수신된 신호들의 윈도우의 주기를 일치시키기 위하여 도 8과 같이 크로스 상관관계 방식을 이용하여 새로운 PRS를 생성한다. 상세히 설명하면, 수신기에서 수신된 신호가 비동기 네트워크의 신호인 경우, 도 6과 같은 문제점을 해결하기 위하여 RS 생성기(322) 및 임계값 제어기(370)는 도 8 및 도 9와 같이 동작한다.
도 6은 비동기 네트워크에서 OTDOA 추정시 발생되는 문제점을 나타낸 것이다.
상관관계 윈도우(또는 FFT 윈도우)(610) 내에 서빙 셀의 PRS(620)와 인접 셀의 PRS의 한 심볼 주기가 모두 존재하여 PRS 간 직교성이 유지되는 동기 네트워크와는 달리, 비동기 네트워크에서는 도 6과 같이 각 셀마다 전송 기준 시각이 다르기 때문에 어느 위치의 윈도우 내에서도 각 PRS의 한 심볼 주기가 모두 정확히 일치하여 수신되기 어렵다. 따라서 윈도우 내에 이전 심볼의 후반부(621, 641)와 이후 심볼의 전반부(622, 642)가 함께 존재하게 되고, 상관관계 또는 FFT/IFFT 연산을 통해 CIR을 획득하는 과정에서 직교성의 파괴로 인한 성능 열화가 발생하게 된다. 또한 상기 직교성 파괴로 인산 성능 열화는 수신된 신호의 전력 차이로 인해 동기 네트워크의 셀 ID 문제에서와 동일하게 단말의 위치가 서빙 셀 기지국에 가까울수록 크게 발생한다. 현재 3GPP LTE 시스템의 표준화 단체에서는 위와 같은 PRS 간의 직교성 파괴로 인한 추정 성능 열화를 방지하기 위해 셀마다 서빙 셀의 PRS(620)를 번갈아 가며 전송하지 않는 서빙 셀 PRS 뮤팅에 대한 성능 평가 및 표준화 여부에 대해 연구가 진행되고 있으나, 뮤팅이 지원되는 경우에도 복조하고자 하는 인접 셀의 PRS(630) 이외의 다른 PRS(640)에 의한 성능 열화가 발생하기 때문에 동기 네트워크에 비해 추정 성능이 열화된다.
도 7a 및 도 7b는 비동기 네트워크에서의 OTDOA 추정 성능을 비교한 것이다.
도 7a는 비동기 네트워크에서 뮤팅의 지원 유무에 따른 OTDOA 추정 성능을 비교한 것으로, 뮤팅이 지원되지 않는 경우 직교성 파괴 및 간섭으로 인한 성능 열화가 크게 발생하며, 이러한 성능 열화는 뮤팅을 통해 개선할 수 있음을 확인할 수 있다.
그러나, 도 7b와 같이 뮤팅이 지원되는 경우에도 윈도우 내의 복조하고자 하는 PRS 이외의 다른 인접 셀에서 전송된 PRS에 의한 성능 열화가 발생하기 때문에, 동기 네트워크 환경에 비해 다소 성능 열화가 발생함을 확인할 수 있다.
이에 비동기 네트워크에서 셀간 전송 기준 시각 차이로 인해 발생하는 성능 열화를 뮤팅을 통해 개선할 수 있지만, 뮤팅을 지원하기 위해서는 뮤팅 스케줄링을 위한 네트워크단의 추가적인 복잡도가 요구될 뿐만 아니라, 뮤팅은 기본적으로 기지국간 번갈아 가며 PRS를 전송하지 않기 때문에 전체적인 위치(positioning) 서비스의 효율이 감소한다. 따라서 본 발명의 실시 예에서는 비동기 네트워크에서 뮤팅이 지원되지 않는 경우에도 안정적이고 정확한 OTDOA 추정을 위한 아래 도 8과 같은 새로운 PRS 생성 방식을 제안한다.
비동기 네트워크에서 주요 성능 열화 원인인 서빙 셀의 PRS와 인접 셀의 PRS 간의 직교성 파괴로 인한 성능 열화를 방지하기 위해서는 상관관계 윈도우 내의 서빙 셀의 PRS와 인접 셀의 PRS 모두 직교성이 보정되어야 한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 비동기 네트워크에서의 크로스 상관관계 방식을 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, PRS 생성 방식은 서빙 셀의 TTI(Transmission Time Interval)(일 예로, PRS가 포함되어 있을 수 있음)의 유효 심볼 구간에 상관관계 윈도우(810)를 위치시키며, 서빙 셀의 TTI(820)와 인접 셀의 PRS 간의 직교성을 보장하기 위해 기존의 인접 셀의 PRS(830)의 윈도우 위치를 벗어나는 이전 심볼의 전반부(831)와 이후 심볼의 후반부(832)를 기존의 PRS(830)에 더해 새로운 PRS(833)를 생성한다. 따라서 생성된 PRS(833)는 인접 셀의 PRS 1(834)과 PRS 2(835)가 더해진 형태로 표현되며, 각각 상관관계 윈도우 내에 한 주기가 포함되기 때문에 서빙 셀의 PRS와 직교성을 유지할 수 있게 된다.
이에 따라, 동기 네트워크에서와 같이 주기 상관관계기(323)는 수신된 신호와 상기 생성된 PRS를 근거로 CIR을 추정하고 상기 추정된 CIR을 서빙 PRS 제거기(340)로 전달한다. 그리고 상기 서빙 PRS 제거기(340)는 상기 추정된 CIR로부터 상기 <수학식 4>를 근거로 서빙 PRS를 제거하여 최종 CIR을 획득한다. 또한 CIR 누적기(360)는 상기 수신된 신호의 심볼 별로 상기 서빙 PRS 제거기(340)로부터 전달받은 최종 CIR을 누적한다.
그리고 도 3의 임계값 제어기(370)는 비동기 네트워크에서의 크로스 상관관계 방식을 위해 아래 도 9에서와 같이 임계값을 재설정한다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 비동기 네트워크에서의 크로스 상관관계 방식을 위한 임계값 재설정 방식을 나타낸 것이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 크로스 상관관계 방식의 상관관계 윈도우(910, 911)가 서빙 셀의 PRS의 유효 심볼 구간을 기준으로 위치하고, PRS 서브프레임 내의 PRS 심볼이 노멀 CP의 경우 {3, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 13}과 같이 불연속적인 위치에 할당되기 때문에 상관관계 윈도우 내에 복조하고자 하는 PRS의 전체 심볼이 수신되지 않는 경우가 발생한다. 따라서 동기 네트워크에서의 최대 상관관계 값에 대해 본 발명의 실시 예에 따른 크로스 상관관계 방식의 최대 상관관계 값이 복조하고자 하는 PRS 심볼의 부족한 길이(920)에 비례하여 감소하게 되고, 이에 따른 임계값의 재설정이 필요하다. 따라서, 임계값 제어기(370)는 아래 <수학식 8>을 이용하여 셀간 전송 기준 시각 차이에 따른 임계값을 재설정한다.
Figure 112010052257220-pat00028
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 크로스 상관관계 방식과 뮤팅이 지원되는 기존의 상관관계 방식과의 OTDOA 추정 성능을 비교한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 크로스 상관관계 방식을 통해 뮤팅이 지원되지 않는 경우에도 뮤팅이 지원되는 기존의 방식과 유사한 추정 성능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
도 11은 비동기 네트워크에서의 OTDOA 추정과 위치 추정 방법의 연동 성능을 나타낸 것이다.
도 11을 참조하면, 비동기 네트워크에서는 종래 상관관계 기법을 이용하여 OTDOA를 추정하는 경우 PRS간의 직교성 파괴로 인한 성능 열화가 발생하며, 이러한 성능 열화는 서빙 셀의 PRS 뮤팅을 통해 개선될 수 있다. 또한 본 발명의 실시 예에 따른 크로스 상관관계 방식을 통해서 뮤팅이 지원되지 않는 경우에도 뮤팅이 지원되는 종래의 방식과 유사한 성능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 수신기에서 OTDOA 추정 방법을 보이고 있다.
도 12를 참조하면, 1201 단계에서 윈도우 위치 제어기(320)는 송신기로부터 신호를 수신하고, 1203 단계에서 상기 수신된 신호가 동기 네트워크의 신호인지 판단하여 동기 네트워크의 신호인 경우 1205 단계로 진행하고, 동기 네트워크의 신호가 아닌 경우(즉, 비동기 네트워크의 신호인 경우) 1213 단계로 진행한다.
상기 1205 단계에서 주기 상관관계기(323)는 상기 수신된 신호와 RS 신호 생성기(322)로부터 전달받은 인접 셀의 PRS를 근거로 CIR을 추정한다. 그리고 1207 단계에서 서빙 PRS 제거기(340)는 상기 <수학식 4>를 이용하여 상기 추정된 CIR에서 서빙 셀의 PRS를 제거하여 최종 CIR을 획득한다. 이때, 1203 단계 내지 1207 단계는 수신된 신호의 심볼 별로 수행되며, 수신된 신호의 모든 심볼에 대하여 최종 CIR이 획득되면, 획득된 최종 CIR들은 1209 단계로 전달된다.
1209 단계에서 임계값 제어기(370)는 <수학식 7>을 이용하여 셀간 전송 기준 시각에 대한 임계값을 설정하며, 1211 단계에서 경로 검출기(380)는 상기 최종 CIR과 임계값을 이용하여 첫 번째 경로를 검출하여 OTDOA 추정을 수행한다.
반면, 1203 단계에서 윈도우 위치 제어기(320)의 판단결과 동기 네트워크의 신호가 아닌 경우, 상기 1213 단계에서 RS 생성기(322)는 도 8과 같이 크로스 상관관계 방식을 이용하여 새로운 PRS 신호를 생성하고, 주기 상관관계기(323)는 상기 수신된 신호와 생성된 PRS 신호를 근거로 CIR을 추정한다. 그리고 1215 단계에서 서빙 PRS 제거기(340)는 상기 1207 단계에서의 동작과 같이 상기 <수학식 4>를 이용하여 상기 추정된 CIR에서 서빙 셀의 PRS를 제거하여 최종 CIR을 획득한다. 그리고 1217 단계에서 임계값 설정기(370)는 셀간 전송 기준 시각 차이에 대하여 상기 <수학식 8>을 이용하여 임계값을 재설정한다. 그리고 1211 단계에서 경로 검출기는 상기 최종 CIR과 임계값을 이용하여 첫 번째 경로를 검출하여 OTDOA 추정을 수행한다.
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 특허 청구의 범위뿐만 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (15)

  1. 이동통신시스템의 수신기에서 단말의 위치 추정을 위한 OTDOA(Observed Time Difference Of Arrival)를 추정하는 방법에 있어서,
    상기 수신기에서 수신된 신호의 셀간 전송 기준 시각 차이에 따라 주기 상관관계를 수행하여 인접 셀과 상기 단말 간의 CIR(Channel Impulse Response)을 추정하는 과정과,
    서빙 셀의 CRS(Cell-specific Reference Signal)를 근거로 상기 추정된 CIR에서 상기 서빙 셀의 PRS(Positioning Reference Signal)를 제거하여 최종 CIR을 획득하는 과정과,
    상기 셀간 전송 기준 시간 차이에 따른 PNR(Path to Noise power Ratio)의 임계값을 설정하는 과정과,
    상기 최종 CIR과 상기 설정된 임계값을 이용하여 상기 수신된 신호의 첫 번째 도달 경로를 검출하는 과정을 포함하는 OTDOA 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 최종 CIR을 획득하는 과정은,
    아래 <수학식 9>를 이용하여 상기 서빙 셀의 PRS를 제거하며,
    <수학식 9>
    Figure 112010052257220-pat00029

    여기서,
    Figure 112010052257220-pat00030
    는 서빙 셀의 기지국과 단말간의 CFR(Channel Frequency Response),
    Figure 112010052257220-pat00031
    는 서빙 CRS로부터 획득한 서빙 셀의 기지국과 단말간의 CFR,
    Figure 112010052257220-pat00032
    는 서빙 셀의 PRS,
    Figure 112010052257220-pat00033
    는 채널을 지나 수신된 인접 셀의 PRS, N NC 는 인접 셀의 수 및
    Figure 112010052257220-pat00034
    는 잡음성분을 나타냄을 특징으로 하는 OTDOA 추정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 CIR을 추정하는 과정은,
    상기 셀간 전송 기준 시각 차이에 근거하여 상기 수신된 신호가 동기 네트워크의 신호인지 비동기 네트워크의 신호인지를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 CIR을 추정함을 특징으로 하는 OTDOA 추정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 판단 결과, 상기 수신된 신호가 상기 동기 네트워크의 신호인 경우,
    상기 수신된 신호와 상기 인접 셀의 PRS를 이용하여 상기 CIR를 추정함을 특징으로 하는 OTDOA 추정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 임계값을 설정하는 과정은,
    아래 <수학식 10>을 이용하여 임계값을 설정하며,
    <수학식 10>
    Figure 112010052257220-pat00035

    여기서,
    Figure 112010052257220-pat00036
    는 상기 임계값, P는 PRS의 총 전력, J0는 0번째 베셀함수(zero-th order Bessel function of the first kind), fD는 최대 도플러 주파수, Ts는 OFDM 심볼 길이, 및
    Figure 112010052257220-pat00037
    는 인접한 CIR간의 심볼 인덱스 차이를 나타냄을 특징으로 하는 OTDOA 추정 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 판단 결과, 상기 수신된 신호가 상기 비동기 네트워크의 신호인 경우, 상기 인접 셀의 PRS의 윈도우 위치를 벗어나는 이전 심볼의 전반부와 이후 심볼의 후반부 각각을 상기 인접 셀의 PRS의 윈도우 내에 위치하는 각 심볼에 더하여 새로운 PRS를 생성하고,
    상기 수신된 신호와 상기 생성된 새로운 PRS를 이용하여 상기 CIR를 추정함을 특징으로 하는 OTDOA 추정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 임계값을 설정하는 과정은,
    아래 <수학식 11>을 이용하여 임계값을 재설정하며,
    <수학식 11>
    Figure 112010052257220-pat00038

    Figure 112010052257220-pat00039
    는 이전 설정된 임계값,
    Figure 112010052257220-pat00040
    는 상기 재설정된 임계값, Ts는 OFDM 심볼 길이, Tcp는 OFDM CP(cyclic prefix) 길이 및
    Figure 112010052257220-pat00041
    는 셀간 신호의 시간차이를 나타냄을 특징으로 하는 OTDOA 추정 방법.
  8. 이동통신시스템의 수신기에서 단말의 위치 추정을 위한 OTDOA(Observed Time Difference Of Arrival)를 추정하는 장치에 있어서,
    상기 수신기에서 수신된 신호의 셀간 전송 기준 시각 차이에 따라 주기 상관관계를 수행하여 인접 셀과 상기 단말 간의 CIR(Channel Impulse Response)을 추정하는 CIR 추정기와,
    상기 추정된 CIR에서 서빙 셀의 CRS(Cell-specific Reference Signal)를 근거로 상기 서빙 셀의 PRS(Positioning Reference Signal)를 제거하여 최종 CIR을 획득하는 서빙 PRS 제거기와,
    상기 셀간 전송 기준 시간 차이에 따른 PNR(Path to Noise power Ratio)의 임계값을 설정하는 임계값 제어기와,
    상기 최종 CIR과 상기 설정된 임계값을 이용하여 상기 수신된 신호의 첫 번째 도달 경로를 검출하는 경로 검출기를 포함하는 OTDOA 추정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 수신된 신호의 셀간 전송 기준 시각 차이에 따라 상기 CIR 추정기와 상기 임계값 제어기의 동작을 제어하는 제어기를 더 포함함을 특징으로 하는 OTDOA 추정 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 서빙 PRS 제거기는,
    아래 <수학식 12>를 이용하여 상기 서빙 셀의 PRS를 제거하며,
    <수학식 12>
    Figure 112010052257220-pat00042

    여기서,
    Figure 112010052257220-pat00043
    는 서빙 셀의 기지국과 단말간의 CFR(Channel Frequency Response),
    Figure 112010052257220-pat00044
    는 서빙 CRS로부터 획득한 서빙 셀의 기지국과 단말간의 CFR,
    Figure 112010052257220-pat00045
    는 서빙 셀의 PRS,
    Figure 112010052257220-pat00046
    는 인접 셀의 PRS, N NC 는 인접 셀의 수, j는 셀 인덱스(Cell index) 및
    Figure 112010052257220-pat00047
    는 잡음성분을 나타냄을 특징으로 하는 OTDOA 추정 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 CIR 추정기는,
    상기 셀간 전송 기준 시각 차이에 근거하여 상기 수신된 신호가 동기 네트워크의 신호인지 비동기 네트워크의 신호인지 판단하는 윈도우 위치 제어기와,
    상기 CIR을 추정하기 위한 신호를 생성하는 RS 생성기와,
    상기 수신된 신호와 상기 RS 생성기에서 생성된 신호를 이용하여 상기 CIR를 추정하는 주기 상관관계기를 포함함을 특징으로 하는 OTDOA 추정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 수신된 신호가 상기 동기 네트워크의 신호인 경우,
    상기 RS 생성기는 상기 인접 셀의 PRS를 출력하며,
    상기 주기 상관관계기는 상기 수신된 신호와 상기 인접 셀의 PRS를 이용하여 상기 CIR을 추정함을 특징으로 하는 OTDOA 추정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 임계값 제어기는,
    아래 <수학식 13>을 이용하여 임계값을 설정하며,
    <수학식 13>
    Figure 112010052257220-pat00048

    여기서,
    Figure 112010052257220-pat00049
    는 상기 임계값, P는 PRS의 총 전력, J0는 0번째 베셀함수(zero-th order Bessel function of the first kind), fD는 최대 도플러 주파수, Ts는 OFDM 심볼 길이 및
    Figure 112010052257220-pat00050
    는 인접한 CIR간의 심볼 인덱스 차이를 나타냄을 특징으로 하는 OTDOA 추정 장치.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 CIR 추정기는,
    상기 수신된 신호가 상기 비동기 네트워크의 신호인 경우,
    상기 RS 생성기는 인접 셀의 PRS의 윈도우 위치를 벗어나는 이전 심볼의 전반부와 이후 심볼의 후반부 각각을 상기 인접 셀의 PRS의 윈도우 내에 위치하는 각 심볼에 더하여 새로운 PRS를 생성하며,
    상기 주기 상관관계기는 상기 수신된 신호와 상기 생성된 새로운 PRS를 이용하여 상기 CIR을 추정함을 특징으로 하는 OTDOA 추정 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 임계값 제어기는,
    아래 <수학식 14>을 이용하여 임계값을 재설정하며,
    <수학식 14>
    Figure 112010052257220-pat00051

    Figure 112010052257220-pat00052
    는 이전 설정된 임계값,
    Figure 112010052257220-pat00053
    는 상기 재설정된 임계값, Ts는 OFDM 심볼 길이, Tcp는 OFDM CP(cyclic prefix) 길이 및
    Figure 112010052257220-pat00054
    는 두 셀간의 동기 차이를 나타냄을 특징으로 하는 OTDOA 추정 장치.
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