KR102246274B1

KR102246274B1 - 무선 통신시스템의 거리 측정을 위한 오차 보상 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102246274B1
Application number: KR1020140020419A
Authority: KR
Inventors: 오종호; 김재화; 윤정민; 윤성록; 장상현; 하길식
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2021-04-29
Also published as: US10732275B2; EP3109665A1; EP3109665B1; WO2015126125A1; US20170059701A1; EP3109665A4; KR20150098985A; CN106068464A

Abstract

본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템의 무선 기기를 통하여 신호를 송수신하는 것을 이용하여 거리를 측정 시 생길 수 있는 측정 오차를 보상하는 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 통신시스템에서 거리 측정을 위한 제1 무선 기기의 장치는, 요청 레인지 패킷을 제2 무선 기기로 송신하고, 상기 제2 무선 기기로부터 상기 요청 레인지 패킷에 대응하는 응답 레인지 패킷을 수신하는 송수신기; 및 상기 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이와, 상기 제2 무선 기기에 의해 상기 요청 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이와, 상기 제1 무선 기기의 내부 회로 지연에 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 레인지 추정기를 포함한다.

Description

무선 통신시스템의 거리 측정을 위한 오차 보상 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COMPENSATING ERROR IN RANGE ESTIMATION IN A WIRELESS COMMUNICATIONSYSTEM}

본 발명은 무선 통신시스템의 무선 기기를 통한 신호 송수신에 관한 것이다.

최근에 무선 통신기술들이 발전함에 따라 무선 기기를 통한 신호의 송수신이 증가하고 있다. 사용자들은 스마트폰과 같이 무선 접속 가능한 무선 기기를 통해 신호를 송수신하면서 각종 데이터(예; 동영상, 음악, 사진, 문서 등의 멀티미디어 데이터)를 송신 및 수신함으로써 여러 서비스를 제공받을 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리를 측정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리를 고해상도로 측정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리를 빠르게 측정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리를 측정할 시 다중경로 채널의 영향으로 인한 부정확도에 대한 정보를 제공하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리를 측정할 시 전력소모를 최소화하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리를 측정할 시 무선 기기 내부의 회로 지연을 보상함으로써 무선 기기들 사이의 거리를 정확하게 추정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템의 무선 기기를 통하여 신호를 송수신하는 것을 이용하여 거리를 측정 시 생길 수 있는 측정 오차를 보상하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리를 측정하는 방법을 이용하여 거리 측정 오차를 측정하여 거리 측정 오차 보상에 최적화된 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 통신시스템에서 거리 측정을 위한 제1 무선 기기의 장치는, 요청 레인지 패킷을 제2 무선 기기로 송신하고, 상기 제2 무선 기기로부터 상기 요청 레인지 패킷에 대응하는 응답 레인지 패킷을 수신하는 송수신기; 및 상기 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이와, 상기 제2 무선 기기에 의해 상기 요청 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이와, 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기의 내부 회로 지연에 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 레인지 추정기를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 무선 통신시스템에서 거리 측정을 위한 제1 무선 기기의 동작 방법은, 요청 레인지 패킷을 제2 무선 기기로 송신하는 과정; 상기 제2 무선 기기로부터 상기 요청 레인지 패킷에 대응하는 응답 레인지 패킷을 수신하는 과정; 및 상기 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이와, 상기 제2 무선 기기에 의해 상기 요청 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이와, 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기의 내부 회로 지연에 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 과정을 포함한다.

본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기를 통하여 신호를 주고 받는 것을 이용하여 수 cm 해상도를 가지는 거리 측정을 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 레인지 패킷을 사용함으로써 무선 기기들 사이의 거리를 빠르게 측정할 수 있고, 다중경로 채널의 영향으로 생길 수 있는 거리 측정의 부정확도(신뢰도)를 사용자에게 제공할 수 있고, 기존 모뎀에서 사용되는 신호들을 이용함으로써 레인지 추정기의 전력 소모를 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리를 측정할 시 거리 측정의 오차로서 존재하는 무선 기기 내부의 회로 지연을 보상함으로써 무선 기기들 사이의 거리를 정확하게 추정할 수 있다.

본 발명 및 그의 효과에 대한 보다 완벽한 이해를 위해, 첨부되는 도면들을 참조하여 하기의 설명들이 이루어질 것이고, 여기서 동일한 참조 부호들은 동일한 부분들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 무선 기기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 무선 기기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예들에 따른 무선 기기에 의한 거리 측정 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 DMG 레인지 엘레멘트의 구성을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레인지 능력 정보 필드의 구성을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 요청 레인지 패킷 가운데 널 데이터 패킷의 구성을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 무선 기기들 사이에서의 신호 송수신 절차를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 개시기와 응답기 사이에서 송수신되는 신호들을 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작 위한 레인지 오차 보상 모듈의 연결 구성을 보여주는 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 무선 기기의 내부 회로 지연이 측정됨을 보여주는 도면들이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 개시기와 응답기 사이에서 송수신되는 신호들을 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 개시기의 내부 회로 지연의 변화량을 측정하는 동작을 보여주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따라 오차없는 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 레인지 추정기와 아날로그/디지털 변환기 및 디지털/아날로그 변환기 사이의 연결 구성을 보여주는 도면이다.

본 특허 명세서에서 본 발명의 원리들을 설명하기 위해 사용되어지는 도 1 내지 도 17은 단지 예시를 위한 것인 바, 발명의 범위를 제한하는 어떠한 것으로도 해석되어져서는 아니된다. 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 원리들이 적절하게 배치된 임의의 무선 통신시스템에서도 구현되어질 수 있음을 이해할 것이다.

하기에서 설명될 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기를 통하여 신호를 주고 받는 것을 이용하여 수 센티미터(cm) 해상도를 가지는 거리를 측정하는 장치 및 방법을 제안한다. 특히, 본 발명의 실시예들은 고해상도를 가지는 거리 측정을 위한 신호처리 방법과 무선 기기들 사이의 빠른 거리 측정을 위한 신호 처리 방법을 제안한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 다중경로 채널의 영향으로 생길 수 있는 거리 측정의 부정확도를 해결하면서 전력 소모를 최소화하는 장치도 제안한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리를 측정할 시 무선 기기 내부의 회로 지연을 보상함으로써 무선 기기들 사이의 거리를 정확하게 추정할 수 있는 장치 및 방법을 제안한다.

일 예로, 본 발명의 실시예에 있어서 무선 기기는 스마트폰(smart phone)과 같이 무선 접속 기능을 가지는 휴대용 전자 장치(portable electronic device)일 수 있다. 다른 예로, 무선 기기는 휴대용 단말기(portable terminal), 이동 전화(mobile phone), 이동 패드(mobile pad), 미디어 플레이어(media player), 태블릿 컴퓨터(tablet computer), 핸드헬드 컴퓨터(handheld computer), 무선 접속 가능한 카메라, 스마트 텔레비전(smart television) 또는 PDA(Personal Digital Assistant)중 하나일 수 있다. 또 다른 예로, 무선 기기는 상술한 장치들 중 둘 이상의 기능들을 결합한 장치일 수 있다.

일 실시예에서, 무선 통신시스템은 디바이스간직접통신(Device-to-Device, D2D) 네트워크가 될 수 있다. 다른 실시예에서, 무선 통신시스템은 무선 랜(Local Area Network, LAN) 네트워크가 될 수 있다. 또다른 실시예에서, 무선 통신시스템은 디바이스들 사이의 그룹 플레이(Group Play) 기능을 지원하는 무선 네트워크가 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 제1 무선기기 100은 거리 측정을 주체하는 무선 기기로 정의되는 개시기(Initiator)로, 레인지 추정기 110과 송수신기 120을 포함한다. 제2 무선기기 200은 제1 무선기기 100이 주체하는 거리 측정의 객체가 되는 무선 기기로 정의되는 응답기(Responder)로, 레인지 추정기 210과 송수신기 220을 포함한다.

송수신기 120은 요청 레인지 패킷을 제2 무선 기기 200으로 송신하고, 제2 무선 기기 200으로부터 요청 레인지 패킷에 대응하는 응답 레인지 패킷을 수신한다. 송수신기 220은 요청 레인지 패킷을 제 1 무선 기기 100으로부터 수신하고, 제 1 무선 기기로 응답 레인지 패킷을 송신한다.

레인지 추정기 110은 제 1 무선 기기 100과 제 2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정한다. 레인지 추정기 110은 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 응답 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이(Ti)와, 제2 무선 기기 200의 레인지 추정기 210에서 구한 요청 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점부터 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이(Tr)와, 제1 무선 기기 100와 제 2 무선 기기 200의 내부 회로 지연에 기반하여 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정한다.

일 실시예에서, 레인지 추정기 110은 제1 무선 기기 100의 내부 회로 지연을 측정하고, 제1 시간차이와, 제2 시간차이 및 제 2 무선 기기 200의 내부 회로 지연에 기반하여 추정되는 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200 사이의 거리를 상기 측정된 내부 회로 지연에 기반하여 오차 보상하는 오차 보상 모듈을 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 무선 기기 100의 구성을 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 제1 무선 기기 100은 매체접근제어(Medium Access Control, MAC) 처리기 105, 베이스밴드(baseband) 처리기 115, 디지털/아날로그 변환기(Digital to Analog Converter, DAC) 125A, 아날로그/디지털 변환기(Analog to Digital Converter, ADC) 125B, 고주파(Radio Frequency, RF)회로/안테나 130을 포함한다. 베이스밴드 처리기 115는 레인징 추정기 110을 포함한다. DAC 125A, ADC 125B 및 RF회로/안테나 130은 도 1의 송수신기 120을 구성한다.

MAC 처리기 105는 거리 측정을 위한 정보를 생성한다. 예를 들어, MAC 처리기 105는 레인지 추정 구간에서 레인지 시작 신호를 생성한다. 다른 예로, MAC 처리기 105는 능력 협상 구간에서DMG(Directional Multigigabit) 레인지 엘레멘트(Range Element)를 포함하는 DMG 비콘 (Beacon), 프로브 요청 (Probe Request), 프로브 응답 (Probe Response), 정보 요청 (Information Request) 또는 정보 응답을 (Information Response) 생성한다. 베이스밴드 처리기 115는 MAC 처리기 105에 의해 생성된 정보를 입력하여 기저대역에서 처리한다. 예를 들어, 베이스밴드 처리기 115는 레인지 시작 신호를 수신하여 처리한 후 요청 레인지 패킷(Range Packet)을 생성한다. DAC 125A는 베이스밴드 처리기 115로부터 제공되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. RF회로/안테나 130은 송수신될 신호를 RF 대역에서 처리하는 RF 회로와, RF 회로에 의해 처리된 송신 신호를 공기 중으로 송신하고, 공기 중으로부터 수신된 신호를 수신하여 RF 회로로 제공하는 안테나를 포함한다. RF회로/안테나 130은 DAC 125A에 의해 변환된 아날로그 신호를 제2 무선 기기 200으로 송신한다.

RF회로/안테나 130은 제2 무선 기기 200으로부터 신호를 수신한다. ADC 125B는 안테나 130을 통해 수신된 제2 무선 기기 200으로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 기저대역 처리기 115는 ADC 125B에 의해 변환된 디지털 신호를 기저대역에서 처리한다. 예를 들어, 기저대역 처리기 115는 수신된 응답 레인지 패킷을 처리하여 제 1 시간 차이를 MAC 처리기 105로 출력한다.

레인지 추정기 110은 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정한다. 레인지 추정기 110은 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 응답 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이(Ti)와, 제2 무선 기기 200에 의해 요청 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점부터 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이(Tr)와, 제1 무선 기기 100과 제 2 무선 기기 200의 내부 회로 지연에 기반하여 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 무선 기기 200의 구성을 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면, 제2 무선 기기 200은 MAC 처리기 205, 베이스밴드 처리기 215, DAC 225A, ADC 225B, RF회로/안테나 230을 포함한다. 베이스밴드 처리기 215는 레인징 추정기 210을 포함한다. DAC 225A, ADC 225B 및 RF회로/안테나 230은 도 1의 송수신기 220을 구성한다.

RF회로/안테나 230은 제1 무선 기기 100으로부터의 신호를 수신한다. 예를 들어, RF회로/안테나 230은 제1 무선 기기 100으로부터 요청 레인지 패킷을 수신한다. ADC 225B는 RF회로/안테나 230을 통해 수신된 제1 무선 기기 100으로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 기저대역 처리기 215는 ADC 225B에 의해 변환된 디지털 신호를 기저대역에서 처리한다. 예를 들어, 기저대역 처리기 215는 수신된 요청 레인지 패킷을 처리하여 MAC 처리기 205로 출력한다.

MAC 처리기 205는 거리 측정을 위한 정보를 수신한다. 예를 들어, MAC 처리기 205는 기저대역 처리기 215로부터 DMG 레인지 엘레멘트를 포함하는 DMG 비콘 (Beacon), 프로브 요청 (Probe Request), 프로브 응답 (Probe Response), 정보 요청 (Information Request) 또는 정보 응답을 (Information Response) 수신한다.

또한, MAC 처리기 205는 거리 측정을 위한 응답 정보를 생성한다. 예를 들어, MAC 처리기 205는 수신된 DMG 레인지 엘레멘트에 대응하는 DMG 레인지 엘레멘트를 포함하는 DMG 비콘 (Beacon), 프로브 요청 (Probe Request), 프로브 응답 (Probe Response), 정보 요청 (Information Request) 또는 정보 응답을 (Information Response) 생성한다.

베이스밴드 처리기 215는 MAC 처리기 205에 의해 생성된 정보를 입력하여 기저대역에서 처리한다. 예를 들어, 기저대역 처리기 215는 수신된 요청 레인지 패킷에 대응하는 응답 레인지 패킷을 생성한다. DAC 225A는 베이스밴드 처리기 215로부터 제공되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. RF회로/안테나 230은 DAC 225A로부터 제공되는 아날로그 신호를 제1 무선 기기 100으로 송신한다.

레인지 추정기 210은 제2 무선 기기 200에 의해 요청 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점부터 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이(Tr)를 구한다. 이렇게 구해진 제2 시간차이(Tr)에 대한 정보는 제1 무선 기기 100으로 송신되어 레인지 추정기 110에 의한 거리 추정시 이용된다.

도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d 는 본 발명의 실시예들에 따른 무선 기기에 의한 거리 측정 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면들이다. 도 4a와 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기기에 의한 거리 측정 동작의 처리 흐름으로, 하나의 구간, 즉 거리를 측정하는 레인징 추정 구간(Range Estimation Period) T100을 포함한다. 도 4c와 도 4d 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 기기에 의한 거리 측정 동작의 처리 흐름으로, 2개의 구간, 즉 거리 측정을 할 수 있는 능력을 서로 교환하는 능력 협상 구간(Capability Negotiation Period) T10과, 거리를 측정하는 레인징 추정 구간(Range Estimation Period) T100을 포함한다. 이때, 도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같이 능력 측정 구간 T10은 수행하지 않고 레인징 추정 구간(Range Estimation Period) T100이 수행될 수도 있음에 유의하여야 한다.

도 4a를 참조하면, 레인지 시작 신호를 바탕으로 개시기 100이 요청 레인지 패킷을 응답기 200으로 송신하고, 요청 레인지 패킷을 수신한 응답기 200은 개시기 100로 응답 레인지 패킷을 송신한다. 요청 레인지 패킷으로 목적지 정보 데이터가 있는 패킷를 사용할 때 이 방법을 이용할 수 있다. 이때, 개시기 100에서 레인지 추정 S140을 하고 응답기 200에서 레인지 추정 S120을 한다.

도 4b를 참조하면, 레인지 시작 신호를 바탕으로 개시기 100이 응답기 200으로 알티에스 (RTS) S140을 송신하고, RTS를 수신한 응답기 200은 개시기 100으로 DMG 씨티에스 (CTS) S150을 송신하면서 개시기 100이 송신할 요청 레인지 패킷의 목적지가 응답기 200임을 확인한다. 요청 레인지 패킷으로 도 7에 도시된 바와 같은 널 데이터 패킷(NDP)를 사용할 때 이 방법을 이용할 수 있다. 이어서, 개시기 100은 요청 레인지 패킷을 확인된 목적지 응답기 200으로 송신하고, 요청 레인지 패킷을 수신한 응답기 200은 개시기 100로 응답 레인지 패킷을 송신한다. 이때, 개시기 100에서 레인지 추정 S140을 하고 응답기 200에서 레인지 추정 S120을 한다.

도 4c와 도 4d를 참조하면, 거리 측정 동작은 거리를 측정을 할 수 있는 능력을 제1 무선 기기 100 및 제2 무선 기기 200이 서로 교환하는 능력 협상 구간 T10과, 거리를 측정하는 거리 추정 구간 T100으로 구분된다.

능력 협상 구간 T10에서, 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200은 자신의 거리 측정 능력을 교환한다. 예를 들어, 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200은 자신의 거리 측정 능력을 도 5에 정의한 지향성 멀티기가비트(Directional Multigigabit, DMG) 레인지 엘레멘트(Range Element)를 포함하는 DMG 비콘 (Beacon), 프로브 요청 (Probe Request), 프로브 응답 (Probe Response), 정보 요청 (Information Request) 또는 정보 응답을 (Information Response) 통하여 주고 받는다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 DMG 레인지 엘레멘트의 구성을 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, DMG 레인지 엘레멘트는 엘레멘트 식별자(Element ID) 필드 10과, 길이(Length) 필드 20과, 레인지 능력 정보(Range Capability Information) 필드 30을 포함한다. 예를 들어, 엘레멘트 식별자 필드 10, 길이 필드 20 및 레인지 능력 정보 필드 30은 각각 1, 1 및 2 옥텟(Octets)로 구성될 수 있다. 이 DMG 레인지 엘레멘트는 DMG 비콘 (Beacon), 프로브 요청 (Probe Request), 프로브 응답 (Probe Response), 정보 요청 (Information Request) 또는 정보 응답에 (Information Response) 포함되어 레인지 능력을 광고하는 엘레멘트로 정의될 수 있다. 다른 예로, DMG 레인지 엘레멘트는 결합 요청/응답(Association Request/Response)와 재결합 요청/응답(Reassociation Request/Response 등에서도 레인지 능력을 광고하는 엘레멘트로 정의될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레인지 능력 정보 필드의 구성을 보여주는 도면이다.

도 6을 참조하면, 도 5에 도시된 레인지 능력 정보 필드 30은 레인지 개시기 동작여부(Range Initiator Capable) 서브필드 31, 레인지 응답기 동작여부(Range Responder Capable) 서브필드 32, 널 데이터 패킷 송신 가능여부(Transmit Null Data Packet (NDP) Capable) 서브필드 33, 널 데이터 패킷 수신 가능여부(Receive NDP Capable) 서브필드 34, 레인지 피드백 요청 프레임 동작여부 (Range Feedback Request Frame Capable) 서브필드 35, 레인지 피드백 응답 프레임 동작여부 (Range Feedback Response Frame Capable) 서브필드 36, 예상 정확도 (Expected Accuracy) 37 서브필드 및 추가 동작을 위해 유보된 서브필드(Reserved Subfield) 35로 구성된다. 각 서브필드의 정의와 인코딩은 아래 [표 1]과 같이 정의된다.

Subfield	Definition	Encoding
Range Initiator Capable	STA가 Initiator로 동작할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Range Responder Capable	STA가 Responder로 동작할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Transmit NDP Capable	STA가 Null Data Packet을 송신할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Receive NDP Capable	STA가 Null Data Packet을 수신할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Range Feedback Request Frame Capable	STA가 Range Feedback Request Frame을 사용할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Range Feedback Response Frame Capable	STA가 Range Feedback Response Frame 을 사용할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Expected Accuracy	거리 측정의 예상 정확도	0: 지원안함 1: 1cm 2:10cm 3: 1m

예를 들어, Range Initiator Capable 서브 필드의 값이 0인 경우는 무선 기기 또는 스테이션(station, STA)가 거리 측정을 위한 개시기로서 동작할 수 없음을 나타낸다. Range Responder Capable 서브 필드의 값이 1인 경우는 1인 경우는 무선 기기가 거리 측정을 위한 응답기로서 동작할 수 있음을 나타낸다. Transmit NDP Capable 서브 필드의 값이 1인 경우는 무선 기기가 널 데이터 패킷을 송신할 수 있음을 나타낸다. Receive NDP Capable 서브 필드의 값이 0인 경우는 무선 기기가 널 데이터 패킷을 수신할 수 없음을 나타낸다. Range Feedback Request Frame Capable 서브필드의 값이 1인 경우는 무선 기기가 레인지 피드백 요청 프레임을 사용할 수 있음을 나타낸다. Range Feedback Response Frame Capable 서브필드의 값이 1인 경우는 무선 기기가 레인지 피드백 응답 프레임을 사용할 수 있음을 나타낸다. Expected Accuracy 서브필드의 값이 1인 경우 무선 기기가 제공할 수 있는 거리 측정의 예상 정확도가 1cm임을 나타낸다.

다시 도 4c를 참조하면, 개시기로서 제1 무선 기기 100과 응답기로서 제2 무선 기기 200은 스캐닝(Scanning)을 위한 DMG 비콘 및 프로브 요청 신호를 주고 받으면서 DMG 레인지 엘레멘트 안의 레인지 능력 정보 필드를 통하여 스테이션이 개시기/응답기로 동작할 수 있는지 여부, 스테이션이 NDP를 받을 수 있는지/보낼 수 있는지 여부, 스테이션이 레인지 피드백 요청/응답 프레임을 사용할 수 있는지 여부를 서로 교환한다.

S10단계에서 개시기 100은 자신의 능력 정보를 포함하는 DMG 레인지 엘레멘트를 DMG 비콘에 포함하여 응답기 200으로 보낸다. S20단계에서 응답기 200은 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 DMG 비콘이 수신됨에 응답하여 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 프로브 요청을 개시기 100으로 송신한다. S30단계에서 개시기 100은 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 프로브 응답을 수신됨에 응답하여 액 (ACK)을 응답기 200으로 송신한다.

도 4d를 참조하면, 개시기로서 제1 무선 기기 100과 응답기로서 제2 무선 기기 200은 정보 요청 및 정보 응답 신호를 주고 받으면서 DMG 레인지 엘레멘트 안의 레인지 능력 정보 필드를 통하여 스테이션이 개시기/응답기로 동작할 수 있는지 여부, 스테이션이 NDP를 받을 수 있는지/보낼 수 있는지 여부, 스테이션이 레인지 피드백 요청/응답 프레임을 사용할 수 있는지 여부를 서로 교환한다.

S40단계에서 개시기 100은 자신의 능력 정보를 포함하는 DMG 레인지 엘레멘트를 정보 요청에 포함하여 응답기 200으로 보낸다. S50단계에서 응답기 200은 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 정보 요청이 수신됨에 응답하여 ACK을 개시기 100으로 송신한다. S60단계에서 응답기 200은 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 정보 요청이 수신됨에 응답하여 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 정보 응답을 개시기 100으로 송신한다. S70단계에서 개시기 100은 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 정보 응답을 수신됨에 응답하여 ACK을 응답기 200으로 송신한다.

이와 같이 개시기와 응답기는 자신들의 능력 정보를 서로 교환할 수 있기 때문에 별다른 동작없이 개시기와 응답기의 능력에 알맞게 레인지 추정 구간 T100으로 빨리 넘어갈 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 요청 레인지 패킷의 구성을 보여주는 도면이다.

도 7을 참조하면, 요청 레인지 패킷은 거리를 측정하는 목적으로 스테이션(또는 무선 기기)에서 송신하는 패킷이다. 요청 레인지 패킷은 도 7에 도시된 형태 일 수 있다. 도 7에 도시된 요청 레인지 패킷은 짧은 트레이닝 필드(Short Training Field, STF) 40, 채널 추정(Channel Estimation, CE) 필드 50 및 헤더(Header) 60을 포함한다. 도 7에 도시된 레인지 패킷은 NDP를 가지는 레인지 패킷을 나타낸다. 헤더(Header) 60은 레인지(Range) 필드를 포함한다.

개시기와 응답기 사이의 발진기 에러(oscillator error)로 인하여 데이터의 길이가 긴 패킷을 통한 신호 처리로는 수 cm의 정확도를 가지기 어려울 수 있다. 이러한 경우 고해상도의 정확도를 가지는 거리 측정을 위해서 도 7에 도시된 바와 같이 데이터가 없는 널 데이터 패킷을 요청 레인지 패킷으로 이용하는 것이 적합하다.

한편 모든 무선 기기들이 NDP를 송수신할 수 있는 것이 아니기 때문에, 기기별로 [표 1]에서 정의한 레인지 능력 정보에 따라 NDP 레인지 패킷을 쓸 수 있는지 여부를 판단할 수 있다. 또한, NDP 레인지 패킷을 쓸 수 없다 하더라도, 헤더 70에 [표 2]와 같은 필드를 두어 데이터의 길이가 긴 패킷을 통한 신호처리 시간을 단축하여 정확도를 높일 수 있다.

Field	Definition	Encoding
Range	Range Packet인지 여부	0: No Range Packet 1: Range Packet

예를 들어, 도 7에 도시된 헤더 60의 레인지 필드의 값이 1인 경우는 레인지 패킷을 나타내고, 0인 경우는 레인지 패킷이 아닌 경우를 나타낸다.

다시 도 4a를 참조하면, 레인징 추정 구간 T100에서 레인지 시작(Range Start) 신호에 의해 거리 측정 동작이 시작된다. 개시기로서 제 1 무선 기기 100은 제 2 무선 기기 200으로 요청 레인지 패킷을 송신하고, 제 2 무선 기기 200은 요청 레인지 패킷의 응답으로 응답 레인지 패킷을 제 1 무선 기기로 송신한다. 이는 제 1 무선 기기에서 요청 레인지 패킷으로 널 데이터 패킷을 이용하지 않고 데이터가 있는 패킷을 이용할 때이고, 제 2 무선 기기가 싶스(SIFS) 간격이 지난 후 응답할 수 있도록 하는 패킷은 모두 요청 레인지 패킷으로 사용할 수 있다. 보기를 들어, RTS, 프로브 응답, 요청 액션 프레임 등을 요청 레인지 패킷으로 사용할 수 있고, 그때 각각 DMG CTS, ACK, 응답 액션 프레임이 응답 레인지 패킷으로 사용할 수 있다.

다시 도 4b도 참조하면, 레인징 추정 구간 T100에서 레인지 시작(Range Start) 신호에 의해 거리 측정 동작이 시작된다. 개시기로서 제 1 무선 기기 100와 제 2 무선 기기 200은 RTS와 DMG CTS를 주고 받으며 제 1 무선 기기가 송신할 요청 레인지 패킷의 목적지가 응답기 200임을 확인하고 (S140, S150단계), 요청 레인지 패킷으로 널 데이터 패킷이 제 1 무선기기에서 제 2 무선기기로 송신된다 (S110단계). 널 데이터 패킷은 그 패킷의 목적지가 불분명하기 때문에 수행할 필요가 있다. 제 2 무선기기 200은 널 데이터 패킷의 응답으로 응답 레인지 패킷을 제 1 무선기기로 송신한다. 이때, 응답 레인지 패킷으로 ACK 또는 응답 액션 프레임을 사용할 수 있다 (S130단계).

도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 무선 기기들 사이에서의 신호 송수신 절차를 보여주는 도면이다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3에 도시된 제1 무선 기기로서의 개시기 100과 제2 무선 기기로서의 응답기 200의 사이에서 거리 측정을 위한 신호가 송수신될 수 있다.

도 8을 참조하면, 무선 기기들은 거리 측정을 주체하는 제1 무선 기기로 정의되는 개시기(Initiator) 100과, 개시기 100이 주체하는 거리 측정의 객체가 되는 제2 무선 기기로 정의되는 응답기(Responder) 200으로 구성된다. 개시기 100은 응답기 200 사이의 거리를 측정하기 위해서 요청 레인지 패킷(Range Packet)을 송신하고, 그 응답으로 응답기 200으로부터 응답 레인지 패킷을 수신한다. 개시기 100과 응답기 200이 레인지 패킷을 주고 받으면서 일어나는 시간 지연들에 대한 심볼들 A 내지 F가 도시되어 있다. 이 심볼들은 다음의 [표 3]와 같이 정의된다.

Symbol	Description
Ti	Time for Clock Counter of Initiator
Tr	Time for Clock Counter of Responder
A	DAC Delay
B	Transmit Circuit Delay
C	Propagation Delay
D	Receive Circuit Delay
E	ADC Delay
F	Processing Delay of BB

[표 3]에서, Ti는 개시기 100의 베이스밴드 처리기 115가 요청 레인지 패킷을 송신한 시점부터 응답기 200으로부터 송신된 응답 레인지 패킷이 수신한 시점까지의 시간 차이이다. Tr은 응답기 200의 베이스밴드 처리기 215가 개시기 100으로부터 송신된 요청 레인지 패킷을 수신한 시점부터 응답 레인지 패킷을 송신한 시점까지의 시간 차이이다. Ti 및 Tr은 클럭 카운터에 의해 측정될 수 있다. A는 개시기 100의 DAC 125A의 지연 및 응답기 200의 DAC 225A의 지연이다. B는 개시기 100의 DAC 125A와 안테나 130 사이의 송신 회로 지연(Transmit Circuit Delay) 및 응답기 200의 DAC 225A와 안테나 230 사이의 송신 회로 지연이다. C는 개시기 100과 응답기 200 사이의 전파 지연(Propagation Delay)이다. D는 응답기 200의 안테나 230과 ADC 225B 사이의 수신 회로 지연(Receive Circuit Delay) 및 응답기 200의 안테나 230과 ADC 225B 사이의 수신 회로 지연이다. E는 응답기 200의 ADC 225B의 지연 및 개시기 100의 ADC 125B의 지연이다. F는 응답기 200의 베이스밴드 처리기 215의 처리 지연(Processing Delay of BB) 및 개시기 200의 베이스밴드 처리기 115의 처리 지연이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다. 이러한 처리 흐름은 예를 들어 도 2에 도시된 개시기 100의 베이스밴드 처리기 115에 포함되는 레인지 추정기 110에 의해 수행될 수 있다.

도 9를 참조하면, 개시기 100이 응답기 200과의 거리를 측정하기 위해서는 요청 및 응답 레인지 패킷이 공기 중에 있는 시간을 알아야 한다. 즉, [표 4]에서 정의한 전파 지연 C를 알아야 한다. C를 얻기 위해서, 개시기 100의 레인지 추정기 110은 요청 레인지 패킷을 생성하여 송신할 때부터 응답기 200에서 송신한 응답 레인지 패킷을 감지할 때까지의 시간 Ti를 계산하고, 응답기 200의 레인지 추정기 210은 개시기 100이 송신한 요청 레인지 패킷을 감지할 때부터 그 응답으로 응답 레인지 패킷을 송신할 때까지의 시간 Tr을 계산한다. 이때 개시기 100과 응답기 200에서 각각 응답 레인지 패킷과 요청 레인지 패킷을 감지하는 방법에는 여러 방법이 있을 수 있다. 예를 들어, 레인지 패킷의 시작점이 베이스밴드 처리기로 들어오는 시점을 찾는 방법, 채널임펄스응답(Channel Impulse Response)의 피크(Peak)를 찾는 방법, CIR 피크를 찾고 샘플 타이밍 오프셋(Sample Timing Offset)을 활용하는 방법 등이 있을 수 있다.

S210단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 요청 레인지 패킷을 생성하여 송신할 때부터 응답기 200에서 송신한 응답 레인지 패킷을 감지할 때까지의 시간 Ti를 계산한다. S220단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 응답기 200의 레인지 추정기 210에 의해 계산된 시간 Tr을 수신한다.

S230단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 구해진 Ti와 Tr로부터 전파 지연 C를 계산한다. 개시기 100과 응답기 200의 A, B, D, E, F가 같다고 가정하면, Ti는 다음의 [수학식 1]로 쓸 수 있다.

[수학식 1]은 다음과 같은 [수학식 2]로 쓸 수 있고, 이로부터 전자 지연 C를 얻을 수 있다.

S230단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 [수학식 2]에 의해 구해진 C를 [수학식 3]에 적용함으로써 개시기 100과 응답기 200 사이의 거리를 추정한다.

도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 개시기 100과 응답기 200 사이에서 송수신되는 신호들을 보여주는 도면이다.

도 10a를 참조하면, 개시기 100은 요청 레인지 패킷을 응답기 200으로 송신하고(S270), 응답기 200은 응답 레인지 패킷을 개시기 100으로 송신한다(S275). 이와 같이 개시기 100과 응답기 200이 레인지 패킷을 송수신함으로써 각각 Ti와 Tr을 얻는다. 다음에, 개시기 100은 도 10b에 도시한 레인지 피드백 요청(Range Feedback Request)을 응답기 200으로 송신함으로써 Tr을 요청하고(S280), 응답기 200은 도 10c에 도시한 레인지 피드백 응답(Range Feedback Response)에 Tr을 실어서 개시기 100으로 송신한다(S285).

레인지 피드백 요청 및 레인지 피드백 응답 프레임은 모두 레인지 정보를 실어 나르는 카테고리(Category)를 가지는 액션 (Action) 프레임으로 사용할 수 있다. 이때, 매니지먼트 프레임 (Management Frame) 프러텍션(Protection)이 협상되었다면 레인지 프로텍티드 액션 프레임으로 사용할 수 있고, 그렇지 않으면 레인지 액션 프레임으로 사용할 수 있다.

도 10b에 도시한 레인지 피드백 요청은 응답기 200에 Tr을 요청하는 목적으로 개시기 100이 송신하는 패킷이다. 도 10b에 도시된 레인지 피드백 요청은 액션 (Action) 필드 300, 다이어로그 토큰 (Dialog Token) 필드 310 및 요청 (Request) 필드 320을 포함한다.

도 10c에 도시한 레인지 피드백 응답은 개시기 100의 레인지 피드백 요청에 대한 응답으로 응답기 200이 개시기 100으로 송신하는 패킷이다. 도 10c에 도시된 레인지 피드백 요청은 액션 (Action) 필드 400, 다이어로그 토큰 (Dialog Token) 필드 410, 시간차이 (TD) 필드 420 및 시간차이 오프셋 (TD Offset) 필드 430을 포함한다. 레인지 피드백 응답은 요청 레인지 패킷으로 널 데이터 패킷을 사용했을 때 그에 대한 응답으로 사용할 수 있다.

도 10b와 도 10c에 필드는 각각 다음 [표 4]와 [표 5]과 같이 정의한다.

Field	Definition	Encoding
Action	레인지 피드백 요청인지 레인지 피드백 응답인지 여부	0: 레인지 피드백 요청 1: 레인지 피드백 응답
Dialog Token	송수신을 identify하기 위해서 0이 아닌 정수로 설정
Request	레인지 패드백 응답을 요청하는지 여부	0: 요청 하지 않음 1: 요청

Field	Definition	Encoding
Action	레인지 피드백 요청인지 레인지 피드백 응답인지 여부	0: 레인지 피드백 요청 1: 레인지 피드백 응답
Dialog Token	레인지 피드백 요청에 쓰인 값을 그대로 적어줌, NDP에 대한 응답으로 쓰일 때에는 0으로 설정
TD	Tr값 및 Tor을 적어 줌
TD Offset	TD에 대한 Offset값

전술한 본 발명의 일 실시예는 무선 통신시스템의 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호가 공기 중에 있는 시간을 측정함으로써 무선 기기들 사이의 거리를 추정한다.

한편 이러한 거리 추정 방식에 따르면, 신호 송수신시 무선 기기들의 내부에 포함되는 회로들에 의한 지연 시간이 존재하기 때문에 이 지연 시간을 정확하게 측정하지 못한다면 무선 기기들 사이의 거리 측정이 정확하게 이루어지지 않을 수 있다. 예를 들어, 무선 기기들 내부의 회로 지연은 DAC지연, ADC 지연, 송신 회로 지연, 수신 회로 지연 등을 포함한다. 다시 말하면, [수학식 2]에서 Ti와 Tr만으로 거리를 측정한다면, A, B, D, E, F는 거리 측정 오차이다. 이 거리 측정 오차가 변화하지 않는 상수(기준 값)라면, 응답기 200에서 Tr을 개시기 100으로 전달해 주고 개시기 100에서 그 기준 값을 보상해 주면 C를 쉽게 얻을 수 있다. 하지만, A와E, 즉 DAC/ADC 지연은 무선 기기에 전원이 새롭게 공급되거나 리셋이 실행되었을 경우 그 값이 변화할 수 있기 때문에 기준 값을 이용할 경우 거리 측정이 부정확할 수 있다. 따라서, 하기에서는 무선 기기들 내부의 회로 지연에 따른 거리 측정 오차를 측정하고, 무선 기기들 사이의 거리 추정시 측정된 거리 측정 오차를 보상하는 실시예들이 제안될 것이다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작 위한 레인지 오차 보상 모듈의 연결 구성을 보여주는 도면이다.

도 11을 참조하면, 무선기기 100은 레인지 오차 보상 모듈 112를 포함하는 베이스밴드 처리기 115와, DAC 125A와, ADC 125B, 그리고 RF회로/안테나 130을 포함한다. 무선 기기 내부의 회로 지연에 따른 거리 측정 오차를 측정하여 보상하기 위한 레인지 오차 보상 모듈(Range Calibration Module) 112는 도 1 내지 3에 도시된 레인지 추정기 110의 내부에 포함되어 구성될 수도 있고, 레인지 추정기 110과 별도로 구성될 수도 있다. 베이스밴드 처리기 115의 레인지 오차 보상 모듈 112로부터 미리 정해진 신호가 송신된다. 상기 정해진 신호는 DAC 125A, RF회로/안테나 130 및 ADC 125B를 포함하는 루프백(loopback) 회로를 거쳐서 레인지 오차 보상 모듈 112로 다시 들어온다. 일 실시예에서, 상기 정해진 신호는 요청 레인지 패킷이 될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 정해진 신호는 미리 정해진 신호 일 수 있다. 보기들 들어, 단일 톤(single tone), 사인파(sine wave) 및 상관(correlation) 특성을 갖는 신호 중의 한 신호가 될 수 있다. 여기서는 개시기 100에 포함되는 레인지 오차 보상 모듈 112을 도시하고 있지만, 응답기 200의 내부에도 동일한 형태로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 레인지 오차 보상은 무선 기기의 전원이 새로이 인가되는 경우에 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 레인지 오차 보상은 무선 기기에 리셋이 적용된 경우에 수행될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 레인지 오차 보상은 필요에 따라 거리 측정을 하기 전 매번 수행될 수도 있다.

도 12a 내지 도14에서 설명될 실시예는 도 11에 도시된 개시기 100의 레인지 오차 보상 모듈 112가 레인지 패킷을 생성하여 루프백시킴으로써 개시기 100의 내부 회로 지연 Toi, 즉 거리 측정 오차를 측정하고 측정된 오차를 거리 측정시 보상하는 실시예에 해당한다. 응답기 200의 경우도 동일한 형태로 내부 회로 지연 Tor을 측정할 수 있다.

도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 무선 기기의 내부 회로 지연이 측정됨을 보여주는 도면들이다.

도 12a를 참조하면, 개시기 100은 도 11에 도시된 레인지 오차 보상 모듈 112에 의해 Range Calibration을 수행하고 그 결과로 Toi를 얻는다.

도 12b를 참조하면, 응답기 200은 마찬가지로 레인지 오차 보상 모듈에 의해 Range Calibration을 수행하고 그 결과로 Tor을 얻는다.

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다. 이 처리 흐름은 개시기 100의 베이스밴드 처리기 115에 포함되는 레인지 추정기 110 및 레인지 오차 보상 모듈 112에 수행된다.

도 13을 참조하면, S310단계에서 개시기 100의 레인지 오차 보상 모듈 112는 요청 레인지 패킷을 송신하고, 이 송신된 레인지 패킷이 다시 돌아올 때까지의 시간 Toi를 계산한다. 이때 레인지 패킷은 도 12a에 도시된 바와 같이 DAC 125A, RF회로 130 및 ADC 125B를 순서대로 거친 후 루프백된다. 마찬가지로, 응답기 200의 레인지 오차 보상 모듈은 요청 레인지 패킷을 송신하고, 이 송신된 레인지 패킷이 다시 돌아올 때까지의 시간 Tor을 계산할 수 있다. 이러한 거리 측정 오차 Toi는 레인지 오차 보상 모듈 112 대신에 레인지 추정기 110에 의해서 계산될 수도 있다.

개시기 100과 응답기 200의 거리 측정 오차 A, B, D, E, F가 같다고 가정하면, 다음의 [수학식 4]로부터 Toi와 Tor을 얻을 수 있다.

여기서, 송신 회로 지연 B와 B'의 차이와 수신 회로 지연 D와 D'의 차이는 거의 무시할 만한 수준으로 같다고 가정할 수 있다.

S320단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 도 8에 도시된 바와 같이 요청 레인지 패킷을 응답기 200으로 송신하고, 이 송신된 요청 레인지 패킷에 대한 응답 레인지 패킷의 수신이 감지될 때까지의 시간 Ti를 계산한다.

[수학식 4]에서 얻은 거리 측정 오차 Toi와 Tor을 [수학식 2]에 적용하면, 다음과 같은 [수학식 5]를 얻을 수 있다.

S330단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 응답기 200로부터 Tr과 Tor을 수신한다. 응답기 200로부터의 Tr과 Tor은 동시에 수신될 수도 있고, 다른 시점에 수신될 수도 있다.

S340단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 S310단계 내지 S330단계에서 얻은 시간 Toi, Ti, Tr 및 Tor을 [수학식 5]에 적용함으로써 개시기 100과 응답기 200 사이의 전파 지연 C를 계산한다.

S350단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 [수학식 5]에 의해 구해진 C를 [수학식 3]에 적용함으로써 개시기 100과 응답기 200 사이의 거리를 추정한다. 이때 개시기 100의 내부 회로, 예를 들어 DAC 지연 및 ADC 지연이 변하여도 위와 같은 실시예에 따라 정확한 거리 측정이 가능하다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 개시기 100과 응답기 200 사이에서 송수신되는 신호들을 보여주는 도면이다.

도 14를 참조하면, 개시기 100과 응답기 200은 각각 내부의 회로 지연인 거리 측정 오차 Toi,Tor을 측정한다(S260). 개시기 100은 요청 레인지 패킷을 응답기 200으로 송신하고(S270), 응답기 200은 응답 레인지 패킷을 개시기 100으로 송신한다(S275). 이와 같이 개시기 100과 응답기 200이 요청/응답 레인지 패킷을 송수신함으로써 각각 Ti와 Tr을 얻는다. 다음에, 개시기 100은 레인지 피드백 요청(Range Feedback Request)을 응답기 200으로 송신함으로써 Tr,Tor을 요청하고(S280), 응답기 200은 레인지 피드백 응답(Range Feedback Response)에 Tr,Tor을 실어서 개시기 100으로 송신한다(S285). 이와 같이 Tr,Tor은 동시에 전달될 수도 있고, 분리되어 전달될 수도 있다.

도 15 및 도16에서 설명될 실시예는 도 11에 도시된 개시기 100의 레인지 오차 보상 모듈 112가 미리 정해진 신호를, 보기를 들어, 단일 톤, 사인파, 상관 특성을 갖는 신호 등과 같은 기준 신호를 생성하여 루프백시킴으로써 개시기 100의 내부 회로 지연 Toi, 즉 거리 측정 오차를 측정하고 이 측정된 오차를 메모리(도시하지 않음)에 저장한다. 이렇게 저장된 오차 값을 이용하여 거리 측정 오차의 기준값 중에서 변화가 예상되는 A와 E의 변화량, 즉 DAC/ADC 지연의 변화를 감지하고, 이 변화량을 거리 측정시 보상한다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다. 이 처리 흐름은 개시기 100의 베이스밴드 처리기 115에 포함되는 레인지 추정기 110 및 레인지 오차 보상 모듈 112에 수행된다.

도 15를 참조하면, S410단계에서 개시기 100의 레인지 오차 보상 모듈 112는 기준 신호를 송신하고, 이 송신된 기준 신호가 다시 돌아오는 신호를 메모리(도시하지 않음)에 저장한다. 이때 기준 신호는 사인파, 단일 톤, 상관 특성을 갖는 신호 등이 사용될 수 있다. 이 기준 신호는 도 12a에 도시된 바와 같이 DAC 125A, RF회로 130 및 ADC 125B를 순서대로 거친 후 루프백된다. 레인지 오차 보상 모듈 112는 메모리에 저장된 신호를 이용하여 거리 측정 오차 가운데 일부 요소의 변화량, 예를 들어 A와 E의 변화량을 계산한다. 마찬가지로, 응답기 200의 레인지 오차 보상 모듈은 기준 신호를 송신하고, 이 송신된 기준 신호가 다시 돌아오는 신호를 메모리에 저장한 후 거리 측정 오차 가운데 일부 요소의 변화량, 예를 들어 A와 E의 변화량을 계산한다. 이러한 거리 측정 오차 가운데 A와 E의 변화량은 레인지 오차 보상 모듈 112 대신에 레인지 추정기 110에 의해서 계산될 수도 있다.

S420단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 도 8에 도시된 바와 같이 요청 레인지 패킷을 응답기 200으로 송신하고, 이 송신된 요청 레인지 패킷에 대한 응답 레인지 패킷의 수신이 감지될 때까지의 시간 Ti를 계산한다.

S430단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 응답기 200로부터 Tr을 수신한다.

SS40단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 S410단계에서 측정된 거리 측정 오차의 변화량을 고려하여 개시기 100과 응답기 200 사이의 전파 지연 C를 계산할 수 있다. 개시기 100과 응답기 200의 거리 측정 오차들의 기준 값을 안다고 가정했을 때, 레인지 추정기 110은 [수학식 2]에서의 기준 값에 A와 E의 변화량을 더해줌으로써 A와 E의 변화량을 고려한 전파 지연 C를 계산할 수 있다. 또한, 도 14에서와 마찬가지로 Tor대신 A와 E의 변화량을 사용함으로써 거리를 측정할 수 있다.

S450단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110은 [수학식 5]에 의해 구해진 C를 [수학식 3]에 적용함으로써 개시기 100과 응답기 200 사이의 거리를 추정한다.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 개시기 100의 내부 회로 지연의 변화량을 측정하는 동작을 보여주는 도면이다.

도 16을 참조하면, 개시기 100의 레인지 오차 보상 모듈 112는 기준 신호를 송신하고, 이 송신된 기준 신호가 다시 돌아오는 신호를 메모리(도시하지 않음)에 저장한다. 이때 기준 신호는 사인파, 단일 톤, 상관 특성을 갖는 신호 등이 사용될 수 있다. 이 기준 신호는 도 12a에 도시된 바와 같이 DAC 125A, RF회로 130 및 ADC 125B를 순서대로 거친 후 루프백된다. 레인지 오차 보상 모듈 112는 메모리에 저장된 신호를 이용하여 거리 측정 오차 가운데 일부 요소의 변화량을 계산한다. 예를 들어, 레인지 오차 보상 모듈 112는 기준 신호가 송신된 시점부터 루프백되어 되돌아오는 시점을 감지함으로써 거리 측정 오차 (A + B' + D' + E)를 측정하여 메모리에 저장한다. 레인지 오차 보상 모듈 112는 이전에 저장된 거리 측정 오차 (A + B' + D' + E)와 새로이 저장된 거리 측정 오차 (A + B' + D' + E)를 비교함으로써 거리 측정 오차의 변화량을 계산할 수 있다. 이때 B'와 D'의 변화량은 큰 차이가 없다고 가정할 때, A와 E의 변화량이 계산된다.

마찬가지로, 응답기 200의 레인지 오차 보상 모듈은 기준 신호를 송신하고, 이 송신된 기준 신호가 다시 돌아오는 신호를 메모리에 저장한 후 거리 측정 오차 가운데 일부 요소의 변화량, 예를 들어 A와 E의 변화량을 계산한다.

도 17은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따라 오차없는 무선 기기들 사이의 거리 측정 동작을 위해 레인지 추정기 110과 ADC 125B 및 DAC 125A 사이의 연결 구성을 보여주는 도면이다. 이 실시예는 DAC 125A와 ADC 125B로부터 발생하는 지연의 변화가 없도록 하는 것으로, [수학식 2]에서의 기준 값을 이용하여 거리를 측정해도 정확한 거리 측정을 가능하게 한다.

도 17을 참조하면, ADC 지연은 ADC 125B와 베이스밴드 처리기 100 사이의 인터페이스에서 발생할 수 있고, DAC 지연은 DAC 125A와 베이스밴드 처리기 100 사이의 인터페이스에서 발생할 수 있다. 이러한 지연들은 ADC/DAC와 베이스밴드 처리기 100 사이의 FIFO(First Input First Output)에서 기인한다. 따라서, ADC/DAC의 클럭(Clock)으로부터 레인지 추정기 110을 동작시킬 경우, FIFO에 기인하는 지연의 변화를 제거할 수 있다. 즉, ADC/DAC와 레인지 추정기 110의 클럭을 동일하게 사용함으로써 ADC/DAC의 지연의 변화를 제거한다.

전술한 바와 같이 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기를 통하여 신호를 주고 받는 것을 이용하여 수 cm 해상도를 가지는 거리 측정을 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 요청/응답 레인지 패킷을 사용함으로써 무선 기기들 사이의 거리를 빠르게 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 다중경로 채널의 영향으로 생길 수 있는 거리 측정의 부정확도(신뢰도)를 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 기존 모뎀에서 사용되는 신호들을 이용함으로써 레인지 추정기의 전력 소모를 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리를 측정할 시 거리 측정의 오차로서 존재하는 무선 기기 내부의 회로 지연을 보상함으로써 무선 기기들 사이의 거리를 정확하게 추정할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 일 예로, 본 발명의 실시예들에서는 무선 기기가 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 구성되고, 도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d에 도시된 흐름에 따라 동작하고, 무선 기기의 레인지 추정기가 도 14에 도시된 흐름에 따라 거리를 측정하는 경우로 설명하였으나 본 발명의 보호범위는 반드시 이에 한정되지는 않을 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 동작들은 단일의 프로세서에 의해 그 동작이 구현될 수 있을 것이다. 이러한 경우 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령이 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판단 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM이나 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드 뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 본 발명에서 설명된 기지국 또는 릴레이의 전부 또는 일부가 컴퓨터 프로그램으로 구현된 경우 상기 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체도 본 발명에 포함된다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

100,200: 무선 기기 105,205: MAC 처리기
110,210: 레인지 추정기 115,215: 베이스밴드 처리기
125A,225A: 디지털/아날로그 변환기(DAC)
125B,225B: 아날로그/디지털변환기(ADC)
130: 고주파(RF)회로/안테나 112: 레인지 오차보상 모듈

Claims

무선 통신 시스템에서 거리(range) 측정을 위한 제1 무선 장치에 있어서,
디지털/아날로그 변환기(digital/analog converter, DAC);
아날로그/디지털 변환기(analog/digital converter, ADC);
송수신기; 및
베이스밴드 처리기를 포함하고,
상기 송수신기는,
제2 무선 장치에게 요청 레인지 패킷(request range packet)을 송신하고,
상기 제2 무선 장치로부터 상기 요청 레인지 패킷에 대응하는 응답 레인지 패킷(response range packet)을 수신하며,
상기 제2 무선 장치에게 상기 요청 레인지 패킷의 수신이 상기 제2 무선 장치에 의해 감지된 시점으로부터 상기 응답 레인지 패킷이 상기 제2 무선 장치에 의해 송신된 시점까지의 제2 시간 차(a second time difference)에 대한 피드백 요청 메시지를 송신하고,
상기 제2 무선 장치로부터 상기 제2 시간 차를 나타내는 피드백 응답 메시지를 수신하도록 구성되며,
상기 베이스밴드 처리기는 레인지 추정기(range estimator)를 포함하고,
상기 레인지 추정기는 레인지 오차 보상 모듈(error calibrator)을 포함하며,
상기 레인지 오차 보상 모듈은,
상기 제1 무선 장치의 제1 내부 회로 지연을 측정하고, 상기 제1 무선 장치의 상기 제1 내부 회로 지연은 상기 요청 레인지 패킷의 루프백(loopback)과 관련된 ADC 지연, 수신 회로 지연, 송신 회로 지연 및 DAC 지연을 포함하며,
이전에 저장된 오차 값에 기반하여 상기 DAC 지연 및 상기 ADC 지연의 변화량을 식별하고,
상기 이전에 저장된 오차 값 및 상기 제1 내부 회로 지연에 기반하여 상기 DAC 지연 및 상기 ADC 지연의 상기 변화량을 보정하도록 구성되며,
상기 레인지 추정기는,
상기 요청 레인지 패킷이 상기 제1 무선 장치에 의해 송신된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷의 수신이 상기 제1 무선 장치에 의해 감지된 시점까지의 제1 시간 차(a first time difference), 상기 제2 시간 차, 및 상기 제1 무선 장치의 상기 제1 내부 회로 지연에 기반하여 상기 제1 무선 장치와 상기 제2 무선 장치 사이의 거리를 추정하도록 구성되는,
제1 무선 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 레인지 오차 보상 모듈은 상기 제1 무선 장치의 루프백 회로를 통해 돌아온 상기 요청 레인지 패킷의 시간 지연을 측정하도록 더 구성된,
제1 무선 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 루프백 회로는 상기 DAC, 무선 주파수(radio frequency, RF) 회로 및 상기 ADC를 포함하는,
제1 무선 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 레인지 추정기는,
상기 제1 시간 차, 상기 제2 시간 차 및 상기 제1 무선 장치의 상기 제1 내부 회로 지연에 기반하여 상기 제1 무선 장치와 상기 제2 무선 장치 사이의 신호 전파 지연(signal propagation delay)를 계산하고,
상기 신호 전파 지연에 기반하여 상기 제1 무선 장치와 상기 제2 무선 장치 사이의 상기 거리를 추정하도록 더 구성된,
제1 무선 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 레인지 추정기는,
상기 제2 무선 장치의 제2 내부 회로 지연에 추가적으로 기반하여 상기 제1 무선 장치와 상기 제2 무선 장치 사이의 상기 신호 전파 지연을 계산하도록 더 구성된,
제1 무선 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 송수신기는 상기 제2 무선 장치에 의해 측정된 상기 제2 내부 회로 지연에 관한 정보를 수신하도록 더 구성되고,
상기 레인지 추정기는 상기 제2 무선 장치의 상기 제2 내부 회로 지연에 추가적으로 기반하여 상기 제1 무선 장치와 상기 제2 무선 장치 사이의 상기 신호 전파 지연을 계산하도록 더 구성된,
제1 무선 장치.
무선 통신 시스템에서 거리(range) 측정을 위한 제1 무선 장치의 동작 방법에 있어서, 상기 제1 무선 장치는 디지털/아날로그 변환기(digital/analog converter, DAC), 아날로그/디지털 변환기(analog/digital converter, ADC), 송수신기 및 베이스밴드 처리기를 포함하고, 상기 베이스밴드 처리기는 레인지 추정기(range estimator)를 포함하며, 상기 레인지 추정기는 레인지 오차 보상 모듈(error calibrator)을 포함하고,
상기 송수신기에 의하여 제2 무선 장치에게 요청 레인지 패킷(request range packet)을 송신하는 과정과,
상기 송수신기에 의하여 상기 제2 무선 장치로부터 상기 요청 레인지 패킷에 대응하는 응답 레인지 패킷(response range packet)을 수신하는 과정과,
상기 송수신기에 의하여 상기 제2 무선 장치에게 상기 요청 레인지 패킷의 수신이 상기 제2 무선 장치에 의해 감지된 시점으로부터 상기 응답 레인지 패킷이 상기 제2 무선 장치에 의해 송신된 시점까지의 제2 시간 차(a second time difference)에 대한 피드백 요청 메시지를 송신하는 과정과,
상기 송수신기에 의하여 상기 제2 무선 장치로부터 상기 제2 시간 차를 나타내는 피드백 응답 메시지를 수신하는 과정과,
상기 레인지 오차 보상 모듈에 의하여 상기 제1 무선 장치의 제1 내부 회로 지연을 측정하는 과정과, 상기 제1 무선 장치의 상기 제1 내부 회로 지연은 상기 요청 레인지 패킷의 루프백(loopback)과 관련된 ADC 지연, 수신 회로 지연, 송신 회로 지연 및 DAC 지연을 포함하며,
상기 레인지 오차 보상 모듈에 의하여 이전에 저장된 오차 값에 기반하여 상기 DAC 지연 및 상기 ADC 지연의 변화량을 식별하고,
상기 레인지 오차 보상 모듈에 의하여 상기 이전에 저장된 오차 값 및 상기 제1 내부 회로 지연에 기반하여 상기 DAC 지연 및 상기 ADC 지연의 상기 변화량을 보정하는 과정과,
상기 레인지 추정기에 의하여 상기 요청 레인지 패킷이 상기 제1 무선 장치에 의해 송신된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷의 수신이 상기 제1 무선 장치에 의해 감지된 시점까지의 제1 시간 차(a first time difference), 상기 제2 시간 차, 및 상기 제1 무선 장치의 상기 제1 내부 회로 지연에 기반하여 상기 제1 무선 장치와 상기 제2 무선 장치 사이의 거리를 추정하는 과정을 포함하는,
방법.
청구항 7에 있어서,
상기 레인지 오차 보상 모듈에 의하여 상기 제1 무선 장치의 루프백 회로를 통해 돌아온 상기 요청 레인지 패킷의 시간 지연을 측정하는 과정을 더 포함하는,
방법.
청구항 8에 있어서,
상기 루프백 회로는 상기 DAC, 무선 주파수(radio frequency, RF) 회로 및 상기 ADC를 포함하는,
방법.
청구항 8에 있어서,
상기 레인지 추정기에 의하여 상기 제1 시간 차, 상기 제2 시간 차 및 상기 제1 무선 장치의 상기 제1 내부 회로 지연에 기반하여 상기 제1 무선 장치와 상기 제2 무선 장치 사이의 신호 전파 지연(signal propagation delay)를 계산하는 과정과,
상기 레인지 추정기에 의하여 상기 신호 전파 지연에 기반하여 상기 제1 무선 장치와 상기 제2 무선 장치 사이의 상기 거리를 추정하는 과정을 더 포함하는,
방법.
청구항 10에 있어서,
상기 레인지 추정기에 의하여 상기 제2 무선 장치의 제2 내부 회로 지연에 추가적으로 기반하여 상기 제1 무선 장치와 상기 제2 무선 장치 사이의 상기 신호 전파 지연을 계산하는 과정을 더 포함하는,
방법.
청구항 11에 있어서,
상기 송수신기에 의하여 상기 제2 무선 장치에 의해 측정된 상기 제2 내부 회로 지연에 관한 정보를 수신하는 과정과,
상기 레인지 추정기에 의하여 상기 제2 무선 장치의 상기 제2 내부 회로 지연에 추가적으로 기반하여 상기 제1 무선 장치와 상기 제2 무선 장치 사이의 상기 신호 전파 지연을 계산하는 과정을 더 포함하는,
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