KR102300569B1 - 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치 및 방법 - Google Patents

샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치 및 방법 Download PDF

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구영모
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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치 및 방법은, 수신 패킷의 프리엠블(preamble)에서 획득한 샘플 타이밍 오류 정보를 이용하여 패킷의 수신 시간을 보정하고, 보정된 수신 시간을 기반으로 획득한 노드 간의 전파 지연 거리를 통해 노드 간의 실제 거리를 획득함으로써, 거리 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Description

샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring propagation delay distance using sample timing error}
본 발명은 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 노드 간의 실제 거리를 획득하는, 장치 및 방법에 관한 것이다.
이동하는 두 시스템 간의 거리 측정은 두 시스템이 GPS(Global Positioning System) 좌표를 교환하여 쉽게 계산할 수 있지만, GPS의 지원이 없거나 교란 등의 이유로 GPS 이용이 불가능한 경우에는 무선 전송 전파 지연 특성을 이용하는 무선 거리 측정 기술이 유용하다. 무선 거리 측정 기술은 이외에도 위치 시스템, 네비게이션, 텔레메트리 등의 다양한 상업적 또는 군사적 목적으로 사용되고 있다.
PN(Pseudo-Noise) 레인징(ranging)은 상대방과의 거리를 측정하고자 하는 시스템이 PN 시퀀스를 변조한 신호를 반복적으로 전송하여 상대방 시스템에 반사되거나 상대방 시스템이 수신하여 재전송하는 신호를 수신한 후 왕복 시간을 계산하여 거리를 계산하는 방법인데, 그 정밀도는 변조 심벌의 주기(간격)에 의해 결정된다. 그런데 정밀도를 높이기 위해 심벌 주기를 짧게 하면 PN 시퀀스의 반복 주기가 짧아져 측정 범위가 축소되는 단점이 있다. 따라서, 측정 범위를 확대하기 위해 PN 시퀀스의 반복 주기를 확장하기 위한 다양한 방법들이 제안되고 있다.
IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)은 공간적으로 흩어져 있는 다수의 시스템들이 동일한 타이밍을 공유하기 위해 정의된 시각 정밀화 프로토콜인데, 그 과정 중에 두 시스템이 송수신 시간 정보를 포함한 패킷을 주고받으면서 전파 지연 시간을 계산하고 이를 이용하여 타이밍을 보정한다. 무선 시스템의 경우 계산된 전파 지연 시간을 두 시스템 간의 거리를 측정하는데 이용할 수 있다. 전파 지연 시간을 계산할 때 패킷 수신 시간은 패킷의 프리엠블(preamble)을 검출하는 시간을 기준으로 하는데, 그 정밀도는 PN 레인징과 마찬가지로 변조 심벌의 주기에 의해 결정된다.
본 발명이 이루고자 하는 목적은, 수신 패킷의 프리엠블(preamble)에서 획득한 샘플 타이밍 오류 정보를 이용하여 패킷의 수신 시간을 보정하고, 보정된 수신 시간을 기반으로 획득한 노드 간의 전파 지연 거리를 통해 노드 간의 실제 거리를 획득하는, 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치는, 무선 통신을 통해 외부 노드와 패킷을 송수신하는 통신부; 상기 통신부를 통해 상기 외부 노드와 송수신한 상기 패킷의 송신 시간과 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 기반으로 상기 외부 노드와의 전파 지연 거리를 획득하는 제1 거리 획득부; 및 상기 제1 거리 획득부를 통해 획득한 상기 전파 지연 거리를 기반으로 상기 외부 노드와의 실제 거리를 획득하는 제2 거리 획득부;를 포함한다.
여기서, 상기 패킷의 상기 수신 시간은, 상관값이 최대가 되는 시점으로 계산한 수신 시간에서 미리 설정된 변조 심벌 간격과 상기 샘플 타이밍 오류를 이용하여 획득된 값을 차감하여 보정된 수신 시간일 수 있다.
여기서, 상기 샘플 타이밍 오류는, 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 미리 설정된 단위 시간 전의 상관값 및 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 상기 미리 설정된 단위 시간 후의 상관값을 기반으로 획득될 수 있다.
여기서, 상기 샘플 타이밍 오류는, 식
Figure 112021022313255-pat00001
을 통해 계산되며, 상기
Figure 112021022313255-pat00002
는, 상기 샘플 타이밍 오류를 나타내고, 상기
Figure 112021022313255-pat00003
은, 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 상기 미리 설정된 단위 시간 전의 상관값을 나타내며, 상기
Figure 112021022313255-pat00004
은, 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 상기 미리 설정된 단위 시간 후의 상관값을 나타내고, 상기 K[x]는, 상기 x가 미리 설정된 범위에서 선형이 되게 하는 계수를 나타낼 수 있다.
여기서, 상기 패킷의 프리엠블(preamble)은, 미리 설정된 길이 m을 가지는 LFSR(linear feedback shift register)로 생성된 주기가 N=2m-1인 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스로 BPSK(binary phase shift keying)로 변조되어 -1 또는 +1의 값을 가지며, 상기 K[x]는, 상기 PN 시퀀스의 길이 및 상기 패킷을 송신하는 노드의 SRC(square-root cosine) 필터의 롤오프 계수(roll-off factor)에 의해 변경될 수 있다.
여기서, 상기 상관값은, 상기 패킷을 수신하는 노드에 의해, 상기 패킷의 프리엠블을 기반으로, FIR(finite impulse response) 필터 형태로 저장된 샘플값들로부터 획득될 수 있다.
여기서, 상기 패킷의 상기 수신 시간은, 식
Figure 112021022313255-pat00005
을 통해 계산되며, 상기
Figure 112021022313255-pat00006
은, 상기 수신 시간을 나타내고, 상기
Figure 112021022313255-pat00007
은, 상기 상관값이 최대가 되는 시점으로 계산한 수신 시간을 나타내며, 상기
Figure 112021022313255-pat00008
는, 상기 샘플 타이밍 오류를 나타내고, 상기
Figure 112021022313255-pat00009
는, 상기 미리 설정된 변조 심벌 간격을 나타낼 수 있다.
여기서, 상기 제1 거리 획득부는, 식
Figure 112021022313255-pat00010
을 통해 상기 외부 노드와의 상기 전파 지연 거리를 계산하며, 상기
Figure 112021022313255-pat00011
는, 상기 외부 노드와의 상기 전파 지연 거리를 나타내고, 상기
Figure 112021022313255-pat00012
은, 제1 패킷을 상기 외부 노드로 송신한 시간을 나타내며, 상기
Figure 112021022313255-pat00013
는, 상기 제1 패킷을 상기 외부 노드가 수신한 시간으로, 상기 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 나타내고, 상기
Figure 112021022313255-pat00014
은, 상기
Figure 112021022313255-pat00015
에 대한 정보를 포함하는 제2 패킷을 상기 외부 노드가 송신한 시간을 나타내며, 상기
Figure 112021022313255-pat00016
은, 상기 제2 패킷을 상기 외부 노드로부터 수신한 시간으로, 상기 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 나타낼 수 있다.
여기서, 상기 제2 거리 획득부는, 식
Figure 112021022313255-pat00017
을 통해 상기 외부 노드와의 실제 거리를 계산하며, 상기 S는, 상기 외부 노드와의 실제 거리를 나타내고, 상기 c는, 전파의 속도를 나타내며, 상기
Figure 112021022313255-pat00018
는, 상기 외부 노드와의 상기 전파 지연 거리를 나타낼 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 방법은, 무선 통신을 통해 외부 노드와 패킷을 송수신하는 단계; 상기 외부 노드와 송수신한 상기 패킷의 송신 시간과 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 기반으로 상기 외부 노드와의 전파 지연 거리를 획득하는 단계; 및 획득한 상기 전파 지연 거리를 기반으로 상기 외부 노드와의 실제 거리를 획득하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 패킷의 상기 수신 시간은, 상관값이 최대가 되는 시점으로 계산한 수신 시간에서 미리 설정된 변조 심벌 간격과 상기 샘플 타이밍 오류를 이용하여 획득된 값을 차감하여 보정된 수신 시간일 수 있다.
여기서, 상기 샘플 타이밍 오류는, 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 미리 설정된 단위 시간 전의 상관값 및 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 상기 미리 설정된 단위 시간 후의 상관값을 기반으로 획득될 수 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장되어 상기한 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 방법 중 어느 하나를 컴퓨터에서 실행시킨다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치 및 방법에 의하면, 수신 패킷의 프리엠블(preamble)에서 획득한 샘플 타이밍 오류 정보를 이용하여 패킷의 수신 시간을 보정하고, 보정된 수신 시간을 기반으로 획득한 노드 간의 전파 지연 거리를 통해 노드 간의 실제 거리를 획득함으로써, 거리 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 거리 측정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류를 이용하여 수신 시간을 보정하는 과정을 설명하기 위한 도면으로, 도 3의 (a)는 송신기와 수신기의 구성을 나타내고, 도 3의 (b)는 패킷의 구성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류에 따른 상관값의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신호 대 잡음비에 따른 샘플 타이밍 오류의 표준 편차를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 명세서에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다" 또는 "포함할 수 있다"등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에 기재된 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터 구조들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치(이하 '전파 지연 거리 측정 장치'라 한다)(100)는 수신 패킷의 프리엠블(preamble)에서 획득한 샘플 타이밍 오류 정보를 이용하여 패킷의 수신 시간을 보정하고, 보정된 수신 시간을 기반으로 획득한 노드 간의 전파 지연 거리를 통해 노드 간의 실제 거리를 획득한다.
이를 위해, 전파 지연 거리 측정 장치(100)는 통신부(110), 제1 거리 획득부(130) 및 제2 거리 획득부(150)를 포함할 수 있다.
통신부(110)는 무선 통신을 통해 외부 노드(도시하지 않음)와 패킷을 송수신한다.
여기서, 패킷의 프리엠블(preamble)은 미리 설정된 길이 m을 가지는 LFSR(linear feedback shift register)로 생성된 주기가 N=2m-1인 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스로, BPSK(binary phase shift keying)로 변조되어 -1 또는 +1의 값을 가질 수 있다.
제1 거리 획득부(130)는 통신부(110)를 통해 외부 노드와 송수신한 패킷의 송신 시간과 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 기반으로 외부 노드와의 전파 지연 거리를 획득한다.
즉, 제1 거리 획득부(130)는 아래의 [수학식 1]을 통해 외부 노드와의 전파 지연 거리를 계산할 수 있다.
Figure 112021022313255-pat00019
여기서,
Figure 112021022313255-pat00020
는 외부 노드와의 전파 지연 거리를 나타낸다.
Figure 112021022313255-pat00021
은 전파 지연 거리 측정 장치(100)가 제1 패킷을 외부 노드로 송신한 시간을 나타낸다.
Figure 112021022313255-pat00022
는 제1 패킷을 외부 노드가 수신한 시간으로, 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 나타낸다.
Figure 112021022313255-pat00023
은 제1 패킷을 외부 노드가 수신한 시간(
Figure 112021022313255-pat00024
)에 대한 정보를 포함하는 제2 패킷을 외부 노드가 전파 지연 거리 측정 장치(100)로 송신한 시간을 나타낸다.
Figure 112021022313255-pat00025
은 제2 패킷을 전파 지연 거리 측정 장치(100)가 외부 노드로부터 수신한 시간으로, 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 나타낸다.
이때, 패킷의 수신 시간은 상관값이 최대가 되는 시점으로 계산한 수신 시간에서 미리 설정된 변조 심벌 간격과 샘플 타이밍 오류를 이용하여 획득된 값을 차감하여 보정된 수신 시간일 수 있다.
즉, 패킷의 수신 시간은 아래의 [수학식 2]를 통해 계산될 수 있다.
Figure 112021022313255-pat00026
여기서,
Figure 112021022313255-pat00027
은, 보정된 패킷의 수신 시간을 나타낸다.
Figure 112021022313255-pat00028
은 상관값이 최대가 되는 시점으로 계산한 패킷의 수신 시간을 나타낸다.
Figure 112021022313255-pat00029
는 샘플 타이밍 오류를 나타낸다.
Figure 112021022313255-pat00030
는 미리 설정된 변조 심벌 간격을 나타낸다.
그리고, 샘플 타이밍 오류는 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 미리 설정된 단위 시간 전의 상관값 및 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 미리 설정된 단위 시간 후의 상관값을 기반으로 획득될 수 있다.
즉, 샘플 타이밍 오류는 아래의 [수학식 3]을 통해 계산될 수 있다.
Figure 112021022313255-pat00031
여기서,
Figure 112021022313255-pat00032
는 샘플 타이밍 오류를 나타낸다.
Figure 112021022313255-pat00033
은 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 미리 설정된 단위 시간 전의 상관값을 나타낸다.
Figure 112021022313255-pat00034
은 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 미리 설정된 단위 시간 후의 상관값을 나타낸다. K[x]는 x가 미리 설정된 범위에서 선형이 되게 하는 계수를 나타낸다. K[x]는 PN 시퀀스의 길이 및 패킷을 송신하는 노드의 SRC(square-root cosine) 필터의 롤오프 계수(roll-off factor)에 의해 변경될 수 있다.
그리고, 상관값은 패킷을 수신하는 노드에 의해, 패킷의 프리엠블을 기반으로, FIR(finite impulse response) 필터 형태로 저장된 샘플값들로부터 획득될 수 있다.
제2 거리 획득부(150)는 제1 거리 획득부(130)를 통해 획득한 외부 노드와의 전파 지연 거리를 기반으로 외부 노드와의 실제 거리를 획득한다.
즉, 제2 거리 획득부(150)는 아래의 [수학식 4]를 통해 외부 노드와의 실제 거리를 계산할 수 있다.
Figure 112021022313255-pat00035
여기서, S는 외부 노드와의 실제 거리를 나타낸다. c는 전파의 속도(= 3 x 108 m/sec)를 나타낸다.
Figure 112021022313255-pat00036
는 외부 노드와의 전파 지연 거리를 나타낸다.
그러면, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 과정에 대하여 보다 자세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 거리 측정 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류를 이용하여 수신 시간을 보정하는 과정을 설명하기 위한 도면으로, 도 3의 (a)는 송신기와 수신기의 구성을 나타내고, 도 3의 (b)는 패킷의 구성을 나타내며, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류에 따른 상관값의 일례를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신호 대 잡음비에 따른 샘플 타이밍 오류의 표준 편차를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 노드 A가 시간
Figure 112021022313255-pat00037
에 패킷 1을 전송하면, 노드 B는 이를 전송 전파 지연 시간
Figure 112021022313255-pat00038
후 시간
Figure 112021022313255-pat00039
에 수신한다. 그리고, 노드 B가 시간
Figure 112021022313255-pat00040
에
Figure 112021022313255-pat00041
정보를 담은 패킷 2를 송신하면, 노드 A는 이를 다시
Figure 112021022313255-pat00042
후 시간
Figure 112021022313255-pat00043
에 수신한다. 시간
Figure 112021022313255-pat00044
과 시간
Figure 112021022313255-pat00045
간에는 [수학식 5]가 성립하는데, 노드 A는 시간
Figure 112021022313255-pat00046
을 알고 있고, 시간
Figure 112021022313255-pat00047
는 수신한 패킷 2에 포함된 정보이므로, [수학식 1]와 같이
Figure 112021022313255-pat00048
를 계산할 수 있고, 노드 A와 노드 B 간의 실제 거리 S를 [수학식 4]를 이용해 계산할 수 있다. 이때, 시간
Figure 112021022313255-pat00049
과
Figure 112021022313255-pat00050
사이에 노드 A와 노드 B 간의 실제 거리 S는 변화가 없다고 가정한다.
Figure 112021022313255-pat00051
[수학식 4]를 이용해 계산한 실제 거리 S의 정밀도는
Figure 112021022313255-pat00052
의 정밀도에 의해 결정되는데, 패킷 수신 시간
Figure 112021022313255-pat00053
,
Figure 112021022313255-pat00054
는 패킷 수신 시 패킷의 프리엠블을 검출하는 시간으로 계산할 수 있으므로, 패킷 변조 심벌의
Figure 112021022313255-pat00055
주기에 의해 결정된다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같은 단순한 시스템을 예시로 하여 본 발명에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 과정을 설명한다.
송신기(transmitter)는 패킷 변조기(packet modulator)와 SRC 필터, 및 DAC(digital-to-analog converter)로 구성되어 있다.
수신기(receiver)는 송신 변조 심벌율의 2배 즉, 변조 심벌 간격
Figure 112021022313255-pat00056
의
Figure 112021022313255-pat00057
간격으로 샘플링하는 ADC(analog-to-digital converter) 및 패킷을 검출하기 위한 프리엠블 상관기(preamble correlator)로 구성되어 있다.
채널은 AWGN(additive white Gaussian noise)을 가정한다.
패킷의 구성은 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 프리엠블과 데이터로 구성된다. 프리엠블은 길이가 m인 LFSR로 생성된 주기가 N=2m-1인 PN 시퀀스로, BPSK로 변조되어 -1 또는 +1의 값을 갖은 것으로 가정한다.
프리엠블 상관기로 입력된 신호 rk는 [수학식 6]과 같다. 이때, 위상 또는 주파수 오프셋은 별도의 방법으로 제거하여 없는 것으로 가정한다.
Figure 112021022313255-pat00058
여기서, sk는 송신 신호를 나타낸다. wk는 잡음을 나타낸다.
프리엠블 상관기는 FIR 필터 형태로 필터 메모리에 저장된 2N개의 샘플값 rn으로부터 상관 값
Figure 112021022313255-pat00059
를 [수학식 7]과 같이 계산한다.
Figure 112021022313255-pat00060
여기서, pn은 BPSK로 변조된 프리엠블을 나타낸다.
프리엠블 상관기에 프리엠블 전체가 입력되는 시간 kp에 상관값은 최대가 되므로 프리엠블을 검출할 수 있다. PN 시퀀스의 특성과 송신기 내의 SRC 필터 특성으로 인해, 상관값이 최대가 되는 시간 kp의 상관값
Figure 112021022313255-pat00061
과 상관값이 최대가 되는 시간 kp 전후의 상관값
Figure 112021022313255-pat00062
및
Figure 112021022313255-pat00063
은 도 4에 도시된 바와 같다. ADC에서 샘플 타이밍 오류가 없는
Figure 112021022313255-pat00064
=0인 경우에는
Figure 112021022313255-pat00065
=
Figure 112021022313255-pat00066
이 성립한다. 하지만,
Figure 112021022313255-pat00067
>0인 경우에는
Figure 112021022313255-pat00068
>
Figure 112021022313255-pat00069
이고,
Figure 112021022313255-pat00070
<0인 경우에는
Figure 112021022313255-pat00071
<
Figure 112021022313255-pat00072
이 된다. 따라서, 샘플 타이밍 오류
Figure 112021022313255-pat00073
를 [수학식 3]과 같이 계산할 수 있다. [수학식 3]에서 함수 K[x]는 샘플 타이밍 오류
Figure 112021022313255-pat00074
이 범위 -0.5 ~ +0.5에서 선형이 되게 하는 계수로서, PN 시퀀스 길이 N과 SRC 필터의 롤오프 계수에 따라 달라진다.
ADC에서 샘플 타이밍 오류가 있는 경우, 프리엠블 상관기에서 상관값이 최대가 되는 시점으로 계산한 패킷 수신 시간
Figure 112021022313255-pat00075
은 실제로 패킷을 수신한 시간
Figure 112021022313255-pat00076
와 샘플 타이밍 오류
Figure 112021022313255-pat00077
에 샘플 타이밍 간격
Figure 112021022313255-pat00078
를 곱한 만큼 오차가 발생한다. 따라서, [수학식 2]와 같이 시간을 보정하면 패킷 수신 시간을 더욱 정확하게 계산할 수 있다.
샘플 타이밍 오류를 보정하지 않는 경우에 패킷 수신 시간의 오차는 샘플 타이밍 간격인
Figure 112021022313255-pat00079
의
Figure 112021022313255-pat00080
이지만, [수학식 2]와 같이 시간을 보정한 경우에는 패킷 수신 시간의 오차는 [수학식 3]으로 계산한 샘플 타이밍 오류
Figure 112021022313255-pat00081
의 오차이다.
도 5는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 SRC 필터의 롤오프 계수가 0.25이고
Figure 112021022313255-pat00082
가 0일 때, PN 시퀀스의 길이 N에 따른 [수학식 3]으로 계산한
Figure 112021022313255-pat00083
의 표준 편차를 비교한 것이다. 동일한 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)에서 N이 증가할수록 표준 편차가 감소하고, SNR이 증가할수록 표준 편차가 감소한다. 표준 편차가 동일할 때 N이 두 배가 되면 약 3dB의 SNR 이득이 있음을 확인할 수 있다.
[수학식 3]에서 계산한 샘플 타이밍 오류의 오차를 [수학식 1]에 적용하면 전송 전파 지연 시간
Figure 112021022313255-pat00084
의 오차를 계산할 수 있다. [수학식 1]에서 패킷 수신 시간
Figure 112021022313255-pat00085
,
Figure 112021022313255-pat00086
가 더해지므로,
Figure 112021022313255-pat00087
의 오차는
Figure 112021022313255-pat00088
,
Figure 112021022313255-pat00089
각각의 오차의 2배가 된다. [수학식 4]로 두 무선 장치 간의 실제 거리 S를 계산할 수 있는데, 샘플 타이밍 오류를 보정하지 않는 경우에 패킷 수신 시간의 오차가 샘플 타이밍 간격인
Figure 112021022313255-pat00090
의
Figure 112021022313255-pat00091
이므로,
Figure 112021022313255-pat00092
의 오차는 그 2배인
Figure 112021022313255-pat00093
이 되고, S의 오차는
Figure 112021022313255-pat00094
이다. 패킷 변조 심벌의 심벌율이 각각 1 Msps(symbol per second), 10 Msps일 때 거리 측정 오차는 150m, 15m로 심벌율이 증가할수록 샘플 간격이 감소하므로 측정 오차가 감소한다. 샘플 타이밍 오류를 이용하여 패킷 수신 시간을 보정할 경우 도 5의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 적용하면 SNR이 10dB, 20dB, 30dB일 때 N과 심벌율에 따른 거리 측정 오차는 [표 1]과 같다. 거리 측정 오차가 감소하여 정밀도가 크게 개선되는 것을 확인할 수 있다. 심벌율이 증가하면 거리 측정 오차가 감소하지만 동일한 심벌율에서도 SNR과 N이 증가하면 정밀도가 향상된다.
SNR N σ distance measurement error
1 Msps 10 Msps

10dB 		63 3.79e-2 11.37m 1.14m
127 2.69e-2 8.07m 0.81m
255 1.92e-2 5.76m 0.58m

20dB 		63 1.20e-2 3.60m 0.36m
127 8.49e-3 2.55m 0.25m
255 6.06e-3 1.82m 0.18m

30dB 		63 3.79e-3 1.14m 0.11m
127 2.69e-3 0.81m 0.08m
255 1.92e-3 0.58m 0.06m
그러면, 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 방법에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 전파 지연 거리 측정 장치(100)는 무선 통신을 통해 외부 노드와 패킷을 송수신한다(S110).
이후, 전파 지연 거리 측정 장치(100)는 외부 노드와 송수신한 패킷의 송신 시간과 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 기반으로 외부 노드와의 전파 지연 거리를 획득한다(S130).
이때, 패킷의 수신 시간은 상관값이 최대가 되는 시점으로 계산한 수신 시간에서 미리 설정된 변조 심벌 간격과 샘플 타이밍 오류를 이용하여 획득된 값을 차감하여 보정된 수신 시간일 수 있다.
그리고, 샘플 타이밍 오류는 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 미리 설정된 단위 시간 전의 상관값 및 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 미리 설정된 단위 시간 후의 상관값을 기반으로 획득될 수 있다.
그리고, 상관값은 패킷을 수신하는 노드에 의해, 패킷의 프리엠블을 기반으로, FIR(finite impulse response) 필터 형태로 저장된 샘플값들로부터 획득될 수 있다.
그런 다음, 전파 지연 거리 측정 장치(100)는 획득한 전파 지연 거리를 기반으로 외부 노드와의 실제 거리를 획득한다(S150).
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록 매체로서는 자기기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 전파 지연 거리 측정 장치,
110 : 통신부,
130 : 제1 거리 획득부,
150 : 제2 거리 획득부

Claims (13)

  1. 샘플 타이밍 오류를 이용하여 외부 노드와의 전파 지연 거리를 측정하고, 상기 전파 지연 거리를 통해 상기 외부 노드와의 실제 거리를 획득하는 장치로서,
    무선 통신을 통해 상기 외부 노드와 패킷을 송수신하는 통신부;
    상기 통신부를 통해 상기 외부 노드와 송수신한 상기 패킷의 송신 시간과 상기 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 기반으로 상기 외부 노드와의 상기 전파 지연 거리를 획득하는 제1 거리 획득부; 및
    상기 제1 거리 획득부를 통해 획득한 상기 전파 지연 거리를 기반으로 상기 외부 노드와의 실제 거리를 획득하는 제2 거리 획득부;
    를 포함하며,
    상기 패킷의 상기 수신 시간은, 상관값이 최대가 되는 시점으로 계산한 수신 시간에서 미리 설정된 변조 심벌 간격과 상기 샘플 타이밍 오류를 이용하여 획득된 값을 차감하여 보정된 수신 시간이고,
    상기 상관값은, 상기 패킷을 수신하는 노드에 의해, 상기 패킷의 프리엠블을 기반으로, FIR(finite impulse response) 필터 형태로 저장된 샘플값들로부터 획득되며,
    상기 샘플 타이밍 오류는, 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 미리 설정된 단위 시간 전의 상관값 및 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 상기 미리 설정된 단위 시간 후의 상관값을 기반으로 획득되고, 식
    Figure 112021068194195-pat00119
    을 통해 계산되며, 상기
    Figure 112021068194195-pat00120
    는, 상기 샘플 타이밍 오류를 나타내고, 상기
    Figure 112021068194195-pat00121
    은, 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 상기 미리 설정된 단위 시간 전의 상관값을 나타내며, 상기
    Figure 112021068194195-pat00122
    은, 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 상기 미리 설정된 단위 시간 후의 상관값을 나타내고, 상기 K[x]는, 상기 x가 미리 설정된 범위에서 선형이 되게 하는 계수를 나타내며 상기 패킷의 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스의 길이 및 상기 패킷을 송신하는 노드의 SRC(square-root cosine) 필터의 롤오프 계수(roll-off factor)에 의해 변경되는 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 패킷의 프리엠블(preamble)은,
    미리 설정된 길이 m을 가지는 LFSR(linear feedback shift register)로 생성된 주기가 N=2m-1인 PN 시퀀스로 BPSK(binary phase shift keying)로 변조되어 -1 또는 +1의 값을 가지는,
    샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에서,
    상기 패킷의 상기 수신 시간은,
    식
    Figure 112021068194195-pat00099
    을 통해 계산되며,
    상기
    Figure 112021068194195-pat00100
    은, 상기 수신 시간을 나타내고,
    상기
    Figure 112021068194195-pat00101
    은, 상기 상관값이 최대가 되는 시점으로 계산한 수신 시간을 나타내며,
    상기
    Figure 112021068194195-pat00102
    는, 상기 샘플 타이밍 오류를 나타내고,
    상기
    Figure 112021068194195-pat00103
    는, 상기 미리 설정된 변조 심벌 간격을 나타내는,
    샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 거리 획득부는,
    식
    Figure 112021022313255-pat00104
    을 통해 상기 외부 노드와의 상기 전파 지연 거리를 계산하며,
    상기
    Figure 112021022313255-pat00105
    는, 상기 외부 노드와의 상기 전파 지연 거리를 나타내고,
    상기
    Figure 112021022313255-pat00106
    은, 제1 패킷을 상기 외부 노드로 송신한 시간을 나타내며,
    상기
    Figure 112021022313255-pat00107
    는, 상기 제1 패킷을 상기 외부 노드가 수신한 시간으로, 상기 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 나타내고,
    상기
    Figure 112021022313255-pat00108
    은, 상기
    Figure 112021022313255-pat00109
    에 대한 정보를 포함하는 제2 패킷을 상기 외부 노드가 송신한 시간을 나타내며,
    상기
    Figure 112021022313255-pat00110
    은, 상기 제2 패킷을 상기 외부 노드로부터 수신한 시간으로, 상기 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 나타내는,
    샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 제2 거리 획득부는,
    식
    Figure 112021022313255-pat00111
    을 통해 상기 외부 노드와의 실제 거리를 계산하며,
    상기 S는, 상기 외부 노드와의 실제 거리를 나타내고,
    상기 c는, 전파의 속도를 나타내며,
    상기
    Figure 112021022313255-pat00112
    는, 상기 외부 노드와의 상기 전파 지연 거리를 나타내는,
    샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치.
  10. 샘플 타이밍 오류를 이용하여 외부 노드와의 전파 지연 거리를 측정하고, 상기 전파 지연 거리를 통해 상기 외부 노드와의 실제 거리를 획득하는 장치가 수행하는 상기 전파 지연 거리의 측정 방법으로서,
    무선 통신을 통해 상기 외부 노드와 패킷을 송수신하는 단계;
    상기 외부 노드와 송수신한 상기 패킷의 송신 시간과 상기 샘플 타이밍 오류를 이용하여 보정된 수신 시간을 기반으로 상기 외부 노드와의 상기 전파 지연 거리를 획득하는 단계; 및
    획득한 상기 전파 지연 거리를 기반으로 상기 외부 노드와의 실제 거리를 획득하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 패킷의 상기 수신 시간은, 상관값이 최대가 되는 시점으로 계산한 수신 시간에서 미리 설정된 변조 심벌 간격과 상기 샘플 타이밍 오류를 이용하여 획득된 값을 차감하여 보정된 수신 시간이고,
    상기 상관값은, 상기 패킷을 수신하는 노드에 의해, 상기 패킷의 프리엠블을 기반으로, FIR(finite impulse response) 필터 형태로 저장된 샘플값들로부터 획득되며,
    상기 샘플 타이밍 오류는, 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 미리 설정된 단위 시간 전의 상관값 및 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 상기 미리 설정된 단위 시간 후의 상관값을 기반으로 획득되고, 식
    Figure 112021068194195-pat00123
    을 통해 계산되며, 상기
    Figure 112021068194195-pat00124
    는, 상기 샘플 타이밍 오류를 나타내고, 상기
    Figure 112021068194195-pat00125
    은, 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 상기 미리 설정된 단위 시간 전의 상관값을 나타내며, 상기
    Figure 112021068194195-pat00126
    은, 상기 상관값이 최대가 되는 시점을 기준으로 하여 상기 미리 설정된 단위 시간 후의 상관값을 나타내고, 상기 K[x]는, 상기 x가 미리 설정된 범위에서 선형이 되게 하는 계수를 나타내며 상기 패킷의 PN(Pseudo-Noise) 시퀀스의 길이 및 상기 패킷을 송신하는 노드의 SRC(square-root cosine) 필터의 롤오프 계수(roll-off factor)에 의해 변경되는 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 기재된 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
KR1020210024709A 2021-02-24 2021-02-24 샘플 타이밍 오류 정보를 이용한 전파 지연 거리 측정 장치 및 방법 KR102300569B1 (ko)

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