KR20010098736A - 통합 무선 글로벌 측위 시스템에서의 피일럿 페이즈오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법 및 무선 터미널위치 결정 방법 - Google Patents

통합 무선 글로벌 측위 시스템에서의 피일럿 페이즈오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법 및 무선 터미널위치 결정 방법 Download PDF

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Abstract

통합 무선 글로벌 측위 시스템(an integrated wireless global positioning system)은 위성 측정치 및 무선 네트워크 측정치로부터 무선 터미널의 위치를 결정한다. 식별된 위치의 정확성은 무선 네트워크로부터의 측정 품질에 의존하는데, 불행히도 여기에는 바이어스와 같은 측정 에러가 포함될 수 있다. 바이어스는 신호의 처리 및 송신동안 일어날 수 있는 시간 지연에 의하여 야기된다. 시간 지연은 각 섹터/기지국에 대하여 그리고 이용되는 무선 터미널 모델의 각 유형에 대하여 변화한다. 이러한 바이어스의 측정은 통합 무선 글로벌 측위(WGP) 시스템의 성공을 위하여 중요하다. 소수의 기지국/무선 터미널만을 가지는 소규모 네트워크 시스템에 있어서, 각 기지국 및/또는 무선 터미널에 대한 시간 지연을 측정하는 특정 시스템이 셋업될 수 있다. 그러나, 한 가지 문제점은 비용이 비싸고 시간 소모적이며 많은 에러를 야기한다는 것이다. 수백 개의 기지국 및 수십 개의 다양한 유형의 무선 터미널이 연관되는 상업적 시스템과 같은 큰 규모의 시스템에서는 적당하지 않다. 본 발명은 파일럿 페이즈 오프셋 지연 파라미터를 획득하고 획득된 값의 품질을 지속적으로 개선하며, 일어날 수 있는 변화에 대비하여 파라미터를 적절히 조절할 수 있도록 통합 WGP 시스템을 이용하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 측정을 위하여 특정 시스템이 셋업될 것을 요구하지 않으며 필드 측정을 수행할 기술적 전문가 팀을 요구하지도 않는다. 본 발명에 의하면, 방해를 받지 않고 GPS 신호를 수신할 수 있는 무선 터미널이 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 추정(estimate)을결정하는데 이용되고 그런 다음 데이터베이스에서 이전에 획득된 파라미터를 갱신하는데 이용된다. 추정된 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터가 방해를 받지 않고 GPS 신호를 수신할 수 없는 무선 터미널의 위치 고정에 적용된 파일럿 페이즈 오프셋을 측정하는데 이용된다.

Description

통합 무선 글로벌 측위 시스템에서의 피일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법 및 무선 터미널 위치 결정 방법{OBTAINING PILOT PHASE OFFSET TIME DELAY PARAMETER FOR A WIRELESS TERMINAL OF AN INTEGRATED WIRELESS-GLOBAL POSITIONING SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 통합 무선 글로벌 측위 시스템(an integrated wireless global positioning system)에 관한 것이며, 보다 구체적으로 통합 무선 글로벌 측위 시스템의 무선 터미널에 대한 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터를 획득하여 선택적으로 이용하는 것에 관한 것이다.
위성 기반형 GPS는 전 세계 이용자에게 정확한 3차원 위치 정보를 제공한다. 도 1은 글로벌 측위 시스템(GPS)(10)을 도시한다. GPS(10)는 다수의 위성(12-j)(j=1,2,...,n) 및 적어도 하나의 GPS 수신기(14)를 포함한다. 각 위성(12-j)은 알려진 속도(vj)로 지구를 선회하며 다른 위성(12-j)으로부터 알려진 거리만큼 떨어져 있다. 각 위성(12-j)은 특정 위성(12-j)과 관련된 고유의 의사 랜덤 잡음(pseudo-random noise)(PN-j) 코드 및 네비게이션 데이터(navigational data)(ND-j)로 변조된 알려진 주파수(f)를 갖는 캐리어 신호를 포함하는 글로벌 위치 신호(11-j)를 송신한다. PN-j 코드는 고유한 PN 칩의 시퀀스와 위성 식별자, 타이밍 정보 및 앙각(elevation angle)(αj)과 방위각(azimuth angle)(φj)과 같은 궤도 데이터를 포함하는 네비게이션 데이터(ND-j)를 포함한다. 도 2는 네비게이션 데이터(ND-j)의 시퀀스에 더하여 PN-j 코드의 20개 전체 시퀀스를 포함하는 GPS 신호(11-j)의 전형적 20ms 프레임을 도시한다.
GPS 수신기(14)는 GPS 신호(11-j)를 수신하기 위한 안테나(15), GPS 신호(11-j)를 탐지하기 위한 다수의 상관기(correlator)(16-k) 및 네비게이션 데이터(ND-j)를 이용하여 위치를 결정하기 위한 소프트웨어를 가지는 프로세서(17)(k=1,2,...,m)를 포함한다. GPS 수신기(14)는 PN-j 코드를 통하여 GPS 신호를 탐지한다. GPS 신호(11-j)의 탐지는 상관 처리에 관련되는데 여기서 상관기(16-k)는 캐리어 주파수 차원 및 코드 페이즈 차원에서 PN-j 코드를 검색하는데 이용된다. 그러한 상관 처리는 복제 캐리어 신호 상에 변조된 페이즈 시프트 복제 PN-j 코드를 수신된 GPS 신호(11-j)와 실시간으로 곱함으로써 구현되며, 통합 및 덤프 처리로 이어진다.
캐리어 주파수 차원에서, GPS 수신기(14)는 캐리어 신호를 복제하여 그 신호가 GPS 수신기(14)에 도착하는 때 GPS 신호(11-j)의 주파수와 매칭되도록 한다. 그러나, 도플러효과 때문에, GPS 신호(11-j)가 송신되는 주파수 f는 신호(11-j)가 GPS 수신기(14)에서 도달하기 전에 알려지지 않은 양 Δfi만큼 변화한다. 그러므로, 각 GPS 신호(11-j)는 그것이 GPS 수신기(14)에 도달하는 때 주파수 f+Δfi를 가질 것이다. 도플러효과를 보상하기 위하여, GPS 수신기(14)는 주파수 스펙트럼 fspec상에서 f+Δfmin에서부터 f+Δfmax까지의 범위에 걸쳐 캐리어 신호를 복제하는데 복제된 캐리어 신호의 주파수가 수신된 GPS 신호(11-j)와 매칭 되기까지 복제를 계속하며, 여기서 Δfmin및 Δfmax는 GPS 신호(11-j)가 위성(12-j)으로부터 GPS 수신기(14)로 이동하는 동안 도플러효과 때문에 받게되는 주파수에서의 최소 및 최대 변화인바, 즉 Δfmin≤Δfj≤Δfmax이다.
코드 위상 차원에서, GPS 수신기(14)는 각 위성(12-j)에 관련된 고유 PN-j 코드를 복제한다. 복제 PN-j 코드의 페이즈는 복제 PN-j 코드로 변조된 복제 캐리어 신호가 상관관계에 있다면 GPS 수신기(14)에 의하여 수신되는 GPS 신호(11-j)와 상관관계에 있을 때까지 코드 페이즈 스펙트럼 Rj(spec)을 따라서 시프팅되는데, 각 코드 페이즈 스펙트럼 Rj(spec)은 관련된 PN-j 코드를 대하여 가능한 모든 페이즈 시프트를 포함한다. GPS 신호(11-j)가 상관기(16-k)에 의하여 탐지되는 경우, GPS 수신기(14)는 탐지된 GPS 신호(11-j)로부터 네비게이션 데이터 ND-j를 검출하며 네비게이션 데이터 ND-j를 이용하여 GPS 수신기(14)의 위치를 결정한다.
GPS는 두 개 이상의 위성으로부터 시작된 GPS 신호가 무선 터미널에 의하여 수신되는데 요구되는 시간 차이를 측정함으로써 지상에 근거한 수신기가 그 위치를 결정하는 것이 가능하도록 한다. 의사 범위가 이 시간 차이의 광속 배에 의하여 결정된다. 의사 범위는 수신기 클록 오프셋에 의하여 야기된 에러를 포함하고 있으므로 실제 범위가 아니다. 2차원 위치(경도 및 위도)를 결정하는 것은 대개 세 개의 위성으로부터 신호를 수신할 것을 요구한다. 3차원 위치(경도, 위도 및 고도)를 결정하는 것은 네 개 이상의 위성으로부터 의사 범위를 수신하는 것을 요구한다. 그러나, 이런 사전 조건이 항상 만족스러운 것은 아니며, 특히 무선 터미널이 빌딩 안에 있는 등의 이유로 직접 위성 신호가 방해를 받는 경우가 그러하다.
요즈음 GPS 수신기는 무선 전화등 하늘에 대하여 맑은 시계(view)를 항상 가지지는 않는 여러 종류의 이동 통신 장치로 통합되고 있다. 이런 상황에서, GPS 수신기(14)에 의하여 수신된 GPS 신호(11-j)의 신호 대 잡음비는 전형적으로 GPS 수신기(14)가 하늘에 대하여 맑은 시계를 가지는 경우보다 훨씬 더 낮고, 그러므로 GPS 수신기(14)가 GPS 신호(11-j)를 탐지하는 것이 보다 어렵게 된다.
통합 무선 글로벌 측위(WGP) 시스템은 GPS 수신기에 의하여 GPS 신호(11-j)를 탐지하는 것을 촉진하도록 개발되었다. WGP 시스템은 GPS 신호(11-j)를 검색하는 상관기에 의하여 수행될 통합의 수를 줄임으로써 GPS 신호(11-j)의 탐지를 촉진한다. 통합의 수는 검색될 주파수 범위 및 코드 페이즈 범위를 좁힘으로써 줄어든다. 구체적으로, WGP 시스템은 특정 주파수 또는 주파수들 및 코드 페이즈 스펙트럼 Rj(spec)보다 더 적은 코드 페이즈의 범위에 대한 GPS 신호(11-j) 검색을 제한한다.
무선 터미널의 위치는 무선 네트워크로부터 얻어진 정보로부터 결정될 수 있다. 이 정보는 전형적으로 파일럿 페이즈 오프셋(PPO) 신호를 포함한다. PPO 측정치는 무선 터미널 및 BS 사이의 거리에 대한 정보를 포함한다. 파일럿 페이즈 오프셋은 파일럿 신호에서의 코드 페이즈의 측정치이다. 파일럿 신호는 무선 터미널 및 BS 간의 거리에 임의의 일기지국으로부터의 모든 파일럿 페이즈 오프셋(PPO) 측정치에 대해서 동일한 바이어스를 더하여 구성된다. 두 개의 BS로부터의 파일럿 페이즈 오프셋 측정치가 이용 가능하다면, 두 개의 파일럿 페이즈 오프셋 측정치는 하나의 파일럿 페이즈 오프셋 측정치를 다른 것으로부터 뺌으로써 하나의 파일럿 페이즈 오프셋 측정치를 구성하는데 이용될 수 있다. 뺄셈은 미지의 상수를 제거하고, 그래서 그 PPO 측정치는 무선 터미널로부터 하나의 BS로의 거리에서 무선 터미널로부터 다른 BS로의 거리를 뺀 것이다. 세 개 이상의 PPO 측정이 이용 가능하다면, 2D 무선 터미널의 위치가 삼각형 방법에 의하여 결정될 수 있다. 무선 네트워크 기반형 신호를 무선 터미널 위치 결정에 이용하는 한가지 문제점은 PPO의 측정치 에러가 보통은 위성 기반형 네비게이션 시스템 측정치 에러보다 훨씬 더 크다는 점이다. 또 다른 문제점은 세 개 이상의 측정치가 위치 결정의 목적을 위하여 항상 이용 가능하지는 않다는 점이다.
통합 WGP 시스템은 무선 터미널의 위치를 결정하기 위하여 위성 네비게이션 시스템 및 무선 통신 시스템 양자 모두에 의존한다. 통합 WGP 시스템은 무선 네트워크 및 위성 네비게이션 시스템 양자로부터의 데이터를 결합하여 통합 측위 솔루션을 획득한다. GPS 및 무선 네트워크 양자로부터의 정보를 결합함으로써, 측위 정확성을 증가시키는 동시에 적어도 세 개의 측정치를 가질 것을 요구하는 문제점을 극복한다.
도 3 은 WGP 서버(22), 다수의 기지국(23) 및 적어도 하나의 WGP 클라이언트(24)로 구성되는 통합 WGP 시스템(20)을 도시한다. WGP 서버(22)는 하늘에 대하여 맑은 시계를 갖는 알려진 고정 위치에 설치된 안테나(27)를 갖는 GPS 수신기(26)를 포함한다. WGP 서버(22)는 유선 또는 무선 인터페이스를 통하여 기지국(23)과 통신하는 것이 가능하다. 각 기지국(23)은 알려진 위치에 있으며 그 기지국(23)과 연관된 지리적 영역 또는 셀(25)내부에 위치한 WGP 클라이언트에 대하여 통신 서비스를 제공하는데, 여기서 각 셀(25)은 알려진 크기이고 다수의 섹터로 분할될 수 있다. WGP 클라이언트(24)는 GPS 수신기(28) 및 아마도 무선 전화와 같은 무선 터미널을 포함하며, 전형적으로 움직이는 상태에 있고 또한/또는 하늘에 대하여 맑은 시계를 가지거나 가지지 않는 알려지지 않은 위치에 있다.
도 4 는 WGP 시스템(20)의 동작을 도시하는 흐름도(300)이다. WGP 서버(22)는 GPS 수신기(26)를 이용하는 위성의 GPS 신호(11-j)를 통하여 다수의 위성(12-j)을 탐지한다. WGP 서버(22)는 각 탐지된 위성 12-j로부터 다음의 정보를 획득하는바, 위성 12-j의 아이덴티티 및 주파수 fi, 탐지된 위성 12-j와 연관된 앙각 αj및 방위각 φj등의 정보를 획득하며, 앙각 αj는 WGP 서버(22) 또는 클라이언트(24)로부터 위성 12-j로의 시선과 그 시선의 수평면상의 투영간의 각으로서 정의되며 방위각 φj는 그 수평면상의 시선의 투영과 수평면의 북쪽 방향의 투영간의 각으로서 정의된다. 도 5를 참조하면, 위성 12-j 및 WGP 서버(22) 또는 WGP 클라이언트(24)에 대응하는 앙각 αj및 방위각 φj를 도시한다.
단계(315)에서, WGP 서버(22)는 현재 WGP 클라이언트(24)와 통신하거나 또는 이를 지원하는 기지국(23)으로부터 섹터 정보를 수신하는데, 그 섹터 정보는 WGP 클라이언트(24)가 현재 위치하고 있는 섹터를 표시한다. 단계(320)에서, WGP 서버(22)는 지원 기지국의 알려진 위치, 지원 기지국에 관련되는 셀 크기 및 WGP 클라이언트(24)가 현재 위치하고 있는 섹터를 기초로 하여 WGP 클라이언트의 위치에 대한 초기 추정을 한다. 일실시예에서, WGP 서버(22)는 처음에 WGP 클라이언트(24)가 섹터 내부의 참조 지점, 즉, 섹터의 대략 중앙 지점에 위치하고있다고 추정한다. 또 다른 실시예에서, WGP 서버(22)는 알려진 포워드 링크 삼각 기법을 이용하여 WGP 클라이언트(24)의 위치를 초기에 추정한다.
단계(330)에서, 각 탐지된 위성 12-j에 대하여, WGP 서버(22)는 탐지된 GPS 신호 11-j로부터 획득된 정보를 이용하여 참조 지점에서의 주파수 fi및 WGP 클라이언트(24)가 현재 위치하고 있는 섹터내부 어느 곳에든 도달하는 GPS 신호 11-j에 대한 모든 가능한 코드 페이즈를 포함하는 코드 페이즈 검색 범위 Rj(sect)를 예상한다. 단계(340)에서, WGP 서버(22)는 지원 기지국(23)으로 검색 메시지를 송신하는데, 검색 메시지는 탐지된 각 위성 12-j에 대하여, 관련된 PN-j 코드에 관한 정보, 예상된 주파수 fj(r) 및 코드 페이즈 검색 범위 Rj(sect)를 포함한다.
단계(350)에서, 지원 기지국(23)은 WGP 클라이언트(24)에게 검색 메시지를 송신하며, 단계(360)에서 검색 메시지에 표시된 위성 12-j에 대한 병렬 검색을 시작한다. 구체적으로, WGP 클라이언트(24)는 상관기를 이용하여 검색 메시지에 표시된 코드 페이즈 검색 범위 Rj(sect)의 한계 내에서 예상된 주파수 fj(r)에서 GPS 신호(11-j) 각각을 동시에 검색할 것이다.
통합 WGP 시스템의 성능은 위성 및 무선 네트워크로부터 수신된 정보의 품질 및 정확성, 즉, 의사범위, PPO등에 직접 의존한다. 불행히도, 이들 측정치는 보통 잡음이 많고 종종 비교적 큰 바이어스 에러를 포함한다. 이는 특히 무선 네트워크 측정 신호에 있어서 종종 바이어스의 대부분이 측정 에러인 경우 그러하다. 바이어스는 신호 송신 및 처리동안 일어나는 시간 지연으로서 정의되고 보통 각 섹터, 각기지국 및 이용되는 무선 네트워크의 각 유형과 모델에 대하여 변화할 것이다. 이러한 시간 지연을 정확하게 추정하고 측정하는 것은 통합 WGP 시스템의 성공적 동작을 위하여 중요하다.
단지 몇 개의 기지국/무선 터미널만이 관련되는 소규모 네트워크 시스템에 있어서, 시스템은 각 기지국 및/또는 GPS에 대한 무선 터미널에 대한 시간 지연을 측정하도록 셋업될 수 있다. 한 가지 방법은 각 무선 터미널, 기지국 및 다수 경로의 개별적 시간 지연을 별도로 측정하는 것이다. 이러한 방법은 각 기지국의 각 섹터에서 각 유형의 무선 터미널에 대한 지연을 측정하는데 정확하고 비싼 장비와 기술적으로 훈련된 사람들을 많이 요구한다. 이러한 방법은 비싸고 시간 소모적이며, 크게 주의하지 않으면 성능이 떨어질 수 있다. 그러나, 실제로 각 기지국에 대한 시간 지연을 측정하는 처리는 수백 개의 기지국 및 수십 개의 서로 다른 유형의 무선 터미널이 연루되는 큰 규모의 상업 네트워크 시스템에 대하여는 적당하지 않다.
또 다른 방법은 무선 네트워크 및 위성 측정치에 기초하여 네트워크 지연 파라미터를 추정하는 것이다. 시스템은 시간 지연 파라미터를 추정하고 조절하며 그런 다음 이러한 정보를 그 데이터베이스에 저장하도록 구성된다. 일단 시간 지연 파라미터의 데이터베이스가 구성되면, 이 데이터베이스는 위치가 알려지지 않은 무선 터미널의 위치를 결정하는 것을 돕는데 이용된다. 무선 터미널/셀 섹터 페어에 대한 시간 지연 파라미터의 추정은 전형적으로 다음의 단계에 의하여 이루어진다.
(1)측정될 셀 섹터의 위성 신호 및 주요 안테나 빔 방향에서의 무선 네트워크 신호를 아무런 방해를 받지 않고 수신할 수 있는 위치에서 측정될 수 있도록 무선 터미널을 셋업한다. 위치는 다수 경로 영향을 회피하기 위하여 기지국으로부터 너무 멀리 떨어져 있지 않아야 하며, 또한 무선 터미널이 주요 신호 피크 대신에 잘못된 신호 피크 상에 갇힐 수 있는 문제점을 회피하도록 기지국으로부터 너무 밀접하게 있지 않아야 한다.
(2)무선 터미널의 정확한 좌표를 얻을 위치를 조사한다. 기지국 안테나의 위치가 알려지지 않았다면, 이것은 결정되어야만 한다. 무선 터미널의 좌표는 수 미터 또는 그 이상에 대하여 정확하여야 한다. 상업적 다양한 GPS의 측위 정확성은 전형적으로 1미터 또는 그 이상이다.
(3)많은 수의 네트워크 및 위성 측정치를 모은다. 시간 지연 파라미터에 대하여 방해를 받지 않는 통계적 추정을 하기 위해서는, 백 개 이상의 샘플을 모아야 한다.
(4)무선 터미널 및 기지국의 알려진 위치, 및 네트워크와 위성 측정치의 모음에 기초하여 시간 지연 파라미터를 계산한다.
(5)새로운 추정에 관하여 시간 지연 파라미터를 조절하고 데이터베이스에 저장한다. 데이터베이스는 각 유형의 무선 터미널에 대하여 시간 지연 정보를 저장하고, 또한 모든 기지국의 각 셀 섹터에 대하여 그러한 정보를 저장한다.
명백히, 이상에서 보여진 종래 기술 절차는 비싸고 시간 소모적이다. 모든 기지국에 대하여 각 섹터에 있는 각 유형의 무선 터미널을 측정하는 동일한 절차 수행을 요구한다. 각 측정에 관련된 시간 제약 및 비용 때문에, 획득될 수 있는 샘플의 수는 상당히 제한되고 이는 획득된 결과의 정확성에 영향을 미친다. 나아가,이러한 측정 처리를 하는 동안, 네트워크 및 무선 터미널 내에서 일어나는 하드웨어/소프트웨어 변화는 측정 처리를 반복할 것을 요구할 수 있다. 그러므로, 이상에서 설명된 측정 처리는 단지 수 개의 기지국/무선 터미널만을 가지는 소규모 무선 네트워크 시스템에 대하여만 적합하다. 수백 개의 기지국 및 수십 개의 다양한 무선 터미널이 측정되어야만 하는 큰 규모의 상업 네트워크 시스템에 대하여는 실용적이지 않다.
따라서, 통합 WGP 시스템에서의 무선 터미널에 대하여 PPO 시간 지연 파라미터를 자동으로 획득하고 그 후 PPO 시간 지연 파라미터를 선택적으로 이용하여 위성 신호를 아무런 방해 없이 수신하지 못하는 무선 터미널의 위치를 결정하는 방법에 대한 필요성이 있다.
통합 WGP 시스템은 위성 측정 및 무선 네트워크 측정으로부터 무선 터미널의 위치를 결정한다. 식별된 위치의 정확성은 무선 네트워크로부터의 측정의 품질에 의존하는데, 불행히도 바이어스와 같은 측정 에러가 포함될 수 있다. 바이어스는 신호를 처리하고 송신하는 동안 일어날 수 있는 시간 지연에 의하여 야기될 수 있다. 시간 지연은 각 섹터/기지국에 대하여 그리고 이용되는 각 유형의 무선 터미널 모델에 대하여 변화한다. 바이어스의 측정은 WGP 시스템의 성공을 위하여 중요하다. 본 발명에서는, WGP 시스템을 이용하여 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터(바이어스)를 자동으로 결정하고 발생할 수 있는 변화에 대하여 파라미터를 적절히 조절하는 방법이 나타나 있다. 본 방법은 측정을 위하여 특정 시스템이 셋업될 것을 요구하지 않으며, 필드 측정을 수행하는 기술적 전문가 팀을 요구하지 않는다. 본 방법에 있어서, GPS 신호를 방해 없이 수신할 수 있는 무선 터미널이 이용되어 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터를 획득하고, GPS 신호를 방해 없이 수신할 수 없는 무선 터미널의 위치를 결정하는 경우 그 시간 지연 파라미터를 이용하여 파일럿 페이즈 오프셋 측정치를 측정한다.
도 1 은 글로벌 측위 시스템(GPS)라고 언급되는 종래 기술의 위성 기반형 네비게이션 시스템을 도시하는 도면,
도 2 는 GPS 신호의 전형적 20ms 프레임을 도시하는 도면,
도 3 은 통합 무선 글로벌 측위(WGP) 시스템을 도시하는 도면,
도 4 는 도 3 의 통합 WGP 시스템의 동작을 도시하는 흐름도,
도 5 는 위성 및 WGP 시스템 클라이언트에 대응하는 앙각 및 방위각을 도시하는 도면,
도 6 은 시간 지연 파라미터 추정, 즉 발명의 원리에 따르는 통합 WGP 시스템의 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 추정을 위한 블록도.
앞서 설명된 바와 같이, GPS와 같은 위성 네비게이션 시스템은 무선 터미널의 위치를 결정하기 위하여 그 무선 터미널에서 이용될 수 있는 위성 신호를 송신하는 일단의 위성을 포함한다. 지구상 무선 터미널의 위치는 다양한 위성에서 시작된 GPS 신호가 그 무선 터미널에 의하여 수신되는데 요구되는 시간 차이에 의하여 결정된다. 2차원 위치(경도 및 위도)를 결정하는 것은 보통 세 개의 위성으로부터 신호를 수신할 것을 요구한다. 3차원 위치(경도, 위도 및 고도)를 결정하는 것은 보통 네 개 이상의 위성으로부터 신호를 수신할 것을 요구한다. 그러나 이러한 사전 조건이 항상 만족되는 것은 아니며, 특히 위성 신호가 방해를 받거나 무선 터미널이 빌딩 안에 있는 경우와 같이 무선 터미널에 의하여 직접 수신될 수 없는 경우 그러하다. 무선 터미널의 위치는 또한 무선 네트워크로부터의 파일럿 페이즈 오프셋 정보를 이용하여 결정될 수 있다. PPO는 파일럿 신호에서의 코드 페이즈의 측정치이다. 이는 무선 터미널과 기지국간의 거리에 임의의 일 기지국으로부터의 모든파일럿 페이즈 오프셋 측정치에 대하여 동일한 상수 바이어스를 더한 정보로 구성된다. 세 개 이상의 PPO 측정치가 이용 가능하다면, 무선 터미널의 2차원 위치가 삼각 계산으로부터 결정될 수 있다. 무선 터미널의 위치를 결정하는데 무선 네트워크 기반형 신호 정보에 의존하는 한 가지 문제점은 PPO 신호의 측정치 에러가 보통 위성 기반형 네비게이션 시스템 측정치 에러보다 훨씬 더 크다는 점이다. 또 다른 문제점은 항상 세 개 이상의 측정치가 무선 터미널의 위치를 결정하는데 이용 가능하지는 않다는 점이다.
통합 WGP 시스템은 무선 터미널의 위치를 결정하는데 위성 시스템 및 무선 통신 시스템 양자로부터의 정보에 의존한다. GPS 및 무선 네트워크 양자로부터의 정보를 결합함으로써, 측위의 정확성이 증가될 수 있고 적어도 세 개의 측정이 획득되어야 하는 요건이 필요하지 않을 수 있다.
물론, WGP 시스템의 성능은 수신된 위성 신호 및 의사 범위와 파일럿 페이즈 오프셋 지연 측정과 같은 무선 네트워크 측정의 품질에 직접 의존한다. 이러한 무선 네트워크 측정은 잡음이 있을 수 있고 큰 바이어스 에러를 가질 수 있다. 특히 무선 네트워크 측정에 있어서 측정 에러의 대부분이 바이어스가 되는 경우 그러하다. 바이어스는 신호의 송신 및 처리동안 일어날 수 있는 시간 지연에 의하여 야기된다. 시간 지연은 각 섹터/기지국에 대하여, 그리고 이용되는 무선 터미널의 모델의 각 유형에 대하여 변화한다. 큰 측위 에러 생성을 피하기 위하여 시간 지연을 정확하게 추정하고 측정하는 것이 필요하다.
파일럿 페이즈 오프셋 측정을 포함하는 무선 네트워크 측정은 성분의 저속및 고속 변화로 구성되는 에러를 포함한다. 신호 송신 및 처리 시간 지연에 의하여 야기되는 성분의 저속 변화는 보통 바이어스라고 표현된다. 성분의 고속 변화는 잡음으로 나타난다. 보통 잡음 보다 훨씬 더 큰 바이어스 성분이 측정된다. 잡음 성분은 측정될 수 없고 평균화 방법과 같은 다른 기법에 의하여 평활화될 수 있다.
기지국 k에서 섹터 j에 위치한 무선 터미널 i에 대한 파일럿 페이즈 오프셋지연 측정은 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기서 아이템의 첨자 'ppo'는 이것이 파일럿 페이즈 오프셋에 관련됨을 나타낸다. 첨자 "i", "j", 및 "k"는 각각 아이템이 기지국 k의 섹터 j에 있는 무선 터미널 i에 관련이 있음을 나타낸다. 더하여, d는 이동 터미널로부터 기지국까지의 거리이며, c는 광속, b는 바이어스 측정치이고, e는 잡음 측정치이며, a는 무선 터미널 i에 관련된 모든 PPO 측정치에 대하여 동일한 알려지지 않은 상수이다.
방정식 1은 파일럿 페이즈 오프셋 바이어스 측정치가 이동 터미널로부터 기지국까지의 거리 dik(광속으로 나뉘어서 시간 치수를 획득함), 바이어스, 잡음및 상수를 더한 것으로 구성됨을 보여준다. 잡음가 평균화 기법에 의하여 평활화될 수 있더라도, 바이어스는 평균화 기법에 의하여 제거될 수 없다. 보통 잡음보다 훨씬 더 크므로 추정되고 측정되어야만 한다. 바이어스 b는 이동 터미널, 기지국으로부터의 신호 송신 및 처리에서 일어나는 하드웨어/소프트웨어 지연에 의하여 주로 야기되며, 경로로부터도 가능할 수 있다. 바이어스 bppo의 추정은 알려지지 않은 상수 appo때문에 PPO 측정으로부터 직접 획득될 수 없다. 다수의 PPO 측정을 평균화하는 것은 bppo와 appo를 더한 값만을 가져올 것이며 bppo만을 가져오지는 않을 것이다. 그러므로 bppo추정을 얻기 위해서는 다른 정보가 요구된다. bppo값을 추정하는데 이용되는 정보는 무선 터미널 타이밍 바이어스 btime이며 이는 다음과 같이 나타내어진다.
여기서 아이템의 첨자 'time'은 아이템이 무선 터미널 타이밍 바이어스 btime에 관련됨을 나타내고 dik는 무선 터미널로부터 기지국까지의 거리이다. 실제 타이밍 바이어스가 알려지지 않았더라도, 무선 터미널이 GPS 신호를 잘 수신한다면 무선 터미널 위치와 함께 정확하게 추정될 수 있다. 추정된 타이밍 바이어스는 다음과 같이 표현된다.
여기서는 GPS 정보에 기초한 추정된 시간 바이어스이며, 에러 아이템는 타이밍 바이어스의 추정에서의 에러를 포함한다.
도 6을 참조하면, GPS 위성으로부터의 신호를 방해를 받지 않고 수신하도록 배치된 무선 터미널에 대하여 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터의 추정을 결정하는 블록도를 도시한다. 이 파라미터는 GPS 위성으로부터의 신호를 방해를 받지 않고 수신하도록 배치되지 않은 무선 터미널의 위치를 결정하는데 이용된다. 시간 지연 파라미터 추정의 결정하고 추정된 값을 이용하여 지연을 측정하는 애플리케이션이 병렬로 수행된다. 상업 무선 네트워트에 있어서, 수십 개의 기지국((BS)620...630)에 의하여 지원되는 전체 네트워크상에 분포되어 있는 수천 개의 무선 터미널((WT)610,612,614,616)이 있다.
무선 터미널중 일부는 GPS 신호를 탁월하게 잘 수신하지만, 반면 다른 것들은 GPS 신호가 장애물에 의하여 부분적으로 또는 완전히 차단되는 곳에 배치될 수 있다. 탁월하게 GPS 신호를 수신할 수 있는 무선 터미널에 있어서는, 위치 계산을 위하여 무선 네트워크의 시간 지연 파라미터를 이용할 필요가 없다. 위성으로부터 직접적으로 수신된 GPS 신호를 이용함으로써 얻어지는 정확성은 보통 각 고정된 위치에 대하여 10미터 이상이다.
본 발명에 있어서, GPS 신호를 탁월하게 수신할 수 있는 터미널로부터 정보 신호가 무선 네트워크의 파일럿 페이즈 오프셋 지연 파라미터 추정을 제공하는 프로세서(640)로 입력되며, 프로세서(640)의 출력은 그 지연 파라미터로 데이터베이스(650)를 갱신하는데 이용된다. 추정된 파라미터는 그런 다음 위성으로부터 방해를 받지 않고 GPS 신호를 수신할 수 없는 무선 터미널에 대한 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터로서 이용되며, 이를 위하여 무선 터미널의 고정 위치를 결정하기 위한 GPS 신호와는 대조적으로 무선 네트워크 데이터를 이용할 필요가 있다.
기지국에 대한 특정 셀 섹터에 위치된 각 특정 무선 터미널 모델에 대하여 파일럿 페이즈 오프셋 지연 파라미터를 자동으로 추정하는 것은, 다음의 조건을 만족시키는 무선 터미널로부터의 모든 측정이 이용되어야 하는바, 1)동일한 모델 유형, 2)동일한 기지국의 동일한 셀 섹터에 의하여 지원됨, 및 3)GPS 신호를 방해를 받지 않고 수신 가능함 등이 그 조건이다. 제 1 조건은 무선 터미널로부터 수신된 장비 일련 번호를 체크함으로써 결정될 수 있다. 각 터미널은 고유의 장비 일련 번호를 가지며, 이는 장비 일련 번호를 무선 터미널 모델과 동일시하는 데이터베이스에 의하여 모델 유형으로 링크될 수 있다. 제 2 조건은 각 무선 터미널을 의사 랜덤 번호와 링크하는 소프트웨어로 결정될 수 있다. 마지막 조건은 무선 터미널이 탐지한 위성의 수 및 각 탐지된 위성 신호의 신호 대 잡음 비율 양자를 결정함으로써 결정될 수 있다. 방정식 (2) 및 (3)으로부터 다음의 식이 유도된다.
위의 방정식에서 마지막 두 항은 영평균 잡음 에러로서 간주될 수 있다. 그러므로, 공통 기지국의 섹터 j에 있다면, 방해를 받지 않고 위성 신호를 수신할 수 있는 유형 i의 무선 터미널의 전체 수는 Nij이며, 그런 다음 추정된 PPO 시간 지연은 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기서는 무선 터미널로부터 기지국으로의 추정된 거리이며는 GPS 정보에 기초하여 추정된 시간 바이어스이다.
무선 터미널 및 기지국간의 추정된 거리는 GPS로부터 획득된 무선 터미널의 위치 및 알려져 있고 데이터베이스에 포함되어 있는 기지국의 위치로부터 결정될 수 있다. GPS 시간 바이어스는 GPS 위성으로부터 유래하여 무선 터미널에 의하여 수신되는 신호로부터 획득된다. GPS 신호가 탐지되면, 복제 코드의 페이즈, 또는 상관기 출력을 최대화하는 복제 의사 수(pseudonumber) 코드의 시작 시간이 결정될 수 있다. 송신 시의 위성 클록 시간이 무선 터미널에 의하여 수신된 위성 신호에 내포되어 있다. 무선 터미널이 복제 코드와 최대로 상관되는 시작 시간으로부터 위성 클록 시간을 뺀 다음 그 결과를 광속으로 곱하면 측정된 의사 범위가 주어질 것이다. 그러나, 무선 터미널의 클록에 시간 바이어스가 존재하기 때문에, 획득된 의사 범위의 값이 무선 터미널로부터 위성으로의 실제 거리가 되지는 않을 것이다. 실제로는 실제 거리와 무선 클록 바이어스에 기인하는 거리의 합일 것이다.
GPS 신호를 방해를 받지 않고 수신할 수 있는 무선 터미널에 있어서, 보통네 개 이상의 위성으로부터 의사 범위 측정치를 획득한다. 네 개 이상의 의사 범위 측정치를 획득하면 세 개의 알려지지 않은 좌표를 포함하는 무선 터미널의 알려지지 않은 3차원 위치를 결정할 수 있게 되고, 잘 알려진 GPS 네비게이션 알고리즘을 이용하여 터미널 시간 바이어스를 결정할 수 있게 된다. 획득된 무선 터미널 시간 바이어스는 (5) 또는 (6)의 관계에서 이용되는 값이다.
일단 공통 섹터에 위치하며 위성 신호를 방해를 받지 않고 수신할 수 있는 동일한 모델 유형의 무선 터미널에 대한 측정이 획득되면, 표현식 (5) 및 (6)에 따라서 함께 그룹화되어 추정된 PPO 시간 지연 파라미터를 획득하게 된다. 여기서 추정된 PPO 파라미터는 4 개 이상의 위성 및 무선 터미널의 위치로부터 직접 획득되고 종래 기술의 비싼 시간 소모적 절차가 회피됨을 주목해야 한다.
방정식 (5) 또는 (6)에서, 파일럿 페이즈 오프셋 파라미터는 많은 수의 측정 샘플을 함께 그룹화한 다음에 계산된다. 획득된 샘플의 수가 많을수록, 더 정확한 결과가 얻어진다. 방정식은 또한 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연의 추정을 위하여 다른 형태로 변화될 수 있다. 예컨대, 이전에 추정된 값 및 새로운 입력 데이터를 이용하여 전체 합을 다시 계산하지 않고 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터의 추정을 지속적으로 갱신하기를 원한다면, 다음의 알고리즘이 적용될 수 있다.
여기서, xi≥0, x2≥0,x1+x2=1이다.
표현식 (7)에서,및는 각각 새로운 갱신된 추정 및 이전의 단계 m에서 추정된 값이다. x1의 값은 0부터 1.0까지의 범위에 있는 값이 할당될 수 있고 x2는 0과 1.0사이의 범위에 있는 값이 할당될 수 있으며, x1과 x2를 더한 값은 1과 같다. x1은 이전에 획득된 PPO 지연 값과 관련되며, x2는 현재의 PPO 지연 값과 관련된다. 그러므로, PPO 지연 파라미터는 x1이 x2에 비하여 큰 경우는 천천히 갱신될 것이고 x1이 x2에 비하여 작은 경우는 신속하게 갱신될 것이다.
본 발명이 앞서의 실시예의 관점에서 설명되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 당업자라면 이상의 설명을 참조하여 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상 및 청구 범위를 벗어나지 않는 범위에서 모든 변형 및 변경이 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서는, WGP 시스템을 이용하여 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터(바이어스)를 자동으로 결정하고 발생할 수 있는 변화에 대하여 파라미터를 적절히 조절하는 방법이 나타나 있다. 본 방법은 측정을 위하여 특정 시스템이 셋업될 것을 요구하지 않으며, 필드 측정을 수행하는 기술적 전문가 팀을 요구하지 않는다. 본 방법에 있어서, GPS 신호를 방해 없이 수신할 수 있는 무선 터미널이 이용되어 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터를 획득하고, GPS 신호를 방해없이 수신할 수 없는 무선 터미널의 위치를 결정하는 경우 그 시간 지연 파라미터를 이용하여 파일럿 페이즈 오프셋 측정치를 측정한다.

Claims (18)

  1. 무선 터미널의 위치를 결정하는 통합 무선 글로벌 측위 시스템(an integrated wireless global positioning system)에서, 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터(pilot phase offset time delay parameter)를 결정하기 위한 방법으로서,
    위성으로부터의 글로벌 측위 시스템(GPS) 신호로부터 일기지국(a base station)의 일섹터(a sector)에 위치한 제 1 무선 터미널의 위치를 결정하는 단계와,
    데이터베이스로부터 상기 기지국의 위치를 획득하는 단계와,
    상기 기지국의 상기 획득된 위치 및 상기 제 1 무선 터미널의 상기 결정된 위치로부터 상기 제 1 무선 터미널 및 상기 기지국간의 거리를 결정하는 단계와,
    상기 제 1 무선 터미널 및 상기 기지국간의 상기 거리를 시간 d로 변환하는(converting) 단계와,
    위성으로부터 상기 제 1 무선 터미널로 가는 GPS 신호에서 상기 제 1 무선 터미널에서의 지연에 기인하는 지연 시간 b를 계산하는 단계와,
    상기 지연 시간 b로부터 상기 시간 d를 빼서 제 1 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터를 획득하는 단계를 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    위성으로부터 수신된 GPS 신호로부터 상기 기지국의 상기 섹터에 위치한 제 2 무선 터미널의 위치를 결정하는 단계와,
    상기 기지국의 상기 위치 및 상기 제 2 무선 터미널의 상기 위치로부터 상기 제 2 무선 터미널 및 상기 기지국간의 거리를 결정하는 단계와,
    상기 제 2 무선 터미널 및 상기 기지국간의 상기 거리를 시간 d로 변환하는 단계와,
    위성으로부터 상기 제 2 무선 터미널로 가는 GPS 신호에서 상기 제 2 무선 터미널에서의 지연에 기인하는 지연 시간 b를 계산하는 단계와,
    위성으로부터 상기 제 2 무선 터미널로 가는 GPS 신호에서 상기 제 2 무선 터미널에서의 지연에 기인하는 상기 지연 시간 b로부터 상기 제 1 무선 터미널에서 상기 기지국으로 가는 신호의 상기 시간 d를 빼서 제 2 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터를 획득하는 단계와,
    상기 제 1 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터를 상기 제 2 무선 터미널의 상기 제 2 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터를 더하여 합을 획득하는 단계와,
    상기 합을 서로 더해진 파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터의 수로 나누어 추정된(estimated) 파일럿 페이즈 오프셋 지연 파라미터를 획득하는 단계를 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 무선 터미널을 식별하는 단계를 더 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 무선 터미널을 그들이 위치한 상기 기지국의 상기 섹터 및 상기 기지국으로 링크하는 단계를 더 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 무선 터미널을 모델 번호로 연결하는 단계를 더 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 무선 터미널이 공통 동작 특성을 가지며 상기 동일한 기지국의 공통 섹터에 위치하고 있음을 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 터미널 및 상기 기지국간의 거리를 광속으로 나누어서 상기 기지국으로부터 상기 무선 터미널로 가는 신호의 시간 d를 획득하는 단계를 더 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 지연 시간 b를 계산하는 상기 단계는
    상기 무선 터미널로부터 적어도 네 개의 위성까지의 거리를 획득하여 세 개의 미지 변수에 상기 지연 시간 b를 더한 값을 결정하는데 이용하는 단계를 포함하는 것을 더 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    천체 궤도(ephemeris)를 이용하여 상기 위성의 상기 위치를 결정하고 세 개의 미지 변수에 상기 지연 시간 b를 더한 값을 결정하는데 이용하는 단계를 더 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 세 개의 미지 변수는 상기 무선 터미널의 x, y, 및 z축의 값임을 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 무선 터미널은 24개 이상의 무선 터미널을 포함하는 것을 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 무선 터미널은 48개 이상의 무선 터미널을 포함하는 것을 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 무선 터미널은 74개 이상의 무선 터미널을 포함하는 것을 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 무선 터미널은 99개 이상의 무선 터미널을 포함하는 것을 특징으로 하는
    파일럿 페이즈 오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법.
  15. 통합 무선 글로벌 측위 시스템에서, 방해를 받지 않고 위성으로부터의 신호를 수신할 수 있도록 배치되어 있지 않은 무선 터미널의 위치를 결정하는 방법으로서,
    상기 무선 터미널, 상기 무선 터미널과 통신하는 상기 기지국 및 상기 기지국의 섹터를 식별하는 단계와,
    식별된 상기 무선 터미널 및 상기 기지국과 섹터를 이용하여, 파일럿 페이즈 오프셋 지연 파라미터를 상기 무선 터미널에 할당하여 상기 무선 터미널로부터 획득된 정보에서 상기 무선 터미널의 위치를 결정하는 단계를 특징으로 하는
    무선 터미널의 위치를 결정하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 추정된 파일럿 페이즈 오프셋 지연 파라미터를 할당하는 단계는
    GPS 신호를 수신하도록 배치되고 상기 동일한 기지국의 상기 동일한 섹터에 위치한 유사 무선 터미널로부터 이전에 결정되어진 추정된 파일럿 페이즈 오프셋 지연을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무선 터미널의 위치를 결정하는 방법.
  17. 제 2 항에 있어서,
    상기 추정된 파일럿 페이즈 오프셋 지연 파라미터를 방해를 받지 않고 위성으로부터의 신호를 수신할 수 있게 배치되지 않은 무선 터미널에 대한 상기 지연 파라미터로서 이용하는 단계를 더 특징으로 하는
    무선 터미널의 위치를 결정하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 동일한 기지국의 상기 동일한 섹터에 배치되고 방해를 받지 않고 위성으로부터의 신호를 수신할 수 있도록 배치되어 있지 않은 무선 터미널과 유사한 무선 터미널로부터 획득된 추정된 파일럿 페이즈 오프셋 지연을 이용하는 단계를 더 특징으로 하는
    무선 터미널의 위치를 결정하는 방법.
KR1020010021081A 2000-04-20 2001-04-19 통합 무선 글로벌 측위 시스템에서의 피일럿 페이즈오프셋 시간 지연 파라미터 결정 방법 및 무선 터미널위치 결정 방법 KR20010098736A (ko)

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