KR20020094736A - 무선 측위 시스템을 위한 비가시경로 오차 보정 방법 - Google Patents

무선 측위 시스템을 위한 비가시경로 오차 보정 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 무선 측위 시스템을 위한 비가시경로 오차 보정 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 비가시경로(NLOS) 전파의 TOA 추정 오차가 전파의 지연 확산 정도와 비례관계에 있는 통계적 특성을 이용하여 측위 정확도를 향상시키기 위하여, CDMA 이동통신망에서 전파의 비가시경로 성분에 의한 측위 오차를 보정하기 위한 비가시경로 오차 보정 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하고자 함.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 무선 측위 시스템에 적용되는 비가시경로 오차 보정 방법에 있어서, 상기 무선 측위 시스템의 수신기가 단말기에서 추정한 TOA(Time Of Arrival)() 오차 요인에 따라, 전파 지연 확산의 크기에 비례하는 전파 환경의 통계적 특성을 이용하여 다중 경로 채널을 추정하는 제 1 단계; 상기 TOA 추정 시에 전파의 가시경로 혹은 비가시경로인지를 판단하는 제 2 단계; 및 상기 제 2 단계의 판단결과에 따라, 비가시경로이면 다중 경로 신호 성분들의 지연시간과 크기로부터 지연 확산을 계산하여 추정된 TOA의 오차를 각 환경에 맞게 보정하고, 보정된 TOA추정치에 따라 위치를 계산하는 제 3 단계를 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 무선 측위 시스템 등에 이용됨.

Description

무선 측위 시스템을 위한 비가시경로 오차 보정 방법{Method of correction NOLS error for wireless positioning system}
본 발명은 현재 사용중인 무선가입자망(WLL), 광대역무선가입자망(B-WLL), 이동전화망(Cellular), 개인휴대통신망(PCS), 외국에서 사용중인 타 이동전화망, 현재 유럽방식과 북미방식으로 표준화가 추진되고 있는 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000), UMTS(Universal Mobile Telecommunication Service) 등과 같은 차세대 이동통신망(IMT-2000) 등을 포함하는 무선통신시스템에서 단말기의 위치를 결정하는 무선 측위 시스템에 존재하는 다양한 측위 오차요인을 제거하는 측위 정확도 향상을 위한 비가시경로 오차 보정 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
즉, CDMA(Code Division Multiple Access) 이동통신망에서 단말기의 위치를 결정하는 무선 측위 시스템에서 존재하는 다양한 측위 오차요인을 제거하는 측위 정확도 향상을 위한 기술에 속하며, 일반적인 측위 오차 요인과 이를 해결하기 위한 기술은 다음과 같다.
1) 다중 경로 오차
도심에서 다중경로에 의한 오차는 전파의 도달 각(AOA : Angle Of Arrival)이나 신호의 세기를 측정하여 측위하는 시스템에서는 가장 큰 오차 요인이 된다. 또한, 도달시간(TOA : Time Of Arrival)이나 도달시간차(TDOA : Time Difference Of Arrival) 방법을 쓰는 시간을 기반으로 하는 측위 시스템에서 다중경로는 정확한 TOA나 TDOA 측정값을 추정하는데 오차를 유발한다. 상호상관을 이용하여 측정값을 추정하는 전통적인 지연 추정기(delay estimator)는 다중 경로에 의해서 영향을받는데, 특히 다중 경로 신호와 직접 도착한 신호의 차가 1칩(chip) 이내일 때 많은 영향을 받는다. 이와 같은 다중 경로에 의한 오차를 줄이기 위해 "root-MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)이나 TLS-ESPRIT(Total Least Square - Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)"과 같은 초고분해능 기술을 사용하여 전통적인 지연 추정기에서 검출하지 못하는 다중 경로 성분을 검출한다.
2) 수신능력(hearability) 문제
N 차원 상에서 TDOA를 이용하여 이동국의 위치를 추정하기 위해서는 적어도 N+1 개의 서로 다른 위치의 기지국과 이동국 사이의 거리의 차 또는 시간차가 필요하다. 즉, 2차원 평면상에서의 CDMA 이동통신망을 이용한 무선 측위는 이동국과 3개 이상의 서로 다른 위치의 기지국 사이의 시간차를 추정해야지 가능하다. 그러므로, 다른 기지국과의 시간 지연의 차이의 추정 능력이 중요한 인자로 작용하게 되며, 이것을 hearability라고 한다. CDMA 이동통신망은 간섭 제한적인 시스템이다. 따라서, CDMA 이동통신망은 가입자 용량을 극대화시키는 동시에 사용자에게 좋은 품질의 서비스를 제공하기 위하여 셀 들을 격리해야 하므로 홈(home) 셀에 속한 이동국과 다른 셀과의 링크(link)는 더욱 어려워진다. 또한, home 셀의 강한 기지국 송신 신호는 다른 셀의 미약한 송신신호에 강한 간섭신호로 작용하여 hearability를 악화시켜 다른 기지국과의 시간 지연의 차의 추정 오차를 증가시킨다. 이를 해결하기 위하여, home 셀 기지국의 송신 신호를 순간적으로 정지시켜 다른 기지국의 hearability를 확보하는 IPDL(Idle Period Downlink)나 단말기에서 수신한 home 셀기지국 신호를 제거해서 hearability를 확보하는 간섭 제거 기술 등이.
3) 기지국간 시각동기 오차
기지국간의 시각 동기 오차는 바로 단말기의 위치 오차로 연결된다. GPS(Global Positioning System)는 위성들간의 시각을 10-11정도의 정확도를 유지하고 10-10정도의 정확도를 유지하고 있으므로, GPS를 이용하여 기지국간의 시각 동기를 유지하면 이에 의한 측위 오차 요인을 3cm이내로 낮게 할 수 있다.
4) 비가시경로 오차
가시경로 신호 성분이 없이 수신된 신호는 반사되고 회절되어 가시경로 신호 성분이 통과한 직접 경로 길이보다 더욱 긴 경로를 거치게 된다. 이는 다중경로가 없는 환경에서 초고분해능 기술을 사용한다 하더라도 TOA 와 TDOA를 이용한 무선 측위 시스템의 정확성을 크게 감소시킨다. GSM(Global System for Mobile Telecommunication) 시스템에서의 측정 결과에 따르면, 도심에서의 비가시선(NLOS : Non Line Of Site) 전파에 의한 통계적인 오차는 400~700m에 이른다. 전파 환경의 영향을 받는 CDMA 시스템도 위와 같은 결과에 예외일 수는 없다.
그러나, 이러한 NLOS 전파는 TOA나 TDOA 측정값에서 바이어스(bias) 성분을 갖게 되며, 측위 알고리즘만으로는 해결할 수 없는 문제이다. 즉, 기존의 측위 알고리즘들은 기지국과 단말기 사이에 가시경로 성분이 있는 경우에만 정확한 위치를 추정할 수 있으므로, 비가시경로의 측정값에 의한 단말기의 위치는 실제 위치로부터 멀리 벗어나 있다. 비가시경로 오차를 줄이기 위한 방법으로 비가시경로 신호성분에 가중치를 줄여서 측위 알고리즘을 계산하는 것이 있다. 각각 의사거리 측정값에 가중치를 두어 최소 자승법으로 계산한다.
따라서, 상기한 바와 같은 측위 오차 요인 중 가장 큰 오차 요인으로 작용하는 비가시경로 오차에 의한 측위 성능 저하 문제를 해결하기 위한 방안이 필수적으로 요구된다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 비가시경로(NLOS) 전파의 TOA 추정 오차가 전파의 지연 확산 정도와 비례관계에 있는 통계적 특성을 이용하여 측위 정확도를 향상시키기 위하여, CDMA 이동통신망에서 전파의 비가시경로 성분에 의한 측위 오차를 보정하기 위한 비가시경로 오차 보정 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 측위 서비스 시스템의 구성 예시도.
도 2 는 본 발명에 따른 TOA 추정 오차와 지연 확산 상태를 나타낸 일예시도.
도 3 은 본 발명에 따른 무선 측위 시스템을 위한 비가시경로 오차 보정 방법에 대한 일실시예 흐름도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 이동국(MS)12 : 기지국(BTS)
13 : 제어국(BSC)14 : 위치 관련 서비스 서버
15 : 데이터베이스
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 무선 측위 시스템에 적용되는 비가시경로 오차 보정 방법에 있어서, 상기 무선 측위 시스템의 수신기가 단말기에서 추정한 TOA(Time Of Arrival)()의 오차 요인에 따라, 전파 지연 확산의 크기에 비례하는 전파 환경의 통계적 특성을 이용하여 다중 경로 채널을 추정하는 제 1 단계; 상기 TOA 추정 시에 전파의 가시경로 혹은 비가시경로인지를 판단하는 제 2 단계;및 상기 제 2 단계의 판단결과에 따라, 비가시경로이면 다중 경로 신호 성분들의 지연시간과 크기로부터 지연 확산을 계산하여 추정된 TOA의 오차를 각 환경에 맞게 보정하고, 보정된 TOA 추정치에 따라 위치를 계산하는 제 3 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 프로세서를 구비한 무선 측위 시스템에, 상기 무선 측위 시스템의 수신기가 단말기에서 추정한 TOA(Time Of Arrival)()의 오차 요인에 따라, 전파 지연 확산의 크기에 비례하는 전파 환경의 통계적 특성을 이용하여 다중 경로 채널을 추정하는 제 1 기능; 상기 TOA 추정 시에 전파의 가시경로 혹은 비가시경로인지를 판단하는 제 2 기능; 및 상기 제 2 기능의 판단결과에 따라, 비가시경로이면 다중 경로 신호 성분들의 지연시간과 크기로부터 지연 확산을 계산하여 추정된 TOA의 오차를 각 환경에 맞게 보정하고, 보정된 TOA 추정치에 따라 위치를 계산하는 제 3 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
본 발명은 CDMA 이동통신망에서 무선 단말기의 위치를 결정하는 무선 측위 시스템의 구현에 필요한 측위 정확도 향상을 위한 기법으로서, 도심 전파환경에서 빈번히 일어나는 비가시경로 전파의 TOA 추정 오차에 의한 측위 성능 저하를 해결하기 위한 기술이다.
따라서, 본 발명에서는 셀룰라, PCS(Personal Communications Services) 및 국내 서비스 개시를 추진중에 있는 IMT-2000(International Mobile Telecommunication 2000) 등 CDMA 이동통신망의 도심 전파환경에서 심각하게 나타나는 비가시경로 전파로 인하여 실제 TOA보다 더욱 큰 TOA를 추정하게 되는 비가시경로 오차 요인에 의하여 유발되는 측위 성능 저하 문제를 해결하고자 한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 측위 서비스 시스템의 구성 예시도로서, 도면에서 "11"은 이동국(MS : Mobile Station), "12" 기지국(BTS : Base station Transceiver Subsystem), "13"은 제어국(BSC : Base Station Controller), "14"는 위치관련서비스(LCS : LoCation Service) 서버, 그리고 "15"는 지리정보체계(GIS : Geographic Information System) 데이터베이스(DB)를 각각 나타낸다.
CDMA 이동통신시스템 환경은 당해 분야에서 이미 주지된 기술에 지나지 아니하므로 여기에서는 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이동국(MS)(11)은 임의의 기지국(12)의 범위내에 있고, 이동국(11)의 정보는 기지국(12)과 이를 제어하는 제어국(13)을 거쳐 CDMA망의 교환국(MSC)에 전송되며, 교환국으로부터 전송되는 정보는 제어국(13) 및 기지국(12)을 거쳐 이동국(11)으로 전송된다.
이동국(11)은 사용자가 소지하고 이동하면서 통신할 수 있는 단말기이다.
기지국(BTS)(12)은 이동국(11)을 제어국(13)에 접속시키며, 디지털 채널 장치(DCU : Digital Channel Unit), 시간/주파수 제어 장치(TCU : Timing/Frequency Control Unit), 무선 주파수 장치(RFU : Radio Frequency Unit), 및 광역 측위 시스템(GPS : Global Positioning System) 등으로 구성된다.
그리고, 기지국(12)은 이동국(11)과 무선을 통해 통신하고, 제어국(13)과 유선으로 통신을 수행하는 유무선 변환 기능을 수행한다.
제어국(BSC)(13)은 기지국(12)을 교환국에 접속시켜 기지국(12)간의 연결을 조정하며, 기지국(12)과 교환국(14)간의 통신을 위한 신호처리 기능을 한다.
그리고, 교환국은 제어국(13)과 접속하여 이동국(11)의 통화설정 및 해제 기능 등을 수행하고, 호처리 및 부가서비스 관련 각종 기능을 수행한다.
이제, 위치 확인 기술을 위한 각 구성요소들의 기능을 살펴보면 다음과 같다.
기지국(12)은 이동국(11)과 무선을 통해 통신하고, 제어국(13)과 유선으로 통신을 수행하는 유무선 변환 기능을 수행한다. 이때, 무선을 통해 이동국(11)으로부터 위치확인신호를 넘겨받아 유선을 통해 제어국(13)으로 전달하고, 확인된 위치에 따른 발신호의 과금 등급을 이동국(11)으로 전달한다.
제어국(BSC)(13)은 기지국(12)을 CDMA 이동통신망에 접속시켜 기지국(12)간의 연결을 조정하며, 기지국(12)과 CDMA 이동통신망간의 통신을 위한 신호처리 기능을 한다. 이때, CDMA 이동통신망을 통해 위치결정을 위한 관련 정보를 위치관련 서비스 서버(14)로 전달한다.
위치관련 서비스 서버(14)는 제어국(13)의 위치확인 요청을 받아 GIS DB(15)를 검색하고, 검색된 결과를 CDMA 이동통신망을 통해 제어국(13)으로 전달한다.
이동국(11)은 기지국(12)으로부터 전달받은 위치에 따른 과금 등급 데이터를화면에 표시한다.
본 발명은 비가시경로 전파의 TOA추정 오차가 전파의 지연 확산의 크기에 비례하는 무선 전파 환경의 통계적 특성을 이용하여 TOA 추정 시에 전파의 가시경로/비가시경로를 판별하여 비가시경로일 경우 다중 경로 신호 성분들의 지연시간과 크기로부터 지연 확산을 계산하여 추정된 TOA를 각 환경에 맞게 보정함으로써, TOA 추정 정확도를 증가시켜 무선 측위 시스템의 측위 성능를 향상시키기 위한 기술이다.
현재까지 광대역 무선 임펄스 응답의 측정으로부터 무선 채널의 두가지 중요한 파라미터인 평균 초과 지연과 rms 지연확산의 관계에 대한 분석을 시도하려는 많은 연구가 진행되었다. 실측을 바탕으로 한 이러한 연구 결과를 보면 평균 초과 지연과 지연 확산은 상당한 상관관계를 갖고 있음을 알 수 있다. 모토롤라에 의해 수행된 실측 데이터를 살펴보면, 평균 초과 지연과 지연 확산의 관계가 교외지역과 부도심지역에서는 1:2, 도심지역에서는 1:1에서 1:2 사이의 비율을 가짐을 알 수 있다.
평균 초과 지연은 거리를 추정하는 시스템에서 중요한 파라미터로써, c를 전파의 속도,를 평균 초과 지연이라 했을 때 상관기를 이용한 TOA 추정기에서 거리 추정 오차는으로 근사화된다. 따라서, 단말기에서 추정한 TOA () 는 하기의 [수학식 1]과 같다.
여기서,는 직접경로에 의한 시간 지연이며,은 지연 시간 추정기 오차와 비가시경로 오차를 포함한다. 특히, 비가시경로 전파 환경에서 TOA 추정 오차는 주로 비가시경로 오차에 기인하며, 이는 수신기에서 측정한 다중 경로 신호의 지연 시간과 전력을 이용하여 추정된 지연 확산에 의하여 보정될 수 있다. rms 지연 확산는 하기의 [수학식 2]와 같다.
여기서,이고,는i번째 다중 경로의 지연 시간,P i 는i번째 다중 경로의 전력을 의미한다. 도 2에서는 무선 채널의 임펄스 응답을 통해 지연확산과 평균 초과 지연을 도시하였다. 앞서 각 전파 환경에서 측정된 지연 확산과 평균 초과 지연의 비율에 의하여 지연 시간 추정 오차를 근사화할 수 있다. 여기서,은 하기의 [수학식 3]과 같다.
여기서,k(예를 들면 도심지역에서 1 또는 부도심지역에서0.5)는 지연 확산과 평균 초과 지연의 비례상수를 의미하며, 각 환경에 대하여 미리 측정된 값이다. 따라서, 최종적으로 비가시경로 오차를 보정한 TOA 추정치는 하기의 [수학식 4]와 같다.
상기한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 무선 측위 시스템을 위한 비가시경로 오차 보정 방법의 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3 은 본 발명에 따른 무선 측위 시스템을 위한 비가시경로 오차 보정 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 비가시경로 전파의 TOA 추정 오차가 전파의 지연 확산의 크기에 비례하는 무선 전파 환경의 통계적 특성을 이용하여 다중 경로 채널을 추정한 후(201), TOA 추정 시에 전파의 가시경로 및 비가시경로를 판단한다(202).
판단결과, 가시경로이면 TOA를 추정하여(203) 위치를 계산하고(204), 비가시경로이면 지연 확산 추정 보정치를 계산한 후(205), TOA를 추정하는 과정(203)으로진행한다. 즉, 비가시경로일 경우 다중 경로 신호 성분들의 지연시간과 크기로부터 지연 확산을 계산하여 추정된 TOA를 각 환경에 맞게 보정함으로써, TOA 추정 정확도를 증가시켜 무선 측위 시스템의 측위 성능을 향상시키도록 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 셀룰라, PCS 및 IMT-2000 등 CDMA 이동통신망에서 무선 측위 시스템을 구현할 때, 가장 큰 측위 오차로 작용하던 도심과 같은 복잡한 전파환경에서 자주 일어나는 비가시경로 오차를 해결하여 정확도를 향상시킴으로써, 정밀한 해상도를 요구하는 측위 서비스를 가능하게 하고, 측위 서비스 가능 영역을 확대하여 현재 유선전화를 통해 받고 있는 위치 관련 서비스와 같은 수준의 서비스를 이동 중에도 받을 수 있을 뿐만 아니라 낯선 지역에서의 정보 안내, 차량 추적, 이동 전화 번호부(mobile yellow page) 서비스 등 다양한 위치 관련 서비스를 받을 수 있어 현대인의 생활에 획기적인 변화를 줄 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 무선 측위 시스템에 적용되는 비가시경로 오차 보정 방법에 있어서,
    상기 무선 측위 시스템의 수신기가 단말기에서 추정한 TOA(Time Of Arrival)()의 오차 요인에 따라, 전파 지연 확산의 크기에 비례하는 전파 환경의 통계적 특성을 이용하여 다중 경로 채널을 추정하는 제 1 단계;
    상기 TOA 추정 시에 전파의 가시경로 혹은 비가시경로인지를 판단하는 제 2 단계; 및
    상기 제 2 단계의 판단결과에 따라, 비가시경로이면 다중 경로 신호 성분들의 지연시간과 크기로부터 지연 확산을 계산하여 추정된 TOA의 오차를 각 환경에 맞게 보정하고, 보정된 TOA 추정치에 따라 위치를 계산하는 제 3 단계
    를 포함하는 무선 측위 시스템을 위한 비가시경로 오차 보정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단말기에서 추정한 비가시경로 TOA()는,
    하기의 수학식에 의해 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 시스템을 위한 비가시경로 오차 보정 방법.
    (여기서,는 직접경로에 의한 시간 지연,은 지연 시간 추정기 오차와 비가시경로 오차임)
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 TOA 추정치는,
    각 전파 환경에서 측정된 지연 확산과 평균 초과 지연의 비율에 의하여 추정된 지연시간 오차()를 근사화하여 계산된 비가시경로 오차 보정치이며, 하기의 수학식에 의해 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 시스템을 위한 비가시경로 오차 보정 방법.
    (여기서,k(예를 들면 도심지역에서 1 또는 부도심지역에서0.5)는 지연 확산과 평균 초과 지연의 비례상수를 의미하며, 각 환경에 대하여 미리 측정된 값임)
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계의 판단결과에 따라, 가시경로이면 가시경로 TOA를 추정하여 위치를 계산하는 제 4 단계
    를 더 포함하는 무선 측위 시스템을 위한 비가시경로 오차 보정 방법.
  5. 프로세서를 구비한 무선 측위 시스템에,
    상기 무선 측위 시스템의 수신기가 단말기에서 추정한 TOA(Time Of Arrival)()의 오차 요인에 따라, 전파 지연 확산의 크기에 비례하는 전파 환경의 통계적 특성을 이용하여 다중 경로 채널을 추정하는 제 1 기능;
    상기 TOA 추정 시에 전파의 가시경로 혹은 비가시경로인지를 판단하는 제 2 기능; 및
    상기 제 2 기능의 판단결과에 따라, 비가시경로이면 다중 경로 신호 성분들의 지연시간과 크기로부터 지연 확산을 계산하여 추정된 TOA의 오차를 각 환경에 맞게 보정하고, 보정된 TOA 추정치에 따라 위치를 계산하는 제 3 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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