KR20030033417A - 이동통신 시스템에서 역방향 파일롯 신호를 이용하여이동국의 위치를 추정하는 방법 - Google Patents

이동통신 시스템에서 역방향 파일롯 신호를 이용하여이동국의 위치를 추정하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신 시스템에서 이동국의 위치를 추정하는 방법에 관한 것으로, 특히 역방향 파일롯 채널을 이용하여 이동국의 위치를 추정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 종래와 같이 순방향 파일롯 신호만을 이용하여 이동국의 위치를 추정하는 것이 아니라, 주파수 영역이 서로 다른 순방향 파일롯 신호와 역방향 파일롯 신호를 함께 이용하여, 멀티 페이딩에 의한 위상차 정보의 오차를 확률적으로 줄일 수 있는 이동국 위치 추정 방법을 제공한다.
본 발명은 이동통신 시스템에서 순방향 파일롯 위상차를 이용하여 이동국의 위치를 추정 방법에 있어서, 이동국이 역방향 파일롯 신호를 송신하는 제 1 단계; 각 기지국이 수신된 역방향 파일롯 신호의 위상을 측정하는 제 2 단계; 각 역방향 파일롯 위상의 위상차를 측정하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계의 역방향 파일롯 위상차와 상기 순방향 파일롯 위상차를 이용하여 파일롯 위상차를 구하는 제 4 단계; 및 상기 파일롯 위상차를 이용하여 이동국의 위치를 추정하는 제 5 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

이동통신 시스템에서 역방향 파일롯 신호를 이용하여 이동국의 위치를 추정하는 방법{METHOD FOR ESTIMATING POSITION OF MOBILE STATION USING REVERSE PILOT SIGNAL}
본 발명은 이동통신 시스템에서 이동국의 위치를 추정하는 방법에 관한 것으로, 특히 역방향 파일롯 채널을 이용하여 이동국의 위치를 추정하는 방법에 관한 것이다.
이동통신 시스템에서 이동국(Mobile Station)의 위치를 추정하는 서비스는 크게 핸드셋 기반 솔루션(Handset Based Solution)과 네트워크 기반 솔루션(Network Based Solution)으로 나뉘어 질 수 있다.
핸드셋 기반 솔루션은 이동국에 글로벌 위치 측위 시스템(Global Position System:이하 "GPS"라 한다.) 수신기가 탑재되어, 이동국이 자신의 위치를 추정하는 방식이다. 이 방식은 이동국의 위치를 비교적 정확하게 측정할 수 있으나, 이동국이 건물 내에 위치하거나 지하에 위치하는 등과 같이 GPS 신호가 충분히 수신되지 않는 지역에 위치하는 경우에는, 정확한 위치를 측정할 수 없게 되는 문제점이 있다.
네트워크 기반 솔루션은 기본적으로 도착 시간 차이(Time Difference Of Arrival:이하 "TDOA"라 한다.)방식과 도착 각도 차이(Angle Of Arrival:이하 "AOA"라 한다.) 방식등이 있다. 그런데, 상기 AOA 방식은 간단한 구조를 가지나 성능이 떨어져 사용되지 않고, 대부분 복잡하지만 성능이 우수한 TDOA 방식이 사용된다. TDOA 방식은 라운드 트립 딜레이(Round Trip Delay:이하 "RTD"라 한다.) 정보 또는 파일롯 위상 측정(Pilot Phase Measurement) 정보를 이용하여 이동국의 위치를 추정하게 된다. TDOA 방식은 공지된 기술이므로 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 라운드 트립 딜레이 방식을 이용한 이동국의 위치 추정을 도시한 도면이다.
상기 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 동기식 방식에서 기지국(Base Station)(110)에서 송신한 신호가 이동국(120)에 도착한 시간이 tau라고 할 때, 이동국(120)에서 상기 도착한 신호를 바로 기지국(110)으로 전송한 시간은 reciprocity 원리 즉, 전파의 원리에서 송수신 상호간 겪게 되는 통신경로는 동일하다고 가정하는 원리에 의하여 동일한 시간 tau 가 된다. 따라서 기지국(110)에서 수신되는 이동국(120)까지의 지연시간은 2tau가 된다. RTD 방식은 이동국(120)의 위치(위도, 경도)는 알 수 없고 단순히 이동국(120)이 기지국(110)으로부터 얼마만큼 떨어져 있는지 알 수 있다. 따라서 기지국(110)에서는 사용한 주파수를 이용하여 전파의 진행속도를 계산하여 기지국(110)에서 이동국(120) 까지의 거리를 알 수 있다. 복수개의 기지국들을 이용하여 각 기지국들과 이동국과의 거리를 측정하고 삼각법등을 적용하여 이동국의 위치를 추정하게 된다.
도 2는 파일롯 위상차를 이용한 이동국의 위치 추정을 도시한 도면이다.
이동국(220)에서는 두 개 이상의 기지국(210, 230)에서 수신되는 각 순방향 파일롯 피엔의 위상(Pilot PN Phase)을 측정하며, 순방향 파일롯 피엔의 오프셋 차이(Forward Pilot PN Offet Difference)를 측정한다. 이동국(220)은 가장 먼저 수신되는 파일롯 피엔을 기준으로 다른 파일롯 피엔의 위상과의 차이를 산출하여 순방향 파일롯 위상차 정보를 기지국(210)으로 전송하면, 기지국(210)은 상기 전송된 정보를 이용하여 이동국(220)의 위치를 추정한다. 여기서, 파일롯 위상차(Pilot Phase Difference)는 TDOA와 동일한 의미를 가진다.
네트워크 기반의 위치 추정 서비스보다 더 정확한 위치정보를 제공하기 위해 퀄컴(Qualcomm)사에서 제안하고 있는 gpsOne의 하이브리드(Hybrid) 방식은 GPS와 네트워크를 동시에 이용하는 방법으로써, 핸드셋 기반 기술과 네트워크 기반 기술의 상호간 문제점을 보완한 것이다.
이동국에는 GPS 수신기가 장착되며, RTD 또는 파일롯 위상차 정보와 GPS 정보를 이동망의 위치 추정 장치로 송신한다. 위치 추정 장치에서는 상기 수신되는 이동국으로부터의 정보를 이용하여 이동국의 위치를 추정한다. 이동망측에서 위치 계산을 하는 이유는 위치 추정시에 계산량이 많기 때문에 이동국에서 위치 추정을 하는 것이 부담스럽기 때문이다. 위치 추정 장치는 기지국 외부에 별도로 마련될 수가 있다.
도 3은 하이브리드 방식에서 이동국의 위치 추정을 도시한 도면이다.
이동국(330)이 두 개의 GPS 위성(310, 320)으로부터 GPS 신호를 수신하는 경우에는, 위치 계산에 오차가 발생할 수 있다. 따라서 이동국(330)은 기지국(340)과 연동하여 RTD 또는 파일롯 위상차 정보를 측정하며, 상기 두 GPS 위성(310, 320)으로부터 수신한 GPS 정보와 상기 RTD 또는 파일롯 위상차 정보를 이동망측의 위치 추정 장치(Position Determination Equipment:이하 "PDE"라 한다.)(도시하지 않음.)로 송신한다. 그러면 PDE 는 상기 수신되는 정보들을 이용하여 이동국(330)의 위치를 추정하게 된다.
상기 도 3에 도시되어 있지는 않지만, 한 개의 GPS 신호만이 수신될 수 있는 지점에 위치하게 되면(예:지하, 실내), 이동국(330)은 두 개의 기지국과 연동하게되며, GPS 정보와 함께 RTD 또는 파일롯 위상차 정보를 PDE로 전송한다. 이런 경우, 위치 추정의 정확도가 낮아지게 될 것이다.
상술한 바와 같이, 이동통신 시스템에서 이동국의 위치를 추정하는 종래의 기술을 살펴 보면, 네트워크 기반 솔루션은 기지국이 이동국으로부터 송신되는 RTD 정보 또는 순방향 파일롯 위상차 정보를 이용하여 이동국의 위치를 추정하는 방식이다. 이 방식은 간단하게 구현될 수 있는 장점이 있다. 그러나 멀티패스(Multi-path) 페이딩(Fading) 환경에서는 위치 추정의 정확도가 낮아지는 문제점이 있다. 예를 들어, 미국에서 강제적인 기능으로 정의하고 있는 E911 PHAE 기준 즉, 67% 호(Call)에 대하여는 100미터 이내, 95% 호에 대해서는 300미터 이내의 정확도를 만족시키기가 매우 힘들다.
하이브리드 방식은 이동국의 측면에서 본다면 GPS를 사용한다는 것이 성능 대 가격 면에서 경쟁력이 없으며, 이동국의 크기와 복잡도가 증가될 것이다. 또한 사용자 측면에서 보면, 현대 사용자들은 GPS 신호가 정상적으로 수신되지 않는 지하나 실내 도심지역에서 활동하는 경우가 많다. 이로인해, 위치 추정시에 GPS 정보와 거리 차이 정보를 모두 이용하여 이동국의 위치를 추정할 것이다. 따라서 대부분의 경우, GPS 수신기를 장착하였음에도 불구하고, 사용자는 정확도가 떨어지는 위치추정 서비스를 제공받게 된다.
다른 관점에서 보면, 이동국에 GPS 수신기를 장착하는 것은 가격, 부피, 크기 면에서 경쟁력이 떨어지게 되므로, 네트워크에 기반한 위치 추정이 바람직 하다. 네트워크 기반 기술이 다소 부정확한 위치추정 정보를 제공하게 되는 원인 중하나가 페이딩에 의해 파일롯의 위상이 어긋나기 때문이다. 따라서 페이딩에 의하여 어긋난 파일롯 위상을 적절히 보상하여 준다면 보다 나은 성능의 위치 추정이 가능하다.
따라서 본 발명의 목적은 종래와 같이 순방향 파일롯 신호만을 이용하여 이동국의 위치를 추정하는 것이 아니라, 주파수 영역이 서로 다른 순방향 파일롯 신호와 역방향 파일롯 신호를 함께 이용하여, 멀티 페이딩에 의한 위상차 정보의 오차를 확률적으로 줄일 수 있는 이동국 위치 추정 방법을 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 이동통신 시스템에서 순방향 파일롯 위상차를 이용하여 이동국의 위치를 추정 방법에 있어서, 이동국이 역방향 파일롯 신호를 송신하는 제 1 단계; 각 기지국이 수신된 역방향 파일롯 신호의 위상을 측정하는 제 2 단계; 각 역방향 파일롯 위상의 위상차를 측정하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계의 역방향 파일롯 위상차와 상기 순방향 파일롯 위상차를 이용하여 파일롯 위상차를 구하는 제 4 단계; 및 상기 파일롯 위상차를 이용하여 이동국의 위치를 추정하는 제 5 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 라운드 트립 딜레이 방식을 이용한 이동국의 위치 추정을 도시한 도면.
도 2는 파일롯 위상차를 이용한 이동국의 위치 추정을 도시한 도면.
도 3은 하이브리드 방식을 이용한 이동국의 위치 추정을 도시한 도면.
도 4는 페이딩 채널을 겪은 신호의 도플러 전력 스펙트럼을 도시한 도면.
도 5a 및 도 5b는 각각 수신신호가 겪는 멀티패스 페이딩 스펙트럼 밀도를 도시한 도면.
도 6은 이동국의 위치 추정을 위한 전체 시스템 구성을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 이동국 위치 추정 방법을 도시한 절차도.
임펄스 응답을 갖는 주파수 선택적 페이딩 채널로 고려하면, 페이딩에 의한 파일롯 신호의 왜곡은 하기 <수학식 1>과 같이 표현 된다.
여기서,r(t)는 수신된 신호로써, 송신된 원래의 신호 s(t)가 멀티패스 페이딩 왜곡을 겪은 신호이다. L은 다중 경로의 개수,(t)는 레일리(Rayleigh) 분포를 따르는 l번째 다중 경로의 크기 왜곡,는 일정(uniform) 분포를 따르는 l번째 다중 경로의 위상 변동을 의미한다.
이때, 이동국의 속도에 의한 레일리 페이딩의 크기()와 위상()은 도플러 주파수 천이에 의해 결정되는데, 도플러 주파수 천이는 캐리어(Carrier) 주파수를 도 4와 같이 왜곡시킨다.
도 4는 페이딩 채널을 겪은 신호의 도플러 전력 스펙트럼을 도시한다.
이때는 도플러 주파수이며,는 전송파의 캐리어 주파수이다. 페이딩 채널을 겪은 신호의 페이딩 주파수 스펙트럼은 도플러 천이에 의한다. 레일리 페이딩을 발생하는 도플러 주파수는 이동체의 속도와 전송파의 캐리어 주파수에 의해 하기 <수학식 2>와 같이 발생된다.
여기서,는 도플러 주파수이며,는 전송파의 캐리어 주파수이다. v는 이동체의 속도이며, c는 빛의 속도를 의미한다.
따라서, 상기 <수학식 1>, 도 4 및 <수학식 2>에서 볼 때, 주파수 왜곡 페이딩은 이동체의 속도와 전송파의 캐리어 주파수에 의존됨을 알 수 있다.
한편, 멀티패스 페이딩은 보통 버스트 에러(burst error)를 야기 시키는데, 이 버스트 에러는 복조 수신기의 성능을 크게 저하시킨다. 이러한 멀티패스 페이딩은 시간 영역에서 볼 때, 특정 시간 동안에 연속적으로 임의의 주파수 구간에서 발생하게 된다.
즉, 임의의 주파수 구간에서 버스트 에러가 나타나므로, 멀티패스 페이딩 환경에서 파일롯 위상차 정보를 이용하여 위치정보를 구하는 경우, 이 구하여진 위치정보는 멀티패스 페이딩의 영향을 확률적으로 겪게 된다. 따라서, 어느 주파수 구간()(예:역방향 주파수 구간)에서는 멀티패스 페이딩의 영향이 수신신호에 크게 미치지 않아, 정확한 이동국 위치 추정이 가능하며,(도 5a) 어느 주파수 구간()(예:순방향 주파수 구간)에서는 멀티패스 페이딩의 영향이 수신신호에 미치게 되어, 이동국 위치 추정이 부정확하게 될 수가 있다.(도 5b)
따라서, 이동국과 기지국간에 신호의 전송이 이루어진 어느 시점에서 보면, 멀티패스 페이딩은 반송파 주파수()에 따라 확률적으로 달라지게 될 것이다.(이때, reciprocity 원리에 의해 역방향(Reverse) 채널과 순방향(Forward) 채널이동일한 환경이라고 가정한다.) 송/수신 주파수 대역이 틀린 경우,(Frequency Division Duplex:FDD)(예:CDMA) 순방향 채널과 역방향 채널의 반송파 주파수가 다르다. 즉, 역방향 채널 및 순방향 채널 상에서, 멀티패스 페이딩은 특정 시간대에서 볼 때에는 서로 다르게 영향을 미칠 것이다.
최근의 이동통신 시스템(예:CDMA 2000 시스템)에서는 이동국이 역방향으로 파일롯 신호를 기지국으로 송신한다. 따라서, 본 발명에서는 주파수 구간이 서로 다른 순방향 파일롯 채널과 역방향 파일롯 채널을 함께 사용하여 파일롯 위상 측정을 수행한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 이동국의 위치 추정을 위한 전체 시스템 구성을 도시한 도면이다. 도 7은 본 발명의 이동국 위치 추정 방법을 도시한 절차도이다. 이하 상기 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
이동국(601)은 서비스 기지국(603) 및 인근 기지국(605)으로부터 각각 순방향 파일롯 신호를 수신한다. 이동국(601)은 각 파일롯 신호의 위상을 측정하고, 측정된 파일롯 신호의 위상을 이용하여 순방향 파일롯 위상차를 측정한다.(701) 그리고 이동국(601)은 순방향 파일롯 위상차 정보와 역방향 파일롯 신호를 서비스 기지국(603) 및 인근 기지국(605)으로 송신한다.(703)
CDMA 2000 시스템의 경우, 이동국(601)은 트래픽 채널(Traffic Channel) 또는 인헨스 억세스 채널(Enhanced Access Channel)을 사용하여 상기 순방향 파일롯위상차 정보를 송신한다. 이런 경우, 역방향 파일롯 신호는 상기 순방향 파일롯 위상차 정보와 함께 송신될 것이다. 또한 이동국(601)은 IS-801-1 규격에 의거하여 상기 순방향 파일롯 위상차 정보를 송신할 수가 있다.
서비스 기지국(603) 및 인근 기지국(605)은 상기 이동국(601)으로부터 전송되는 역방향 파일롯 신호의 위상을 측정하고,(705, 705') 이를 이동 교환기(607)를 경유하여 위치추정장치(609)로 송신한다.(707, 707') 상기 707 단계에서, 서비스 기지국(603)은 상기 역방향 파일롯 위상 정보와 함께, 상기 707 단계에서 수신된 순방향 파일롯 위상차 정보를 송신한다.(707)
위치추정장치(609)는 각 기지국(603, 605)으로부터 수신된 역방향 파일롯 위상 정보로부터 역방향 파일롯 위상차 정보를 측정한다.(709) 그리고 위치추정장치(609)는 순방향 파일롯 위상차와 역방향 파일롯 위상차를 이용하여 파일롯 위상차를 계산한다.(711) 이때, 상기 파일롯 위상차를 구하기 위한 계산은 순방향 파일롯 위상차와 역방향 파일롯 위상차의 산술평균을 구하는 것이 될 수가 있다. 그리고 위치추정장치(609)는 상기 계산된 파일롯 위상차 정보를 이용하여 이동국(601)의 위상을 추정한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 순방향 파일롯 위상차 뿐만 아니라 역방향 파일롯 위상차 정보를 함께 이용하여 이동국의 위치 추정을 수행하므로, 멀티패스 페이딩의 영향을 확률적으로 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 이동통신 시스템은 세대가 발전할수록 점차 역방향 파일롯 채널을 이용하는 것이 빈번해 질 것이므로, 본 발명의 적용 범위가 넓어 질 것이다.

Claims (2)

  1. 이동통신 시스템에서 순방향 파일롯 위상차를 이용하여 이동국의 위치를 추정 방법에 있어서,
    이동국이 역방향 파일롯 신호를 송신하는 제 1 단계;
    각 기지국이 수신된 역방향 파일롯 신호의 위상을 측정하는 제 2 단계;
    각 역방향 파일롯 위상의 위상차를 측정하는 제 3 단계;
    상기 제 3 단계의 역방향 파일롯 위상차와 상기 순방향 파일롯 위상차를 이용하여 파일롯 위상차를 구하는 제 4 단계; 및
    상기 파일롯 위상차를 이용하여 상기 이동국의 위치를 추정하는 제 5 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이동국 위치 추정 방법.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 4 단계는,
    상기 역방향 파일롯 위상차와 순방향 파일롯 위상차의 산술 평균값을 구하는 것임을 특징으로 하는 이동국 위치 추정 방법.
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