KR20060117166A

KR20060117166A - Ｒａｎｇｉｎｇ 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20060117166A
Application number: KR1020050117702A
Authority: KR
Inventors: 김재현; 김영환; 박현철; 김현국; 손재승; 강준혁; 김영일
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2006-11-16
Also published as: US7439904B2; US20060258298A1; KR100806860B1

Abstract

본 발명은, 복수의 디바이스 간의 위치를 파악하기 위해 송신 디바이스로부터 수신 디바이스로 송신되며, 혼돈신호로 형성된 전송신호를 발생시키는 전송신호 발생기, 수신 디바이스에서 처리되어 송신 디바이스로 재입력된 전송신호를 정형화된 파형으로 형성된 교정신호로 변환시키는 교정신호 발생기, 전송신호와 동시에 발생되어 교정신호와 비교되며 전송신호와 소정의 주파수 차이를 갖는 참조신호를 발생시키는 참조신호 발생기, 교정신호와 참조신호가 오버랩된 펄스 영역을 검출하는 오버랩 검출기, 전송신호가 송신 디바이스로부터 전송된 때부터 송신 디바이스로 되돌아와 전송신호와 교정신호가 오버랩되기 전까지 걸린 시간, 송신 디바이스에 재입력된 때부터 교정신호와 참조신호가 오버랩되기 전까지 걸린 시간, 교정신호와 참조신호가 오버랩된 시간 중 적어도 하나를 이용하여 송신 디바이스와 수신 디바이스 간을 이동한 전송신호의 전송시간을 산출하는 시간 측정부, 전송시간과 전송신호의 전송속도를 이용하여 양 디바이스 간의 거리를 측정하는 거리 산출부를 포함한다. 이에 의해, Ranging에 필요한 전력 소모를 감소시키고 채널 점유 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 양 디바이스 간 거리를 정확하게 측정할 수 있다.

Ranging, 혼돈신호, 전송펄스, 참조펄스, 교정펄스, 동기화

Description

ＲＡＮＧＩＮＧ 시스템 및 그 방법{ＲＡＮＧＩＮＧ SYSTEM AND METHOD THEREOF}

도 1은 종래의 RANGING 시스템의 블럭구성도,

도 2(a)는 종래의 RANGING 시스템에서 송신 디바이스에서 발생되는 참조펄스의 파형도,

도 2(b)는 종래의 RANGING 시스템에서 수신 디바이스로부터 전송된 전송펄스의 파형도,

도 3은 본 발명에 따른 Ranging 시스템의 블럭구성도,

도 4는 본 발명의 전송펄스로 사용되는 프리앰블의 구성도,

도 5는 본 발명의 시간 측정부의 각 카운터에서 측정되는 각 시간을 나타내기 위한 블럭도,

도 6은 본 발명의 동기화부에서 사용하는 SINGLE METHOD 과정을 보인 구성도,

도 7(a)는 본 발명의 RANGING 시스템에서 송신 디바이스에서 발생되는 참조펄스의 파형도,

도 7(b)는 본 발명의 RANGING 시스템에서 수신 디바이스로부터 전송된 전송펄스를 변환한 교정펄스의 파형도,

도 8은 본 발명에 따른 RANGING 과정을 보인 흐름도,

도 9는 본 발명의 Ranging 시스템에서의 Ranging 정확도를 보인 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

110 : 송신 디바이스 111 : 전송펄스 발생기

113 : 곱셈기 114 : 프리앰블 전송부

115 : 참조펄스 발생기 117 : 시간 측정부

119 : 오버랩 검출기 121 : 거리 산출부

122 : 교정펄스 발생기 123 : 패킷 감지부

125 : 동기화부 130 : 수신 디바이스

본 발명은 RANGING 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 양 디바이스 간 거리를 정확하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 전송펄스의 전송시 소모되는 파워를 감소시키고, 채널 점유 시간을 감소시킬 수 있도록 하는 RANGING 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

IEEE 802.15.4 규격에서는 FFD(Full Function Device)와 RFD(Reduced Function Device)가 제안되어 있다. FFD는 별도의 매개체를 두지 않고도 디바이스간 무선통신이 가능하며, RFD는 FFD와 같은 매개체를 통해서만 디바이스간 무선통신이 가능하다.

이러한 방식을 적용하여 다른 디바이스와의 통신으로 자신의 위치를 파악하기 위한 기술을 Localization이라고 하며, Localization기능의 수행시 디바이스 간 상대적 거리를 측정하기 위한 물리계층의 모든 기능들을 통틀어 Ranging 기술이라고 한다. 이러한 Ranging 기술은 효율적으로 네트워크를 형성하여 통신을 통해 얻어진 정보를 활용하는데 있어 중요한 기준을 제공한다.

Ranging 기술에는 싱글 트립(Single Trip) 방식과, 라운드 트립(Round Trip) 방식이 있다.

싱글 트립 방식은 RF신호를 전송한 송신 디바이스와 수신 디바이스의 절대시간을 이용하여 RF신호가 전송되는데 걸린 시간을 측정하고, 이 시간을 이용하여 두 디바이스 간의 거리를 산출한다.

라운드 트립 방식은 디바이스에서 전송한 RF신호가 수신 디바이스에서 처리되어 재수신되면, RF신호가 두 디바이스 간을 왕복하는데 걸린 시간을 이용하여 두 디바이스 간의 거리를 산출한다. 라운드 트립 방식을 사용할 경우, RF신호의 왕복시간에는 수신 디바이스에서 RF신호를 처리하기 위한 처리시간이 포함되며, 처리시간은 디바이스의 특성에 따라 간단하게 산출할 수 있다. 따라서, RF신호의 왕복시간에서 처리시간을 뺀 다음, 이 값을 1/2하면 두 디바이스 간을 RF신호가 이동한 시간이 나오므로, 시간에 빛의 속도를 곱하면 두 디바이스 간의 거리를 산출할 수 있다.

그런데, 두 디바이스 간을 왕복한 RF신호는 소정의 신호 딜레이가 발생한다. 이러한 딜레이를 고려하여 두 디바이스 간의 거리를 측정하기 위해, 각 디바이스 는, 도 1에 도시된 바와 같이, 전송펄스 발생기(11), 곱셈기(13), 참조펄스 발생기(15), 시간 측정부(17), 오버랩 검출기(19), 거리 산출부(21)를 구비한다.

전송펄스 발생기(11)는, 수신 디바이스로 전송될 전송펄스를 발생시키며, 미리 설정된 주파수, 예를 들어, 2.5125MHz의 전송펄스를 발생시킨다.

곱셈기(13)는, 전송펄스 발생기(11)에서 발생된 전송펄스에 혼돈신호 소스를 곱하여 전송펄스를 혼돈신호로 변환한다.

참조펄스 발생기(15)는, 수신 디바이스에서 처리되어 반송된 전송펄스와 비교하기 위한 참조펄스를 발생시키며, 참조펄스는 전송펄스와 소정 폭의 주파수 차이를 갖는다. 예를 들어, 참조펄스 발생기(15)에서는, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 5.125MHz의 참조펄스를 발생시킨다.

전송펄스 발생기(11)와 참조펄스 발생기(15)에서는 동시에 전송펄스와 참조펄스를 발생시키며, 전송펄스는 수신 디바이스로 전송되는데 반해, 참조펄스는 단지 디바이스 내부에서 발생되기만 하고 외부로 전송되지는 아니한다.

오버랩 검출기(19)에서는, 디바이스내에서 발생되고 있는 참조펄스와, 수신 디바이스로부터 재전송된 전송펄스를 비교하여 참조펄스와 전송펄스가 오버랩되는 영역을 찾아낸다. 이 때, 참조펄스와 전송펄스는 0.0125MHz만큼 주파수가 상이하므로, 참조펄스와 전송펄스 간의 딜레이가 없을 경우에는 참조펄스와 전송펄스의 초반 일정 영역이 겹치게 될 것이나, 참조펄스와 전송펄스 간의 딜레이가 발생하는 경우, 참조펄스와 전송펄스가 겹치는 영역이 초반이 아닌 다른 영역에 형성된다. 오버랩 검출기(19)는, 참조펄스와 전송펄스가 오버랩되는 영역을 찾아내어 전송펄 스가 얼마나 딜레이되었는지 파악할 수 있도록 한다.

시간 측정부(17)에서는, 송신 디바이스에서 송신하여 수신 디바이스를 거쳐서 되돌아온 전송펄스와 참조펄스 간의 오버랩이 일어나기 직전까지 펄스의 수, 전송펄스가 송신 디바이스로 되돌아온 순간부터 오버랩이 발생하기 이전까지의 펄스의 수, 송신 디바이스로 되돌아온 전송펄스와 참조펄스가 오버랩되는 구간의 펄스의 수를 측정한다. 그리고, 측정된 각 시간을 이용하여 송신 디바이스와 수신 디바이스 사이에서 이동하는 전송펄스의 전송시간을 산출하며, 이 때, 수신 디바이스에서 전송펄스를 처리하는 처리시간을 고려해야 한다.

거리 산출부(21)는, 시간 측정부(17)에서 측정된 전송시간과 빛의 속도, 및 수신 디바이스에서의 전송펄스를 이용하여 양 디바이스 간의 거리를 측정한다.

그런데, 재전송된 전송펄스는, 혼돈신호인데다가 수신 디바이스에서 처리되는 동안 발생된 잡음과, 멀티패스 채널을 사용함에 따른 영향 등에 의해 전송펄스가 영향을 받게 되며, 이로 인해, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 임계값을 이용하여 전송펄스의 각 펄스 형태를 판단시 정확성이 떨어지게 된다. 이러한 전송펄스의 수신 부정확성으로 인해, 전송펄스와 참조펄스가 겹치는 지점이 매 펄스마다 다르므로, 카운터의 갯수가 실제와 달라질 수 있다. 따라서, 정확한 딜레이를 측정하기 어렵고, 이에 따라 양 디바이스 간의 상대적 거리를 정확히 측정하기가 어렵다. .

한편, 이렇게 전송펄스를 이용하여 거리를 측정할 때, 250여 개의 전송펄스가 필요하며, 250여 개의 전송펄스를 전송하기 위해서는 상당히 많은 파워가 소모 된다는 단점이 있다. 그리고, 250여 개의 전송펄스를 전송하는 동안 채널을 점유해야 하므로, 채널 점유 시간이 길다. 2.5Mbps로 RF신호를 전송할 경우, 400ns * 250개 * 2(왕복) = 200us 의 시간동안 채널을 점유하게 된다.

이에 따라, 수신된 전송펄스의 각 펄스를 정확히 판단할 수 있도록 함으로써, 정확한 거리를 측정할 수 있는 방법을 모색하여야 할 것이다. 더불어, 전송펄스 전송시 소모되는 파워를 감소시키고, 채널 점유 시간을 감소시킬 수 있는 방법을 모색하여야 할 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 양 디바이스 간의 정확한 거리를 측정할 수 있는 Ranging 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 전송펄스의 전송시 소모되는 파워를 감소시키고, 채널 점유 시간을 감소시킬 수 있는 Ranging 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 복수의 디바이스 간의 위치를 파악하기 위해 송신 디바이스로부터 수신 디바이스로 송신되며, 혼돈신호로 형성된 전송신호를 발생시키는 전송신호 발생기; 상기 수신 디바이스에서 처리되어 상기 송신 디바이스로 재입력된 전송신호를 정형화된 파형으로 형성된 교정신호로 변환시키는 교정신호 발생기; 상기 전송신호와 동시에 발생되어 상기 교정신호와 비교되며, 상기 전송신호와 소정의 주파수 차이를 갖는 참조신호를 발생시키는 참 조신호 발생기; 상기 교정신호와 상기 참조신호가 오버랩된 펄스 영역을 검출하는 오버랩 검출기; 상기 전송신호가 상기 송신 디바이스로부터 전송된 때부터 상기 송신 디바이스로 되돌아와 상기 전송신호와 상기 교정신호가 오버랩되기 전까지 걸린 시간, 상기 송신 디바이스에 재입력된 때부터 상기 교정신호와 상기 참조신호가 오버랩되기 전까지 걸린 시간, 상기 교정신호와 상기 참조신호가 오버랩된 시간 중 적어도 하나를 이용하여 상기 송신 디바이스와 수신 디바이스 간을 이동한 전송신호의 전송시간을 산출하는 시간 측정부; 및, 상기 전송시간과, 상기 전송신호의 전송속도를 이용하여 양 디바이스 간의 거리를 측정하는 거리 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 송신 디바이스로 입력된 전송신호의 시작점을 파악하기 위해 상기 전송신호를 동기화시키는 동기화부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 교정신호 발생기는, 상기 동기화부로부터 파악된 전송신호의 시작점을 이용하여 상기 전송신호와 동일한 주파수와 신호구간을 갖는 상기 교정신호를 생성할 수 있다.

상기 교정신호 발생기는, 상기 교정신호를 상기 전송신호보다 소정의 시간 이상 길게 형성하는 것이 바람직하다.

상기 교정신호 발생기는 상기 교정신호로 구형파의 펄스인 교정펄스를 발생시키는 교정펄스 발생기인 것이 바람직하다.

상기 전송신호 발생기는 상기 전송신호로 구형파의 전송펄스를 발생시키는 전송펄스 발생기이며, 상기 전송펄스 발생기는 상기 전송펄스에 혼돈신호 소스를 곱하는 곱셈기를 더 포함할 수 있다.

상기 전송펄스 발생기로부터의 전송펄스 중, 프리앰블을 선택하여 전송하는 프리앰블 전송부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 프리앰블은, 상기 전송펄스가 시작됨을 감지하기 위한 패킷감지파트와, 상기 전송펄스를 동기화시키기 위한 비트 동기화 파트와, 데이터가 시작됨을 알리는 SFD의 시작을 표시하기 위한 통지파트를 포함할 수 있다.

상기 패킷감지파트는 복수의 '1'신호로 이루어지며, 상기 패킷감지파트를 이용하여 패킷의 수신을 감지하는 패킷 감지부를 더 포함할 수 있다.

상기 비트 동기화 파트는, 복수의 비트로 형성되는 처리단위가 복수회 반복되어 형성될 수 있으며, 상기 각 처리단위는 '01111'로 형성될 수 있다.

상기 동기화부는, 상기 비트 동기화 파트에서 반복되는 처리단위를 싱글 윈도우 방법과 더블 윈도우 방법 중 하나로 처리하여 상기 프리앰블을 동기화시킬 수 있다.

상기 참조신호 발생기는 상기 참조신호로서 상기 전송펄스와 동일한 신호구간을 갖는 참조펄스를 발생시키는 참조펄스 발생기인 것이 바람직하다.

상기 시간 측정부는, 상기 전송펄스가 발생한 때부터 상기 송신 디바이스로 재입력되어 상기 교정펄스와 오버랩되기 전까지의 펄스의 수(N3)를 측정하는 N3 카운터와, 상기 송신 디바이스에 입력되어 상기 교정펄스와 상기 참조펄스가 오버랩되기 전까지의 펄스의 수(N1)를 측정하는 N1 카운터와, 상기 교정펄스와 상기 참조펄스가 오버랩된 펄스의 수(N2)를 측정하는 N2 카운터를 더 포함할 수 있다.

상기 시간 측정부는, 다음의 수학식1에 의해 전송시간을 산출할 수 있다.

[수학식 1]

여기서 f₁은 참조펄스의 주파수, f₀는 전송펄스의 주파수, Ts는 상기 동기화부에서 동기화하는데 걸리는 시간이다.

상기 거리 산출부는, 다음의 수학식2에 의해 상기 송신 디바이스와 수신 디바이스 간의 거리를 산출할 수 있다.

[수학식 2]

여기서,

는 상기 수신 디바이스에서 상기 전송펄스를 수신받은 후, 다시 송신 디바이스로 재전송하기 위해 전송펄스를 처리하는 프로세싱 시간이다.

한편, 상기 목적은, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 복수의 디바이스 간의 위치를 파악하기 위해 송신 디바이스로부터 수신 디바이스로 송신되며 혼돈신호로 형성된 전송신호와, 상기 전송신호와 소정의 주파수 차이를 갖는 참조신호를 동시에 발생시키는 단계; 상기 수신 디바이스로부터 재전송된 전송신호를 정형화된 파형으로 형성된 교정신호로 변환시키는 단계; 상기 교정신호와 상기 참조신호를 비교하여 오버랩된 펄스 영역을 검출하는 단계; 상기 전송신호가 상기 송신 디바이스로부터 전송된 때부터 상기 송신 디바이스로 되돌아와 상기 전송신호와 상기 교정 신호가 오버랩되기 전까지 걸린 시간, 상기 송신 디바이스에 재입력된 때부터 상기 교정신호와 상기 참조신호가 오버랩되기 전까지 걸린 시간, 상기 교정신호와 상기 참조신호가 오버랩된 시간 중 적어도 하나를 이용하여 상기 송신 디바이스와 수신 디바이스 간을 이동한 전송신호의 전송시간을 산출하는 단계; 및, 상기 전송시간과 상기 전송신호의 전송속도를 이용하여 양 디바이스 간의 거리를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 방법에 의해서도 달성될 수 있다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 Ranging 시스템의 블럭구성도이다. 도시된 바와 같이, 본 Ranging 시스템은, 전송펄스 발생기(111), 곱셈기(113), 프리앰블 전송부(114), 참조펄스 발생기(115), 패킷 감지부(123), 시간 측정부(117), 동기화부(125), 교정펄스 발생기(122), 오버랩 검출기(119), 거리 산출부(121)를 포함한다.

전송펄스 발생기(111)는, 미리 설정된 소정의 주파수와 신호구간을 갖는 전송펄스를 생성한다. 본 실시예의 전송펄스 발생기(111)는, 2.5MHz의 전송펄스를 생성한다.

곱셈기(113)는 전송펄스 발생기(111)에서 생성된 전송펄스에 혼돈신호 소스를 곱하여 전송펄스를 혼돈신호로 변환한다.

프리앰블 전송부(114)는, 혼돈신호로 형성된 전송펄스 중 32비트 프리앰블(Preamble)만을 분리하여 수신 디바이스로 전송한다.

일반적으로 패킷은, 도 4에 도시된 바와 같이, 프리앰블, SFD, PHR, PSDU 로 이루어지며, 프리앰블은 4바이트, SFD는 1바이트, PHR은 1바이트, PSDU는 4바이트 로 이루어진다. 프리앰블은 송수신기에서 입력신호의 동기화를 위해 사용되고, SFD는 프리앰블이 종료되고 데이터 패킷이 시작됨을 표시한다. PHR은 PSDU에 포함된 데이터의 바이트 수를 표시한다.

본 프리앰블은, 패킷감지파트, 비트 동기화 파트, SFD 통지파트로 이루어진다.

패킷감지파트는, 8비트로 이루어지며, 패킷이 전송됨을 알리기 위해 연속적으로 배열된 8개의 '1'신호로 이루어진다. 비트 동기화 파트는, 20비트로 이루어져 비트 동기화를 위해 사용되며, '01111'로 이루어진 5개의 비트가 4번 반복되어 형성된다. 여기서, '01111'은 비트 동기화시 처리단위가 된다. SFD 통지파트는, 4비트로 이루어져 SFD가 수신됨을 알리기 위해 사용되며, '0000'으로 형성된다.

참조펄스 발생기(115)는, 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 수신 디바이스로부터 재전송된 전송펄스와 비교하기 위한 참조펄스를 발생시킨다. 참조펄스는 전송펄스와 동일한 신호구간을 가지나, 주파수는 전송펄스와 다소 상이한 2.5125MHz로 형성된다. 참조펄스 발생기(115)에서 발생된 참조펄스는 외부로 전송되지 아니한다.

패킷 감지부(123)는, 수신 디바이스로부터 재전송된 전송펄스를 감지하며, 프리앰블의 첫 8비트인 패킷감지파트를 이용하여 전송펄스의 입력을 감지한다. 패킷 감지부(123)는, 패킷 감지를 위해 더블 윈도우(double window) 방식을 사용한다. 각 윈도우는 펄스열의 신호구간만큼의 적분 구간을 가지며, 이 때, 적분 구간은 시스템의 데이터 전송률에 따라 변할 수 있다. 더블 윈도우 방식에서는 더블 윈도우를 슬라이딩시켜 양 윈도우간의 파워비율을 이용하여 1+SNR의 값을 얻을 수 있다.

패킷 감지시에 더블 윈도우 방법을 이용하는 이유는, 정확한 SNR값을 수신단에서 모르더라도 슬라이딩 과정에서 SNR정보를 이용하여 임계값을 자동적으로 보정해줄 수 있기 때문이다. 임계값은, 펄스열 전송시 COOK(Chaotic On-Off Keying) 방식을 사용하기 때문에, 편의상 펄스가 존재하는 구간과 존재하지 않는 구간 사이의 파워의 중간값을 취하여 사용한다. 이러한 패킷 감지시, 패킷 감지부(123)는, 양 윈도우간의 파워 비율이 임계값 보다 높은 구간이 8개가 된다면, 패킷 감지가 완료되었다고 본다.

동기화부(125)는, 프리앰블의 비트 동기화 파트 20비트를 이용하여 패킷의 정확한 동기를 위한 심볼 동기화를 수행하며, 이 때, 패킷 감지부(123)에서 산출된 임계값을 싱글 윈도우 방법에 적용하여 동기화한다.

동기화부(125)에서 수행할 수 있는 심볼 동기화 과정은 두 가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 complex method이고, 두번째 방법은 도 6에 도시된 바와 같은 single method이다.

Complex method는 패킷 감지 이후, 처음 '0'이 들어 왔을 때, 더블 윈도우에서 싱글 윈도우로 전환한다. 그리고 이어지는 4개의 심볼 '1'에 대한 슬라이딩 윈도우의 적분 결과를 각각 다른 메모리에 저장한다. 4개의 '1' 이후에 심볼 '0'이 들어오면, 4개의 메모리에 저장 되어 있던 적분 결과들의 평균값을 새로운 메모리에 저장하고, 이 과정을 총 4번 반복한다. 마지막으로, 새로운 4개의 메모리에 저장되어 있던 심볼 4개에 대한 평균값들의 평균을 취한다. 이 결과, 총 16개 의 심볼에 대한 평균 적분 결과 값을 알 수 있다. 이 최종 결과 값으로부터, 비트 동기화 파트의 시작점과 최대치의 차이를 정확히 알 수 있기 때문에, 정확한 심볼의 시작점을 구할 수 있다. Complex method의 경우는 혼돈신호 펄스를 사용하였을 경우 높은 정확도를 가질 수 있다.

simple method은, 동기화 과정은 complex method와 거의 동일하다. 다만, complex method의 경우는 슬라이딩 윈도우의 모든 적분 값들을 메모리에 저장하지만, simple method의 경우는 각 심볼에 대해, 최대값과 동기점의 시간차이만 저장한다. 이로 인해, complex method보다 복잡도를 크게 줄일 수 있다.

교정펄스 발생기(122)는, 동기화부(125)에서 검출한 패킷의 시작점을 이용하여 혼돈신호로 형성된 전송펄스를 구형파인 교정펄스로 변환하고, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 교정펄스와 참조펄스가 오버랩이 완료될 때까지 충분한 길이만큼 반복적으로 형성한다. 이 때, 교정펄스의 각 펄스열의 신호구간은 전송펄스의 신호구간과 동일하게 형성된다. 이렇게 교정펄스 발생기(122)에서 전송펄스를 교정펄스로 변환하여 전송펄스보다 길게 생성함에 따라, 프리앰블의 32비트 만으로 전송펄스를 형성하여도 참조펄스와의 비교가 가능해져 양 디바이스 간의 거리를 측정할 수 있다.

오버랩 검출기(119)는, 디바이스내에서 발생되고 있는 참조펄스와, 교정펄스 발생기(122)에서 발생된 교정펄스가 오버랩되기 시작하는 펄스와, 오버랩이 종료되는 펄스를 검출한다. 오버램 검출기(119)에서 참조펄스와 교정펄스가 오버랩되기 시작함을 검출하면, 후술할 N2 카운터(C2)가 작동하여 참조펄스와 교정펄스가 오버 랩되는 펄스의 수를 산출한다.

시간 측정부(117)는 전송펄스가 송신 디바이스로부터 수신 디바이스로 전송되는데 걸린 전송시간을 측정하며, N1 카운터(C1), N2 카운터(C2), N3 카운터(C3)를 포함한다. N3 카운터(C3)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 송신 디바이스에서 전송펄스가 전송된 순간부터 송신 디바이스로 되돌아온 전송펄스와 참조펄스 간의 오버랩이 일어나기 직전까지 펄스의 수(N3)를 카운팅한다. N1 카운터(C1)는 전송펄스가 송신 디바이스로 되돌아온 순간부터 오버랩이 발생하기 이전까지의 펄스의 수(N1)를 카운팅하며, N2 카운터(C2)는 송신 디바이스로 되돌아온 전송펄스와 참조펄스가 오버랩되는 구간의 펄스의 수(N2)를 카운팅한다.

시간 측정부(117)에서는 각 카운터로부터의 N1, N2, N3를 다음의 수학식1에 입력하여 양 디바이스 간에 전송펄스의 전송시간(Tx)을 산출한다.

여기서 f₁은 참조펄스의 주파수를 의미하고, f₀는 전송펄스의 주파수를 의미한다. 그리고, Ts는 동기화부(125)에서 동기화를 실행하는데 걸리는 시간으로서, Ts를 감산하는 이유는 동기화의 실행 이후에 N1 카운터(C1)가 동작하기 때문이다.

거리 산출부(121)는, 시간 측정부(117)에서 구해진 전송시간, 오버랩 검출기(119)로부터 산출된 펄스 수를 이용하여 양 디바이스 간의 거리를 산출한다. 먼저, 거리 산출부(121)는, 시간 측정부(117)에서 측정된 전송시간(T'x)을 다음의 수 학식2에 입력하여 두 디바이스 간의 거리를 구한다.

여기서,

는 수신 디바이스에서 송신 디바이스로부터 송신한 전송펄스를 수신받은 후, 이를 다시 송신 디바이스로 재전송하기 위해 전송펄스를 처리하는 프로세싱 시간을 의미하며, 이 프로세싱 시간은 두 디바이스 간에 사전에 약속되어 있다.

이러한 구성에 의한 Ranging 시스템에 의해 두 디바이스 간의 거리를 산출하는 과정을 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

송신 디바이스의 전송펄스 발생기(111)와 참조펄스 발생기(115)가 동시에 작동되어 전송펄스와 참조펄스가 발생되고(S800), N3 카운터(C3)가 작동된다(S810). 전송펄스는 곱셈기(113)를 통해 혼돈신호로 변환된 다음, 프리앰블만이 선택되어 수신 디바이스로 전송된다(S820). N3 카운터(C3)는 전송펄스가 수신 디바이스로부터 재전송되어 참조펄스와 오버랩되기 전까지의 펄스의 수를 카운트한다.

전송펄스는 수신 디바이스에서 처리되어 송신 디바이스로 재전송되며(S830), 송신 디바이스의 N1 카운터(C1)는 전송펄스가 입력된 때부터 전송펄스와 참조펄스가 오버랩되기 전까지의 펄스를 카운트한다(S840). 그리고, 동기화부(125)에서는 전송펄스의 비트 동기화 파트를 이용하여 심볼 동기화를 수행한다(S850). 동기화가 완료되면, 전송펄스의 시작펄스를 알 수 있으며, 이를 이용하여 혼돈신호인 전 송펄스를 구형파인 교정펄스로 변환한다.

그런 다음, 변환된 교정펄스를 반복적으로 생성하고(S860), 생성된 교정펄스와 참조펄스를 비교하여 오버랩 구간을 검출한다. 그리고 오버랩이 시작되면(S870), N2 카운터(C2)를 작동시켜 오버랩되는 펄스의 수를 카운트한다(S880).

N1 카운터(C1), N2 카운터(C2), N3 카운터(C3)에서 카운트된 N1, N2, N3를 이용하여 양 디바이스 간에 전송된 전송펄스의 전송시간을 산출하고(S890), 산출된 전송시간과 빛의 속도를 이용하여 양 디바이스 간의 거리를 산출한다(S900).

도 9는 본 발명의 Ranging 시스템에서의 Ranging 정확도를 보인 그래프로서, f₁=2.5125MHz이고 f₀=2.5MHz인 경우이다. 도시된 바와 같이, AWGN 채널과 채널 1에서의 양 디바이스간 실제 거리와, 측정한 거리의 오차 간의 관계를 살펴보면, 양 디바이스 간의 실제 거리가 증가할수록 오차가 증가하나, 그 증가정도가 완만하며, 그 오차가 매우 작음을 알 수 있다.

이와 같이, 본 Ranging 시스템에서는, 전송펄스를 32비트의 프리앰블을 사용함으로써, Ranging에 필요한 전력 소모를 약 1/5 ~ 1/8 수준으로 감소시킬 수 있으며, 2.5Mbps로 전송펄스를 전송한다고 하면 400ns * 32비트* 2(왕복)=25.6us 동안만 채널을 점유하므로 채널 점유 시간을 단축할 수 있다. 그리고 전송펄스를 대체할 수 있는 교정펄스를 생성하여 사용함으로써, 채널 왜곡이나 노이즈로 인한 영향에 의해 펄스의 찌그러짐 등을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 오버랩이 발생하는 지점을 정확하게 측정할 수 있으므로, 오버랩되는 펄스의 수를 정확히 카운팅하여 양 디바이스 간의 거리를 보다 정확하게 측정할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, Ranging에 필요한 전력 소모를 감소시키고 채널 점유 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 양 디바이스 간 거리를 정확하게 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

복수의 디바이스 간의 위치를 파악하기 위해 송신 디바이스로부터 수신 디바이스로 송신되며, 혼돈신호로 형성된 전송신호를 발생시키는 전송신호 발생기;

상기 수신 디바이스에서 처리되어 상기 송신 디바이스로 재입력된 전송신호를 정형화된 파형으로 형성된 교정신호로 변환시키는 교정신호 발생기;

상기 전송신호와 동시에 발생되어 상기 교정신호와 비교되며, 상기 전송신호와 소정의 주파수 차이를 갖는 참조신호를 발생시키는 참조신호 발생기;

상기 교정신호와 상기 참조신호가 오버랩된 펄스 영역을 검출하는 오버랩 검출기;

상기 전송신호가 상기 송신 디바이스로부터 전송된 때부터 상기 송신 디바이스로 되돌아와 상기 전송신호와 상기 교정신호가 오버랩되기 전까지 걸린 시간, 상기 송신 디바이스에 재입력된 때부터 상기 교정신호와 상기 참조신호가 오버랩되기 전까지 걸린 시간, 상기 교정신호와 상기 참조신호가 오버랩된 시간 중 적어도 하나를 이용하여 상기 송신 디바이스와 수신 디바이스 간을 이동한 전송신호의 전송시간을 산출하는 시간 측정부; 및,

상기 전송시간과, 상기 전송신호의 전송속도를 이용하여 양 디바이스 간의 거리를 측정하는 거리 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 송신 디바이스로 입력된 전송신호의 시작점을 파악하기 위해 상기 전송신호를 동기화시키는 동기화부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 교정신호 발생기는, 상기 동기화부로부터 파악된 전송신호의 시작점을 이용하여 상기 전송신호와 동일한 주파수와 신호구간을 갖는 상기 교정신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 교정신호 발생기는, 상기 교정신호를 상기 전송신호보다 소정의 시간 이상 길게 형성하는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 교정신호 발생기는 상기 교정신호로 구형파의 펄스인 교정펄스를 발생시키는 교정펄스 발생기인 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 전송신호 발생기는 상기 전송신호로 구형파의 전송펄스를 발생시키는 전송펄스 발생기이며, 상기 전송펄스 발생기는 상기 전송펄스에 혼돈신호 소스를 곱하는 곱셈기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 전송펄스 발생기로부터의 전송펄스 중, 프리앰블을 선택하여 전송하는 프리앰블 전송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 프리앰블은, 상기 전송펄스가 시작됨을 감지하기 위한 패킷감지파트와, 상기 전송펄스를 동기화시키기 위한 비트 동기화 파트와, 데이터가 시작됨을 알리는 SFD의 시작을 표시하기 위한 통지파트를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 패킷감지파트는 복수의 '1'신호로 이루어지며, 상기 패킷감지파트를 이용하여 패킷의 수신을 감지하는 패킷 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 비트 동기화 파트는, 복수의 비트로 형성되는 처리단위가 복수회 반복되어 형성되는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 각 처리단위는 '01111'로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 동기화부는, 상기 비트 동기화 파트에서 반복되는 처리단위를 싱글 윈도우 방법과 더블 윈도우 방법 중 하나로 처리하여 상기 프리앰블을 동기화시키는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 참조신호 발생기는 상기 전송펄스와 동일한 신호구간을 갖는 참조신호로서 참조펄스를 발생시키는 참조펄스 발생기인 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 시간 측정부는,

상기 전송펄스가 발생한 때부터 상기 송신 디바이스로 재입력되어 상기 교정펄스와 오버랩되기 전까지의 펄스의 수(N3)를 측정하는 N3 카운터와, 상기 송신 디바이스에 입력되어 상기 교정펄스와 상기 참조펄스가 오버랩되기 전까지의 펄스의 수(N1)를 측정하는 N1 카운터와, 상기 교정펄스와 상기 참조펄스가 오버랩된 펄스의 수(N2)를 측정하는 N2 카운터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.
제 14 항에 있어서,

상기 시간 측정부는, 다음의 수학식1에 의해 전송시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.

여기서 f₁은 참조펄스의 주파수, f₀는 전송펄스의 주파수, Ts는 상기 동기화부에서 동기화하는데 걸리는 시간이다.
제 15 항에 있어서,

상기 거리 산출부는, 다음의 수학식2에 의해 상기 송신 디바이스와 수신 디바이스 간의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 Ranging 시스템.

여기서,
는 상기 수신 디바이스에서 상기 전송펄스를 수신받은 후, 다시 송신 디바이스로 재전송하기 위해 전송펄스를 처리하는 프로세싱 시간이다.
복수의 디바이스 간의 위치를 파악하기 위해 송신 디바이스로부터 수신 디바이스로 송신되며 혼돈신호로 형성된 전송신호와, 상기 전송신호와 소정의 주파수 차이를 갖는 참조신호를 동시에 발생시키는 단계;

상기 수신 디바이스로부터 재전송된 전송신호를 정형화된 파형으로 형성된 교정신호로 변환시키는 단계;

상기 교정신호와 상기 참조신호를 비교하여 오버랩된 펄스 영역을 검출하는 단계;

상기 전송신호가 상기 송신 디바이스로부터 전송된 때부터 상기 송신 디바이스로 되돌아와 상기 전송신호와 상기 교정신호가 오버랩되기 전까지 걸린 시간, 상기 송신 디바이스에 재입력된 때부터 상기 교정신호와 상기 참조신호가 오버랩되기 전까지 걸린 시간, 상기 교정신호와 상기 참조신호가 오버랩된 시간 중 적어도 하 나를 이용하여 상기 송신 디바이스와 수신 디바이스 간을 이동한 전송신호의 전송시간을 산출하는 단계; 및,

상기 전송시간과 상기 전송신호의 전송속도를 이용하여 양 디바이스 간의 거리를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 수신 디바이스에서 재전송되어 상기 송신 디바이스로 입력된 전송신호의 시작점을 파악하기 위해 상기 전송신호를 동기화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 교정신호로 변환시키는 단계는, 상기 동기화 단계에서 파악된 전송신호의 시작점을 이용하여 상기 전송신호와 동일한 주파수와 신호구간을 갖는 상기 교정신호를 생성하는 단계인 것을 특징으로 하는 Ranging 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 교정신호로 변환시키는 단계는, 상기 교정신호를 상기 전송신호보다 소정 긴 시간동안 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 Ranging 방법.
제 20 항에 있어서,

상기 교정신호는 상기 전송신호를 구형파의 펄스로 변환시킨 교정펄스인 것을 특징으로 하는 Ranging 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 전송신호는 펄스로 형성된 전송펄스이며;

상기 전송신호를 발생시키는 단계는, 상기 전송펄스에서 프리앰블을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 방법.
제 22 항에 있어서,

상기 전송신호를 발생시키는 단계는, 상기 프리앰블을 상기 전송펄스가 시작됨을 감지하기 위한 패킷감지파트와, 상기 전송펄스를 동기화시키기 위한 비트 동기화 파트와, 데이터가 시작됨을 알리는 SFD의 시작을 표시하기 위한 통지파트로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 방법.
제 23 항에 있어서,

상기 동기화 단계는, 상기 비트 동기화 파트를 싱글 윈도우 방법과 더블 윈도우 방법 중 하나로 처리하여 상기 프리앰블을 동기화시키는 단계인 것을 특징으로 하는 Ranging 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 전송시간을 산출하는 단계는,

상기 전송펄스가 발생한 때부터 상기 송신 디바이스로 재입력되어 상기 교정펄스와 오버랩되기 전까지의 펄스의 수(N3)를 측정하는 단계;

상기 송신 디바이스에 입력되어 상기 교정펄스와 상기 참조펄스가 오버랩되기 전까지의 펄스의 수(N1)를 측정하는 단계;

상기 교정펄스와 상기 참조펄스가 오버랩된 펄스의 수(N2)를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ranging 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 전송시간을 산출하는 단계는, 다음의 수학식1에 의해 전송시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 Ranging 방법.

[수학식 1]

여기서 f₁은 참조펄스의 주파수, f₀는 전송펄스의 주파수, Ts는 상기 동기화부에서 동기화하는데 걸리는 시간이다.
제 26 항에 있어서,

상기 거리를 산출하는 단계는, 다음의 수학식2에 의해 상기 송신 디바이스와 수신 디바이스 간의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 Ranging 방법.

[수학식 2]

여기서,
는 상기 수신 디바이스에서 상기 전송펄스를 수신받은 후, 다시 송신 디바이스로 재전송하기 위해 전송펄스를 처리하는 프로세싱 시간이다.