KR20080006577A - 향상된 위치 정확도를 위한 이동 내지 비행 센서들과실시간 공중 조감 영상을 이용하는, 무선 장치의 위치식별을 위한 상용 무선 위치 확인 시스템의 보강 방법 - Google Patents

향상된 위치 정확도를 위한 이동 내지 비행 센서들과실시간 공중 조감 영상을 이용하는, 무선 장치의 위치식별을 위한 상용 무선 위치 확인 시스템의 보강 방법 Download PDF

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Abstract

이동형 LMU들은 적절한 수신기 커버가 부족한 지역 내에서 감지 커버 범위를 제공하는 무선 위치 확인 시스템에서 이용될 수 있다. 상기 이동형 LMU들은 일정한 시간 구간에 걸쳐 무선 핸드셋들과 무선 장치들로부터 무선 주파수(RF) 송신 신호를 감지하여 그 장치들의 위치를 결정하는 데에 이용될 수 있다. 상기 이동형 LMU들의 시간, 위치 및 속도는 계산이 되어, 무선 장치들로부터 수신된 여타 송신 신호들과 함께 SMLC로 전송된다. 상기 SMLC는 상기 무선 장치의 도플러 성분을 분석하고 결정하며, 상기 이동형 LMU의 도플러 성분을 보상한다. 상기 무선 장치의 우치 및 속도는 이동형 LMU 플랫폼에 의해 취득된 실시간 영상과 비교될 수 있으며, 상기 무선 장치의 위치를 정확하게 결정할 수 있다. 매우 약하거나 잡음에 의해 왜곡되어 있을 수 있는 관심 대상 신호를 탐지하는 상기 이동형 LMU의 능력을 향상시키고자, 저 출력인 이동형 단말기의 신호들이 수신 사이트들에서 수신되어 메모리에 저장되는 프로세스가 채용될 수 있다. 이어서, 상기 SOI에 대한 더 큰 출력을 가지는 복제본이 이후에 네트워크 제어 장치 또는 BTS로부터 수신되고, 이는 메모리에 저장된 SOI의 상관 연산 처리를 보강하는 데에 이용된다.

Description

향상된 위치 정확도를 위한 이동 내지 비행 센서들과 실시간 공중 조감 영상을 이용하는, 무선 장치의 위치 식별을 위한 상용 무선 위치 확인 시스템의 보강 방법{AUGMENTATION OF COMMERCIAL WIRELESS LOCATION SYSTEM(WLS) WITH MOVING AND/OR AIRBORNE SENSORS FOR ENHANCED LOCATION ACCURACY AND USE OF REAL-TIME OVERHEAD IMAGERY FOR IDENTIFICATION OF WIRELESS DEVICE LOCATIONS}
본 발명은 일반적으로 예를 들어 아날로그 또는 디지털 셀룰러 시스템, 개인 통신 시스템(PCS), ESMR(enhanced specialized mobile radios) 및 그 밖의 무선 통신 시스템들에서 이용되고 있는 무선 송신기들의 위치를 파악하는 방법 및 장치에 관련된 것이다. 더 상세하게는 본 발명은 무선 위치 확인 시스템(WLS) 내의 이동 수신국(mobile receiving station)(예를 들어 위치 측정 유닛(location measuring unit, LMU))를 이용하는 것에 관한 것이나 이에 한정적인 것은 아니다.
무선 위치 확인 시스템(WLS)에 관한 초창기 발명은 1994년 7월 5일자로 등록된 미국 특허 제5,327,144호 "Cellular Telephone Location System"에 설명되어 있으며, 여기에는 새로운 도달 시간 차(time difference of arrival, TDOA) 기법을 이용한 셀룰러 전화기들의 위치를 확인하는 시스템이 개시되어 있다. '144 특허에 기재된 시스템보다 개선된 기술은 1997년 3월 4일자로 등록된 미국 특허 제 5,608,410호 "System for Locating a Source of Bursty Transmissions"에 나타나 있다.
지난 수년간, 셀룰러 업계에서는 무선 전화에서 이용되는 공중 인터페이스 프로토콜들의 수와, 무선 내지 이동 전화기들이 작동하는 무선 주파수 대역들의 수가 증가해왔고, "개인 통신 서비스", "무선" 내지 기타 용어를 포함하는, 이동 전화에 관한 또는 그에 관련된 수많은 용어들이 만들어졌다. 그러한 공중 인터페이스 프로토콜들은 현재 AMPS, N-AMPS, TDMA, CDMA, GSM, TACS, ESMR, GPRS, EDGE, UMTS WCDMA 및 기타 등등이 있다. 용어상의 변화가 있었고 공중 인터페이스들의 가짓수가 증가하였지만, 발명자들이 찾고자 하며 개선하고자 하는 위의 기본 원리들 및 발명들이 변화된 것은 아니다. 그러나, 업계의 최신 용어에 보조를 맞추자면, 발명자들은 이제 본 명세서에 설명되는 시스템을 무선 위치 확인 시스템(Wireless Location System)이라고 부른다.
무선 위치 확인 시스템의 가치 및 중요성은 무선 통신 업계가 인식하고 있다. 1996년 6월 경, 미국 연방 통신 위원회(Federal Communications Commission)는 무선 통신 업계로 하여금 2001년 10월을 기한으로 하여, 무선으로 응급 911에 통화를 하는 자의 위치를 파악하는데에 이용될 수 있는 위치 확인 시스템을 보급하도록 하는 필수 요건을 발효시켰다. 무선 응급 911 통화자의 위치 확인을 이용하면 응급 응답 자원들의 사용을 줄일 수 있으므로, 응답 시간을 절감하고, 생명을 살릴 수 있으며, 상당한 비용을 아낄 수 있을 것이다. 또한, 조사 및 연구 결과에 따르면, 위치 기반 요금제(location sensitive billing), 선단 관리(fleet management) 등 과 같은 다양한 무선 응용 분야들이 앞으로 대단한 상업적 가치를 가지게 될 것이라고 한다.
트루포지션(TruePosition) 사는 무선 위치 확인 시스템들의 정확도를 더욱 향상시키면서 반면에 이들 시스템의 비용을 대단히 줄일 수 있는 시스템들과 기술들을 계속해서 개발해 왔다. 예를 들어, 무선 위치 확인 분야의 다양한 개선 사항들에 관한 다음의 공동 양도된 특허들을 취득해왔다.
1994년 7월 5일자의 미국 특허 제5,327,144호 "Cellular Telephone Location System"
1997년 3월 4일자의 미국 특허 제5,608,410호 "System For Locating A Source of Bursty Transmissions"
2000년 4월 4일자의 미국 특허 제6,047,192호 "Robust, Efficient, Localization System"
2004년 8월 24일자의 미국 특허 제6,782,264호 "Monitoring of Call Information in a Wireless Location System"
상술하였듯이, 무선 통신 시스템들에 이용되는 다수의 공중 인터페이스 프로토콜들이 있다. 이들 프로토콜들은 미국 내에서 그리고 국제적으로 서로 다른 주파수 대역에서 이용된다. 무선 주파수 대역은 일반적으로 무선 전화기의 위치를 식별하는 데에 있어서 상기 무선 위치 확인 시스템의 효율에 영향을 주지는 않는다.
공중 인터페이스 프로토콜들은 두 종류의 '채널'을 이용한다. 첫 번째 종류의 채널은 제어 채널들로, 무선 전화기 또는 송신기에 관한 정보를 운반하는 데에 이용되거나, 통화를 개시 내지 종료하기 위해 이용되거나, 또는 버스트 데이터(burst data)를 송신하기 위해 이용된다. 예를 들어, 일부 단문자 서비스(short messaging service, SMS)에서는 데이터가 상기 제어 채널을 통해 전달된다. 각기 다른 공중 인터페이스들에서 제어 채널들은 서로 다른 용어로 알려져 있지만, 각 공중 인터페이스 내에서 제어 채널의 이용 방식은 비슷하다. 제어 채널들은 일반적으로 전송에 포함되는 무선 전화기 내지 송신기에 관한 식별 정보(identifying information)를 가진다. 두 번째 종류의 채널은 음성 채널들을 포함하는데, 이는 트래픽 채널(traffic channel)이라고도 알려져 있으며, 통상적으로 그 공중 인터페이스를 통해 음성 또는 데이터 통신을 수행하는 데에 이용된다. 이들 채널들은 상기 제어 채널들을 이용하여 통화가 셋업(set up)된 후에 이용된다. 음성 채널 및 사용자 데이터 채널들은 통상적으로 그 무선 통신 시스템 내에서 배타적인 전용 자원(dedicated resources)을 이용하는데 반해, 제어 채널들은 공유 자원을 이용할 수 있다. 이러한 차이는 무선 위치 확인을 목적으로 음성 채널을 이용하는 것보다 제어 채널들을 이용하는 것이 더욱 비용 대비 효율적(cost effective)이게 할 수 있는데, 그럼에도 일부 응용 분야에서는 음성 채널에서 수행되는 정규적인 위치 확인이 더 바람직한 경우가 있다. 음성 채널들은 일반적으로 전송 중에 있는 무선 전화기 내지 송신기에 관한 식별 정보를 가지고 있지 않다.
아래에서 공중 인터페이스 프로토콜들의 차이점들을 일부 논의하고자 한다.
AMPS - 이는 미국 내에서 셀룰러 통신에 이용되는 고유의 공중 인터페이스 프로토콜이다. AMPS 시스템에서는, 제어 채널의 용도를 위해 별도의 전용 채널 들(RCC)이 할당된다. TIA/EIA 표준 IS-553A에 따르면, 각 제어 채널 블록은 반드시 셀룰러 채널 313 또는 334에서 시작되어야 하나, 상기 블록은 가변 길이를 가질 수 있다. 미국 내에서는, 관습상, 상기 AMPS 제어 채널 블록이 21 채널 폭인데, 26 채널 블록을 이용하는 경우도 있다고 또한 알려져 있다. 리버스 음성 채널(Reverse Voice Channel, RVC)은 제어 채널에 할당되지 않은 어떠한 채널도 점유할 수 있다. 제어 채널의 변조 방식은 FSK(frequency shift keying)이나, 반면에 음성 채널들은 FM(frequency modulation)을 이용하여 변조된다.
N-AMPS - 이는 상기 AMPS 공중 인터페이스 프로토콜의 확장판이며, EIA/TIA 표준 IS-88에 정의되어 있다. 제어 채널은 본질적으로 AMPS의 경우와 동일하나, 음성 채널은 차이가 있다. 음성 채널은, AMPS에서 30 kHz를 이용하는 것에 비해, 10 kHz보다 좁은 대역폭을 점유하며, 변조 방식은 FM이다.
TDMA - 이 인터페이스는 D-AMPS라고도 알려져 있으며, EIA/TIA 표준 IS-136에 규정되어 있다. 이 공중 인터페이스는 주파수 및 시간 분할을 모두 이용하는 점이 특징이다. 제어 채널들은 DCCH(Digital Control Channels)라고도 하는데, DCCH에 의해 사용되는 것으로 할당된 타임슬롯(timeslot) 동안에 버스트 모드(burst)로 전송된다. AMPS의 경우와는 달리, DCCH는 주파수 대역 어디에서나 할당될 수 있는데, 그렇지만 통상적으로 확률 블록(probability blocks)의 사용에 기초하여 다른 대역보다 좀더 매력적인 주파수 할당 대역들이 있다. 음성 채널들은 DTC(Digital Traffic Channels)라고 한다. DCCH 및 DTC는 동일한 주파수 할당 대역을 차지할 수도 있지만, 주어진 주파수 할당 내의 동일한 타임슬롯 할당을 차지하지는 않는다. DCCH 및 DTC는 동일한 변조 방식을 이용하는데, 이는 π/4 DQPSK(differential quadrature phase shift keying)이라고 한다. 셀룰러 대역 내에서, 한 이동 통신 사업자(carrier)는, 각 프로토콜에 대한 주파수 할당 영역이 분리되도록 할 수 있는 한, AMPS와 TDMA 프로토콜들을 모두 이용할 수도 있다.
CDMA - 이 공중 인터페이스는 EIA/TIA 표준 IS-95A에 규정되어 있다. 이 공중 인터페이스는 주파수 및 코드 분할을 동시에 이용하는 것이 특징이다. 그렇지만, 인접한 셀 사이트들은 동일한 주파수 세트들을 이용하기 때문에, CDMA는 매우 조심스러운 출력 제어가 또한 특징이다. 이러한 조심스러운 출력 제어로 인해, 이 기술 분야에 숙련된 자들에게 근거리/원거리 문제(near-far problem)라고 알려진 상황에 봉착하게 되는데, 이는 잘 동작하던 대부분의 방식들에 대해 무선 위치 확인을 어렵게 만들어버리는 문제이다(이 문제에 대한 해결책으로서 2000년 4월 4일자 미국 특허 제6,047,192호 "Robust, Efficient, Localization System"을 참조한다). 제어 채널은 액세스 채널(Access Channels)이라고 하며, 음성 채널은 트래픽 채널(Traffic Channels)이라고 한다. 액세스 채널과 트래픽 채널들은 동일한 주파수 대역을 공유할 수 있지만, 코드로 격리되어 있다. 액세스 채널과 트래픽 채널들은 OQPSK라고 알려진 동일한 변조 방식을 이용한다.
GSM - 이 공중 인터페이스는 국제 표준인 Global System for Mobile Communications에 의해 규정되어 있다. TDMA와 유사하게, GSM은 주파수 및 시간 분할을 동시에 이용하는 것이 특징이다. 채널 대역폭은 200 kHz로, TDMA에서 이용되는 30 kHz보다 더 넓다. 제어 채널은 SDCCH(Standalone Dedicated Control Channels)라고 알려져 있으며, SDCCH에 의해 이용되도록 할당된 타임슬롯 동안에 버스트로 전송된다. SDCCH는 주파수 대역 중 어디라도 할당될 수 있다. 음성 채널은 TCH(Traffic Channels)라고 알려져 있다. SDCCH 및 TCH는 동일한 주파수 할당 영역을 차지할 수 있지만, 주어진 주파수 할당에서 동일한 타임슬롯 할당 영역을 차지하지는 못한다. SDCCH 및 TCH는 GMSK라고 알려진 동일한 변조 방식을 이용한다. GSM GPRS(General Packet Radio System) 및 EDGE(Enhanced Data rate for GSM Evolution) 시스템들은 GSM 채널구조를 그대로 사용하지만, 다중 변조 방식들과 데이터 압축을 이용할 수 있어 더 높은 데이터 처리 능력을 제공할 수 있다.
본 명세서 내에서, 제어 채널들 내지 음성 채널들이라고 칭하는 것은, 어떤 특정 공중 인터페이스에 바람직한 용어가 어떤 것이든 간에, 모든 방식의 제어 채널 또는 음성 채널들을 참조하는 것일 수 있다. 더 나아가, 전 세계적으로 사용되고 있는 많은 종류의 공중 인터페이스들(예를 들어, IS-95 CDMA, CDMA2000, UMTS 및 W-CDMA)이 있으며, 본 명세서에 기재된 발명의 사상들로부터는 어떤 공중 인터페이스도, 그 반대되는 사항이 적시되지 않는 한, 배제시킬 의도는 전혀 없다. 실제로, 해당 기술 분야에 숙련된 자들은 여타한 곳에서 사용되는 그 밖의 인터페이스들이 상술한 공중 인터페이스들과 동급이거나 이들의 파생 기술들인지 여부를 인식할 수 있을 것이다.
현재의 무선 위치 확인 시스템들은 몇 가지 잠재적인 문제점들을 겪을 수 있다. 첫째, 현재의 무선 위치 확인 시스템들은 정지된 또는 고정된 지상 기반의 수신기들을 이용하여 보급되어 있다. 정지 수신기들이 각자 특정 영역에서 동작 범 위(coverage)를 제공하는 한, 이들 각자의 특정 동작 범위의 영역은 제한적이다. 또한, 상기 무선 위치 확인 시스템의 수신기들이 해당 무선 통신 시스템의 기지국(base station)이나 셀 사이트들에 공동 설치되는 중첩 시스템들(overlay system)에 관하여 살펴 보면, 미국 전역 그리고 국제적으로 많은 지역이 무선 위치 확인 시스템을 이용하기에 충분한 셀 사이트들을 결여하고 있다. 마지막으로, 상기 정지 상태의 지상 기반의 수신기들은 무선 장치의 위치를 결정하는 데에 유용할 수 있는 영상(imagery)을 제공하는 데에 적합하지 않을 수 있다.
다음 설명은 본 발명의 여러 가지 측면들에 대해 개괄을 제공한다. 이는 본 발명의 모든 중요 측면들에 대해 철저한 설명을 제공하려는 의도가 아니며, 본 발명의 범위를 정의하려는 의도도 아니다. 다만, 이 설명은 이어지는 상세한 설명에 대한 소개로서 역할을 하도록 의도된 것이다.
예시적인 WLS는 다수의 무선 수신기들로 구성되며, 이들 무선 수신기들은 위치 확인 기능이 요구되는 지리적 영역 전체에 걸쳐 흩어져 있다. 일반적으로, 그러한 무선 수신기들은 고정식이고 또한 그 위치가 알려져 있다. 또한, 이들 무선 수신기들은 GPS(Global Positioning System) 타이밍 수신기를 통해 서로 간에 시간 및 주파수가 동기되어 있다. 통상적으로, 이들 무선 수신기들은 안테나나 전송선, 멀티커플러(multicouplers), 작동 환경이 제어되는 밀폐 공간(enclosure space) 및 전력과 같은 자원들뿐 아니라, 셀 사이트(cell sites)로부터 중앙 사이트(central cite)로 또는 한 셀 사이트에서 다른 셀 사이트로 정보를 교류할 수 있는 백홀(backhaul) 통신 장비를 공유할 수 있도록, 셀 사이트 장비와 함께 설치(collocated)된다. 이들 무선 수신기들은 무선 핸드셋들이나 장치들로부터 소정의 시간 주기 동안 무선 주파수(radio frequency, RF) 송신을 수신하여, 도달 시간 차(time-difference-of-arrival, TDOA) 및 도달 주파수 차(frequency-difference-of-arrival, FDOA) 처리를 통해 그 장치들의 위치(예를 들어, 위도 및 경도)뿐 아니라, 장치들의 속도나 진행 방향까지 결정할 수 있다.
TDOA/FDOA 처리를 통해 무선 송신기의 위치, 속도 및 방향 결정을 하려면, 여러 개의 센서가 어느 시간 주기 동안에 걸쳐 송신을 수신하여야 하고, 그러한 센서들이 송신 신호를 획득하는 그 시간 동안에 각 센서들의 위치, 속도 및 방향이 알려질 필요가 있다. 전형적인 WLS 시스템은 많은 수의 정지 센서 내지 고정 센서들을 이용하며, 따라서 이들의 속도는 0이고 방향은 정의되지 않으며 또한 관련성도 없다. 본 발명은 셀 사이트 장비와 동일 위치에 설치되는 것이 아니고 오히려 이동 플랫폼(mobile platform)의 일부로서 하나 또는 다수의 센서를 가지게 함으로써, 이러한 전형적인 WLS 시스템의 성능을 증강시킨다. 상기 이동 플랫폼은 지상 주행 차량(land-roving vehicle), 선박(watercraft), 항공기(aircraft), 수륙 양용 차량(amphibious vehicle) 내지 위성 등이 될 수 있으며, 물론 이에 한정되는 것은 아니다. 이동 플랫폼은 바람직하게는 위치 측정 유닛(location measuring unit, LMU)을 포함하는데, 상기 위치 측정 유닛은, 시간 및 주파수의 기준을 제공할 뿐 아니라 정확한 시점들에서 상기 LMU의 위치(즉, 위도, 경도 및 고도), 속도 및 3차원 진행 방향까지 제공하는 GPS 타이밍 수신기에 의해 기능이 보강된다. 기지국으로부터 다운링크 송신을 수신하기 위한 안테나 및 수신기, 이동 유닛으로부터 업링크 송신을 수신하기 위한 안테나와 수신기, 그리고 GPS 신호들을 수신하기 위한 안테나와 수신기도 마찬가지로 제공되는 것이 바람직하다. 무선 통신 링크도 또한 커맨드 및 제어 신호들을 LMU에 제공하는 데에, 그리고 위치를 확인하고자 하는 이동형 장치에 의해 송신되는 관심 대상 신호(signal-of-interest, SOI)의 표현 형태(representation)를 전달하는 데에 이용될 수 있다.
더 나아가, 하나 또는 그 이상의 이동형 센서들을 사용함으로써, 실시간 영상(real-time imagery)을 제공할 수 있고, 또한 비행 센서를 이용하는 경우에서는, 그 무선 장치가 위치한 지리적 영역의 공중 조감 영상(overhead imagery)을 제공할 수 있다. 이러한 영상은, TDOA와 도달각(angle of arrival, AOA) 측정치들에 의해 결정된 무선 장치의 위치를 실시간 화상들(real-time images)과 연계시킬 수 있기 때문에, WLS의 위치 확인 정확도를 향상시키는 데에 이용될 수 있다. 예를 들어, 만약 무선 위치 확인 시스템에 의해 제공된 어떤 무선 장치의 위치가 공중 조감 영상(overhead image)에 의해 제공된 어떤 자동차의 위치와 일치한다면, 이는 상기 무선 장치가 실제로는 그 자동차 내에 위치할 것이라 볼 수 있을 것이다. 따라서, 비행 센서들을 실시간 적외선이나 목표하는 지리적 영역의 공중 조감 영상 같은 것으로 보강시키면 무선 장치의 사용자를 식별하는 능력을 증대시킬 수 있다.
본 명세서에 설명된 또 다른 특징은 이동형 LMU에 적용될 수 있는 방법에 관한 것으로서, 그 이동형 LMU가 위치를 확인하고자 하는 이동국(mobile station)으로부터 온 전송 신호의 도달 시간(time-of-arrival, TOA), 도달 시간 차(TDOA) 내지 도달 주파수 차(FDOA) 등을 성공적으로 검출하고 판정해 낼 수 있는 능력을 향상시킬 수 있다. 이 방법은, 무선 장치로부터 온 무선 주파수 송신 신호들을 수신하도록 구성된 수신기와 수신된 송신 신호들의 데이터 샘플들을 저장하는 메모리를 이용하는 것을 수반한다. 추가적으로, 상기 LMU는, 수신된 송신 신호를 대표하는 저장 데이터를 수신된 송신 신호의 복제 신호에 상관 연산하는(correlating) 프로세서를 포함하거나 또는 이에 연계되어 있을 수 있다. 예시적인 구현예를 살펴보면, 상기 이동형 LMU는 송수신 기지국(base transceiver station)이나 네트워크 제어국(network controller)(이러한 용어들은 본 명세서 내에서 종종 혼용되어 사용될 수 있음)에 의해 송신되는 다운링크 신호를 수신하기 위한 수단과, 상기 다운링크 신호로부터 복제 신호를 만들어내기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 기타 특징들 및 장점들은 이어지는 예시적인 실시예들에 대한 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
앞서 서술한 요약은, 다음의 상세한 설명과 마찬가지로, 첨부된 도면들과 관련하여 읽을 경우에 더욱 잘 이해될 수 있다. 본 발명을 설명하려는 목적으로 도면 내에는 본 발명의 예시적인 구성예들이 나타나 있다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정한 방법들이나 장치들에 한정되는 것이 아니다. 도면에서는 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라, 상용 GSM 네트워크 위에 부가시키는 식으로 설치되는 무선 위치 확인 시스템(WLS)을 묘사한 예시적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 위치 확인 시스템을 묘사한 예시적 인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 LMU의 배치 구성을 묘사한 예시적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 수신기들이 얻어낸, 무선 핸드셋의 가능성 있는 위치들을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 업링크 TDOA(Uplink TDOA, U-TDOA) 쌍곡선들의 교점을 묘사한 화면의 예시적인 영상이다.
도 6은 저 출력 신호들을 이들의 고출력 지연 복제 신호들을 이용하여 증강시키는 절차에 대한 예시적인 구현예에 관한 순서도이다.
이동형 LMU 보강형 WLS(mobile LMU-enhanced WLS)는 독특한 위치 확인 솔루션으로서, 공중 기반 운용 및 지상 기반 운용을 모두 포함하는 다양한 이동 플랫폼에서 무선 위치 확인 기술들을 실시할 수 있게 한다. 또한, 상기 이동형 LMU 보강형 WLS는 사용자들에게 새로운 수준의 위치 확인 능력을 제공할 수 있어, 기존 플랫폼들의 기능과 특징들을 향상시킬 수 있다. 네트워크 기반의 솔루션은, 셀룰러 기지국들에 설치될 수 있는 위치 측정 유닛들(LMUs)을 호출하는 수신기들을 이용할 수 있다. 무선 전화기 내지 기타 장치들의 위치 확인은, 업링크 도달 시간 차(Uplink Time Difference of Arrival, U-TDOA)라고 알려진, 무선 신호 삼각법(radio signal triangulation)과 유사한 처리 절차를 수반한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라, 상용 GSM 네트워크 위에 부가시키는 식 으로 설치되는 무선 위치 확인 시스템(WLS)(100)을 묘사한 예시적인 구성도이다. 상기 WLS(100)의 구성 장비로는 LMU(120), 무선 위치 확인 프로세서(Wireless Location Processor, WLP)(170) 및 무선 위치 확인 게이트웨이(Wireless Location Gateway, WLG)(180)을 포함하는 서빙 이동형 위치 확인 센터(Serving Mobile Location Center, SMLC)(160), 그리고 에이비스 모니터링 시스템(Abis Monitoring System, AMS)(150)를 포함한다. 상기 LMU(120)는 이동통신 사업자의 셀 사이트들에 설치되는 가장 중요한 장비이다. 상기 LMU(120)는 상기 시스템을 위해 데이터를 수집할 수 있도록, 설정된 주파수들에 맞춰 튜닝된다. 상기 LMU(120)는 이어서 수집된 데이터를 상기 SMLC(160)로 전달한다. 한 네트워크 내의 LMU(120)들은 바람직하게는 지구 위치 확인 네트워크(Global Positioning Network)(도시되지 않음)을 사용하여 시간 및 주파수 동기되어 있다.
상기 WLS는 상기 에이비스 인터페이스(Abis interface)(190)에서 검출된 가입자의 신원, 무선 채널 할당 및 그 밖의 제어 정보들을 이용하여, 통화자의 위치를 결정하기 위해 어느 GSM 무선 버스트(GSM radio burst)가 측정되어야 하는지를 식별할 수 있다. 이러한 위치를 계산하는 데에 이용되는 상기 무선 신호 데이터는 상기 LMU(120)와 상기 SMLC의 WLP(170) 사이에서 E1/T1 백홀(backhaul)을 통해 전달될 수 있다. 상기 시스템은 또한 송수신 기지국(Base Transceiver Statioin, BTS)(110), 기지국 제어 장치(Base Station Controller, BSC)(140) 및 모바일 스위칭 유닛(Mobile Switching Unit, MSC)(130)을 포함한다.
상기 SMLC의 두 가지 중요한 하위 시스템들인 상기 무선 위치 확인 프로세 서(WLP)(170)와 상기 무선 위치 확인 게이트웨이(WLG)(180)는, 상용으로 구매 가능한 장비를 가지고 구축될 수 있다. 상기 SMLC(160)는 통상적으로 이동 통신 사업자의 스위칭 장비 위치에 설치되지만, 아무 위치에나 멀리 떨어져 분포되어 있을 수도 있다.
상기 무선 위치 확인 프로세서(WLP)(170)는 바람직하게는 대용량의 위치 확인 처리 플랫폼이다. 상기 WLP(170)는 위치, 통계적 신뢰 구간(confidence interval), 속도 및 진행 방향을 계산하기 위한 U-TDOA 알고리즘 및 다중 경로 완화 알고리즘(multipath mitigation algorithm)을 내장한다. 상기 WLP(170)는 또한, 상기 에이비스 모니터링 시스템(AMS)(150)으로부터 제공된 격발 신호(triggering)나, 또는 Lb 인터페이스로부터 기반 구조 제공자(infrastructure vendor)의 기지국 제어 장치(BSC)(140)(또는 몇몇 경우에는 MSC(130))로 전달되는 요청(requests)에 근거하여 무선 전화기들이 위치하는지를 판정할 수 있다. 상기 WLP(170)는 통상적으로 운용자의 BSC(140)에 함께 설치되지만, 또한 멀리 떨어져 분포할 수도 있다. 상기 WLP(170)의 가장 중요한 기능들은, 상기 LMU(120)들로부터 신호 감지에 대한 보고를 수신하는 것, 위치 계산 처리를 수행하는 것, 각 신호에 대해 위치 추정치를 계산하는 것과, 위치 기록들에 관하여 상기 WLG(180)와 교신하는 것 등이다.
상기 WLG(180)는 상기 네트워크를 관리하고, 사업자가 위치 기록들에 접근할 수 있게 한다. 상기 WLG(180)는 위치 기록의 수집 및 배분에 대해 책임을 진다. 상기 WLG(180)는 또한 구성 정보(configuration information)를 유지 관리하고 네트 워크 유지 보수를 지원한다. WLG(180)는 예를 들어 네트워크 운용 센터, 교환 설비, 내지 그 밖의 보안 설비와 같은 여느 중앙 집중식 설비 내에 설치될 수 있다.
상기 AMS(150)는, 그 AMS(150)이 연결되어 있는 GSM 네트워크 내의 모든 에이비스 시그널링 링크(Abis signaling links)(190)를 연속적으로 감시한다(몇몇 경우에서는 A 인터페이스 링크(A-interface link)(195)를 감시). 상기 AMS(150)의 기능은 무선 장치에 대한 GSM 통화 셋업 절차 도중의 메시지들을 획득하는 것이다. 상기 AMS(150)는 이어서 이들 메시지들 내에 포함된 데이터를 이어지는 위치 확인 프로세싱을 위해 상기 WLG(180)에 전달한다(2004년 8월 24일자 미국 특허 제6,782,264호 B2 "Monitoring of Call Information in a Wireless Location System"을 참조하기 바람).
여기에 도시되지 않은 요소 관리 시스템(Element Management System, EMS) 부분은 상기 WLS를 위한 1순위의 관리자 인터페이스이다. 상기 EMS는 WLS 관리자들이 네트워크 유지 관리, 제한된 시스템 구성 관리, 경보(alarm) 관리 및 오류 격리(fault isolation) 등을 수행할 수 있게 한다. 상기 EMS는 서버와 다수의 클라이언트들을 포함하며, 상기 WLG(180)를 이용하여 상기 WLS에 연결된다. EMS 클라이언트들은, EMS 관리자 콘솔로서 역할을 하는데, 상기 네트워크 내의 모든 구성 요소들에 대해 다양한 수준의 액세스를 제공한다.
도 2는 이동형 LMU 보강형 WLS(200)에 대한 예시적인 아키텍처를 보인다. 도 2는 도 1에 관해 위에서 설명한 것과 유사한 요소들을 포함한다. 이들 요소들은 동일하게 이름이 붙어있으며, 이에 관한 설명은 간결성을 위해 생략한다. 도 2는 도 1에 관하여 위에서 설명한 예시적인 WLS(100)와 유사하게 동작하나, 다만 예시적인 시스템(200)에서는 이동형 LMU(225)가 송신기/수신기(226)를 통해 위치 데이터를 상기 WLP(170)의 송신기/수신기(276)로 전달한다. 이러한 구성에서는, 상기 LMU(225) 및 WLG(180)에 결합된 송수신기들이 상기 시스템에 백홀 기능을 제공하는 것이다. 상기 이동형 LMU들(225)은 외부 GPS 모듈(도시되지 않음)이 포함되도록 하는 최소한의 변경이 가해진 정도인, 보통의 LMU(120)들일 수 있다. 상기 GPS 모듈은 상기 이동형 LMU의 3차원 위치를 제공할 수 있다. 상기 GPS 모듈은 또한, 상기 이동형 LMU(225)의 3차원 벡터 방향과 속도를 제공할 수 있을 뿐 아니라, 개조 전의 LMU(120)에 요구되는 주파수 기준, 타이밍 및 동기화를 제공할 수 있다.
상기 SMLC(160)은 위치 및 속도 추정에 관여하는 상기 LMU들, 즉 정지해 있는 LMU(120)와 이동형 LMU(225)에 의해 제공받은 데이터로부터 목표 이동 전화기의 도플러 성분을 분석하고 결정한다. 상기 SMLC(160)은 이러한 동작을 수행함으로써, 상기 이동 전화기의 송신 신호들을 감지한 모든 LMU들의 검출된 주파수를 정규화한다(즉, 각 LMU는 교차 상관 연산 프로세스를 수행하는 동안 바람직하게도 도플러 주파수를 알게 된다). 상기 SMLC(160)는 또한 이러한 동작을 수행함으로써, 목표 이동형 장치의 속도 및 향하는 방향과 같은 부가 가치 정보를 최종 사용자 응용 제품에 제공한다.
상기 이동형 LMU(225) 자체가 움직이고 있을 경우, 상기 이동형 LMU(225)에 대해 추가적인 도플러 성분이 판단되고, 상기 목표 이동 전화기의 위치 및 속도를 추정할 때에 이러한 점이 보상된다. 상기 SMLC(160)에 데이터를 전송하는 각 이동 형 LMU(225)는 SMLC(160)과 표준적인 통신을 수행하면서 상기 이동형 LMU(225)의 위치 및 속도 수치들을 포함하는 부가 정보를 가질 수 있다. 상기 이동형 LMU(225)와 상기 SMLC(160) 사이의 통신 링크는 예를 들어, 64kbps(DS0) 저 레이턴시 채널(low latency channel)일 수 있다. 버퍼링 기능이 패킷 손실 및 재전송을 수용할 수 있도록 링크의 양단에 부가될 수 있다.
예시적인 이동형 LMU(225)는 다양한 플랫폼에 설치될 수 있어 유연한 동작 범위를 제공할 수 있다. 예를 들어, 만약 상기 예시적 이동형 LMU(225)가 항공기에 설치된다면, 그 항공기는 그 동작을 원활히 하기 위해 일정한 상호 연결 설비(interconnects)를 가질 수 있다. 또한 상기 이동 플랫폼은 촬상 장비(imaging equipment)(도시하지 않음)를 장비할 수 있으며, 상기 이동 플랫폼의 시야 내에 있는 주변 영역에 대한 실시간 영상을 제공할 수 있다. 상기 영상은 상기 LMU에 의해 수신된 위치 데이터와 함께 이용되어, 무선 장치의 위치를 정확하게 검출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 LMU(330)의 배치 구성을 묘사한 예시적인 구성도이다. 상호 연결 구조(interconnection)는, 이중 대역 이동형 LMU(330), 외부 GPS 수신기(320), 외부 동체 장착 GPS 안테나 구조물(antenna fixture)(370), 촬상 장비(350) 및 촬상 처리 유닛(355)을 위한 전력 공급 장치와, 하늘에 대해 방해받지 않는 시야를 제공할 수 있도록 항공기 내의 소정 위치에 자리한 상기 비행 GPS 안테나(370)를 위한 배선 도관(wiring conduit), 지상에 대해 방해받지 않는 시야를 제공할 수 있도록 항공기 내의 소정 위치에 자리한 이중 대 역 업링크/다운링크 안테나 인터페이스 유닛(340)을 위한 외부 동체 장착 셀룰러 PCS 안테나 구조물(380)과, 지상 기반의 SMLC(도시하지 않음)와 통신을 위한 통신 링크(360)에 연결되는 안테나 상호 연결 구조(390)를 포함한다. 지상에 기반한 장비는 또한 상기 항공기 기반의 통신 링크(360)를 이용하여 지상 공중 간 통신을 제공할 수 있다. 이 장비는, 지상 기반의 SMLC와 인터페이싱하면서, 상기 SMLC로 하여금 상기 이동형 LMU(330)을 제어하고 동작시키도록 하여, 위치 확인 처리 작업을 위해 상기 이동형 LMU(330)로부터 데이터를 획득하도록 할 수 있다.
상기 이동형 LMU(330)는 무선 링크를 통해 상기 SMLC에 대해 연결성을 획득할 수 있다. 예를 들어, 고속 X 밴드 802.11b 통신 링크는 그러한 연결성을 제공할 수 있다. 더 나아가, 상기 이동형 LMU에 대한 단일의, 저 레이턴시 64 kbps 데이터 파이프(data pipe)도 이용될 수 있다. 이들 시스템 요소들 양자 모두, 패킷 손실 및 재전송 지연을 허용할 수 있는 30 밀리초 정도의 버퍼를 가지도록 변형될 수 있다. 상기 항공기는 또한 촬상 장비(350)와 촬상 처리 유닛(355)을 장비할 수 있으며, 무선 장치의 위치를 탐지하는 것을 보조할 수 있다. 상기 촬상 장비(350) 및 촬상 처리 유닛(355)은 상기 이동형 LMU(330)에 연계하여 이용될 수도 있고, 단독으로 고정된 LMU(120)들을 보조하는 데에 이용될 수도 있다. 상기 촬상 처리 유닛은 또한 녹화 장치 및 저장 장치를 포함하여 추후에 볼 수 있도록 화상을 녹화하거나 화상을 저장할 수 있다.
상기 U-TDOA 위치 확인 알고리즘은 송신 중인 이동 전화나 이와 유사한 장치의 위치를, 서로 다른 수신기 사이트들에서 신호의 도달 시각의 차이를 측정함으로 써 계산한다. 이 이동 유닛이 신호를 송신하면, 송신된 신호는 그 이동 전화기와 각 수신기 사이의 전송 경로의 거리에 비례하는 여러 시점에서 서로 다른 수신기들에 의해 수신된다. U-TDOA 알고리즘은 언제 그 이동 전화기가 송신을 하는지에 대해 알아야 할 필요가 없으며, 오히려 도 4에 개략적으로 나타낸 것과 같은 쌍곡선 데이터를 생성하면서, 기준선 측정(baseline measurement)으로서의 수신기 쌍 사이의 시간 차를 이용한다. 도 4는 어떤 측정된 시간 차에 대해, 각 수신기로부터 어느 핸드셋에 관한 모든 가능성 있는 거리들을 예시적으로 보인 도면을 나타낸다. 두 개 또는 그 이상의 쌍곡선 도의 교차점은 송신 중인 이동 전화기의 위치를 나타낸다.
도 5는 송신 중인 무선 전화기의 위치를 결정하는 WLS의 예시적인 도면을 묘사한 것이다. 상기 무선 장치의 위치는 U-TDOA 쌍곡선들의 교차점들에 의해 표시된다.
상기 WLS는 바람직하게는, 대용량 위치 기반 서비스들을 위해 설계된다. 상기 WLS는 여타 사용 가능한 위치 확인 자원들(U-TDOA, AOA, AGPS(assisted GPS), 출력 측정 기법)을 이용하여, 가능한 한 가장 높은 정확도 및 수율(yields) 수준으로, 요청된 위치 확인을 수행할 수 있다. 다양한 형태의 시장이 주도하는 위치 확인 응용 제품들 및 서비스들에 있어서, 상기 예시적인 시스템은 "추상의 원칙(principal of abstraction)"를 이용하여, 모든 위치 확인 요청들을 트리거(triggers)와 작업(tasks)으로 구성된 하나의 열(series)로 만들고, 필요한 만큼 요구되는 위치 확인 자원들을 배치한다. 그 결과, 상기 시스템은 이동형 LMU들과 공공 보안(public security) 기능들을 다른 위치 기반 서비스와 마찬가지로 취급할 수 있게 된다.
상기 시스템은 다양한 공공 보안 활용 사례들에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 위 시스템은 "전 네트워크 지원(Full Network Support)"가 필요한 경우들, 즉 무선 운용자의 네트워크가 통상의 상용 배치 환경 하의 WLS를 포함하고 있고 목표 영역은 현재 상용 LMU 배치 상태에 의해 커버되는 경우에 이용될 수 있다. 상기 시스템은 또한, "부분적 네트워크 지원(Partial Network Support)"가 요구되는 경우들, 즉, 상기 시스템의 구성이 단지 중앙 관리국 기반(central office-based) SMLC 및 AMS 만으로 구성되는 경우에 이용될 수 있다. 상용 배치된 LMU들이 현존하는 경우에는, 상기 LMU들의 커버 영역은 목표가 되는 커버 영역과 일치하지 않을 수 있다. 따라서, 추가적인 LMU들(예를 들어 이동형 LMU)이 관심 대상인 영역들을 커버하는 데에 필요할 수 있다. 이러한 경우에, 무선 운용업자는 이동형 LMU-SMLC 간의 백홀 및 그루밍(grooming)을 제공하지 않을 수 있다. 더 나아가, 이러한 시스템은 "네트워크 지원 없음(No Network Support)"이라고 칭해질 수 있는 경우들, 즉 상기 WLS가 독립적으로 배치되는 경우에서 이용될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 WLS는 무선 운용업자의 네트워크로부터 필요로 했던 여타 데이터를 제3 자가 제공하는 신호 가로채기/해독 감시 시스템(signal intercept/decrypting monitoring system)을 통해 또는 이와 유사한 시스템으로부터 획득한다.
이동형 LMU는 부분 네트워크 지원 및 네트워크 지원이 없는 케이스들을 만족시킬 필요가 있을 수 있다. 이동형 LMU들은 유연성을 제공하며, 그럼으로써 예를 들어 즉시 커버되는 것이 바람직한 목표 영역 내에 상용으로 배치된 LMU들이 현재 전혀 없을 수 있는 지역들에 배치될 수 있다. 상기 이동형 LMU들은 또한 WLS 내에서 예를 들어 상용 LMU가 정비 유지 목적으로 비활성화되어 있는 경우와 같은 틈새를 채워줄 수 있다.
상기 이동형 LMU들은 지상형(terrestrial)일 수도 있지만 비행형(airborne)일 수도 있다. 상기 이동형 LMU들은 전천후 이동형(fully mobile)(예를 들어 항공기에 탑재된 경우)으로 구현될 수도 있고, 또는 임시 설치형(temporary installations)(예를 들어, 차량이동 셀 사이트(Cell-site on Wheels, COW) 또는 기구에 탑재된(blimp-mounted) 경우)으로 구현될 수도 있다.
이제 상기 이동형 LMU들의 능력을 향상시켜, 약하고 잡음이 섞였으며 간섭으로 훼손된 잡음 섞인 관심 대상 신호를 탐지하는 데에 이용될 수 있는 방법을 설명하고자 한다.
< 고 출력 지연 복제 신호들을 통해 저 출력 신호들을 향상시키는 방법 >
다중 이용자 통신 네트워크들에 있어서 많은 네트워크 제어 장치들은, 가입자에 대해 현재 해당 네트워크 제어 장치와 통신을 하고 있는 바로 그 단말기임을 검증하는 방법으로서, 가입자 단말기로부터 받은 송신 신호에서 수신된 데이터를 다시 상기 단말기로 재전송한다. 이는 그 단말기의 신호를 원치 않는 간섭 및 잡음에 대해 증진시킴으로써 무선 단말기들(예를 들어 이동 전화기나 이와 유사한 무선 장치)의 위치를 확인하는 것을 보조하는 데에 유리하도록 이용될 수 있다(무선 통 신 네트워크 예를 들어 GSM과 같은 경우에 있어서, 동작하는 BTS가 네트워크 제어 장치로서 역할을 할 수 있고 따라서 재전송 기능을 수행한다). 이는 상기 네트워크 제어 장치의 신호가, 출력이 한정된 이동형 단말기로부터 직접 송신된 신호보다 보통 좀더 액세스하기 좋고 또한 출력이 세기 때문에 가능하다. 다음의 예로서 이러한 개념을 설명할 수 있다.
무선 GSM 네트워크가 무선 통신 서비스를 제공하는 지리적 영역 내에 산재되어 있는 복수의 송수신 기지국들로 구성된 무선 GSM 네트워크를 고려해보자. 상기 무선 네트워크 내의 기지국들의 밀도는 여러 가지 인자들(factors)에 의해 결정될 수 있다. 통상적으로, 하나의 기지국은 자신의 일정한 주변 영역 내에 있는 다수의 무선 단말기들에 서비스를 제공할 수 있으며, 따라서 무선 단말기들의 밀도는 기지국들의 밀도보다 훨씬 더 크다. 도달 시간 차(TDOA)를 가지고 무선 단말기의 위치를 확인하는 것은, 무선 단말기의 신호를 다수의 시간 동기된 수신 사이트들에서 수신하는 것과, 이들 사이트들 각각에서 수신된 신호들을 그 신호의 복제 신호(replica)와 상관 연산함으로써 정확한 도달 시간(TOA)을 측정(이때 TOA는 결국은 TDOA를 계산하는 데에 이용될 수 있다)하는 것을 수반할 수 있다(예를 들어 1994년 7월 5일자 미국 특허 제5,327,144호 "Cellular Telephone Location System"과, 2000년 4월 4일자 미국 특허 제6,047,192호 "Robust, Efficient, Localization System"을 참조한다). 그러나, 때때로 관심 대상 신호(signal-of-interest, SOI), 즉 무선 단말기의 신호의 양호한 복제본을 얻는 것이 어려울 수 있는데, 이는 수신 사이트들이 무선 단말기로부터 매우 먼 거리에 위치하고 있고, 상기 SOI가 낮은 신 호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 가지는 특징 즉, 상기 SOI가 출력이 낮고 다른 잡음 성분뿐 아니라 다른 무선 단말기들로부터 받은 간섭에 의해 훼손되어 있을 수 있기 때문이다. 그러나, 이러한 약하고 간섭에 변형된 신호들도 성공적으로 검출되고 시간 소인이 찍혀(time stamped) 무선 단말기의 위치 확인이 가능하게 될 수 있는데 이는 위에서 인용한 미국 특허들에서 설명한 방법에 따라 수신 사이트들 내에 시간 소인 메모리(time-stamped memory)를 결합시킴으로써 가능하게 된다.
본 발명에 따르면, SOI를 수신하고, 이를 메모리에 저장하며, 종종 추후에 상기 네트워크 제어 장치로부터 신호를 수신하는 단계에 의한, 위와 유사한 프로세스가 이용될 수 있다. 상기 무선 단말기가 자신의 신호를 상기 네트워크 제어 장치로 전송한 후에 상기 네트워크 제어 장치가 SOI에 대한 고출력 반복 신호를 전송하는 것은, 다른 방법으로 하였다면 위치 확인 프로세싱에 이용되기에는 너무 약하거나 또는 왜곡되어 있을 수 있는 SOI를 성공적으로 검출할 수 있도록, 정합된 복제 신호 상관 연산(matched replica correlation) 프로세스를 원활히 하는 것을 보강시킬 수 있다. 이는, 상기 네트워크 제어 장치의 신호가 보통 더 큰 출력을 가지며 간섭에 덜 영향을 받기 때문에 그럴 수 있다. 다시 말해, 상기 무선 단말기들의 전송 신호는, 상기 네트워크 제어 장치로부터 온 신호에서 수신되며 또한 상기 수신 사이트들 각각에 있는 시간 소인 메모리 내에 저장된 SOI를 강화시키는 상관 연산 프로세스(correlation process)에서 이용되는 정보로부터, 재구축될 수 있다. 요약하면, 이러한 접근 방식의 가장 중요한 측면은, 수신 사이트들에서 출력이 낮은 이 동형 단말기들의 신호들을 수신하여 이 신호들을 시간 소인 메모리에 저장하고, 시간이 흐른 후에 네트워크 제어 장치로부터 상기 SOI의 더 높은 출력을 가진 복제 신호를 수신하며, 상기 메모리 내의 SOI들을 상기 네트워크 제어 장치로부터 온 고충실(higher fidelity) SOI 복제 신호들을 이용함으로써 상관 연산 프로세싱을 보강하는 것이다. 이러한 프로세스는 "강한(strong)" 신호를 복조하여 상기 RF 신호에 의해 송신된 디지털 데이터를 복원하는 단계와, 위치를 확인하고자 하는 이동형 단말기로부터 원래 전송된 것과 같은 SOI의 고충실 복제 신호를 제공할 수 있도록 상기 데이터를 재변조(re-modulating)하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 SOI의 정확한 도달 시간은 상기 고충실 RF 신호 복제 신호를 상기 LMU로부터 수신된 RF 신호의 저장된 복사본에 상관 연산시키거나, 또는 교차 상관 연산시킴으로써 결정될 수 있다. 이는, TDOA가 가능하지 않았을 시나리오에서도 TDOA를 통해 위치 결정을 가능하게 한다.
이제, 네트워크로부터 아무런 연결이나 협조를 받지 못하는 비행체 내지 무인 항공기(unattended airborne vehicles, UAV)로부터 상용 지상 기반 GSM 무선 네트워크를 이용하는 이동형 단말기들의 위치를 확인하는 경우에 생기는 문제를 다루고자 한다. 이는 예를 들어, 사법/군사/첩보 분야에서 수행될 수 있다. 이 문제는, SOI의 특성을 결정함으로써 대응될 수 있는데, 그럼으로써 그러한 특성이 TDOA/FDOA나 이와 유사한 신호 처리 방식에서도 이용될 수 있다. 상술한 기술은, 상기 송수신 기지국(base transceiver station, BTS)에서 상기 이동형 단말기로 향하는 송신 신호를 모니터링함으로써, 상기 SOI의 특성을 추출해 내는 데에 이용될 수 있다. GSM 네트워크에서는, 이동국(mobile station, MS)은 상기 BTS와 제어 채널 신호들을 통해 상호 교류하며, 성공적인 무선 전화 통화와 데이터 전송을 가능하게 한다. 상기 BTS는 특정 무선 신호 송수신에 응답하여, 상기 MS로부터 수신한 데이터를, 수신한 직후에, 제어 채널을 통해 반복한다. 예를 들어, 어떤 이동형 단말기가 통화를 개시하면, 상기 이동형 단말기가 CM_SERV_REQ 메시지에 담아서 제어 채널에 실어 상기 BTS로 송신하는 데이터는, 상기 이동형 단말기를 향하는 상기 BTS의 바로 다음 송신 시에 상기 이동형 단말기로 반복되어 되돌아간다. 어느 지리적 영역에 걸친 BTS들의 밀도는 동일한 지리적 영역에 걸친 이동형 단말기의 밀도보다 통상적으로 훨씬 낮기 때문에, 그리고 상기 BTS들이 이동형 단말기들보다 더 센 출력으로 송신하며, 이동형 단말기들보다 더 효율적인 안테나를 이용할 것이기 때문에, 상기 BTS 송신은 통상적으로 이동형 단말기들의 송신 신호들보다 그 지리적 영역 상공에 있는 비행 플랫폼(airborne platform)에서 훨씬 용이하게 수신될 것이다. 다시 말해, 상기 BTS로부터 상기 이동형 단말기로 향하는 송신 신호는 상기 UAV에 의해 수신될 것이며, 상기 이동형 단말기의 정보는 이들 수신된 송신 신호들로부터 추출될 수 있을 것이다. 이 정보는 상기 UAV 내에 있는 무선 수신기들에 의한 상기 이동형 단말기의 송신 신호들의 수신을 강화시키는 데에 이용될 수 있다. 그렇지만, BTS도 상기 이동형 단말기가 그러한 신호를 송신한 직후에 이러한 정보를 송신하며, 따라서 이동형 단말기의 송신 신호들을 기록하는 메카니즘이 채용되고, 이러한 신호들은 상기 정보가 상기 BTS로부터 상기 UAV에 의해 수신된 직후에 처리될 수 있을 것이다. 이러한 프로세스의 기본 단계는 (1) UAV에서 상기 이 동형 단말기로부터 온 송신 신호들을 수신하고 기록하고, (2) 상기 UAV에서 상기 BTS들로부터 온 송신 신호를 수신하고 기록하며, (3) 이동형 단말기의 정보를 상기 BTS로부터 온 송신 신호로부터 추출하고, (4) 상기 이동형 단말기로부터 수신된 송신 신호를 보강하는 데에 이러한 정보를 이용하는 것이다.
이러한 접근 방식은 또한 UAV에 설치된 적응식 안테나 어레이(adaptive antenna arrays)를 이용하는 경우에 적용할 수 있어, 상기 적응식 안테나 어레이에 의해 제공되는 공간 필터링(spatial filtering)을 통해, 동일한 주파수 상에 있는 원치 않는 이동형 단말기들로부터 받는 간섭의 효과를 감소시키는 한편, 동시에 원하는 이동형 단말기의 신호를 강화시킬 수 있다.
공중 비행(또는 지상 기반의 이동형) LMU에 있어서 신호 감지 능력을 향상시키는 절차에 관한 예시적인 구현예는, 관심 대상 주파수 대역들을 담당하는 관여된 모든 UAV들 상에 업링크 수신기와 다운링크 수신기를 이용하는 것을 수반할 수 있다. 이는 도 6의 순서도에 예시되어 있다. 상기 업링크 및 다운링크 수신기들은 서로가 GPS 타이밍 수신기들을 이용하여 시간 및 주파수 동기화되어 있다. 단계는 다음을 포함한다.
1. 관심 대상 GSM 네트워크의 프레이밍(framing)을 통해 UAV 내의 수신기들을 동기화함(400).
2. 제1 UAV에서 BTS로부터 오는, 관심 대상 이동형 단말기에 대해 상기 BTS와 통신하는 데에 이용될 주파수 및 타임 슬롯(time slot)을 알려주는 AGCH 전송을 수신함(410).
3. 업링크 수신기들을 상기 AGCH로부터 추출한 주파수 및 타임 슬롯 정보에 따라 튜닝하고 업링크 데이터를 기록하기 시작함(420).
4. BTS 다운링크 데이터를 기록하기 시작함(430).
5. 상기 이동형 단말기로부터 종전에 송신된 데이터의 복제본이자, 이제 업링크 송신으로부터 기록될, 상기 BTS로부터 온 송신을 UAV에서 수신함(440).
6. 상기 BTS 다운링크 송신으로부터 상기 이동형 단말기의 정보를 추출하고, 각 UAV에서 저장된 SOI를 보강하는 데에 이용함(450).
7. TDOA/FDOA 내지 이와 유사한 기술들을 이용하여 상기 이동형 단말기의 위치를 확인함(460).
< 결론 >
본 발명의 진정한 범위는 본 명세서에서 설명한 예시적이고 현 시점에서 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다. 예를 들어, 무선 위치 확인 시스템에 관해 앞서 한 설명은, 설명을 위한 용어들, 예를 들어 네트워크 제어 장치, LMU, BTS, BSC, SMLC 등등을 이용하였는데, 이는 본 출원의 보호 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 또는 그렇지 않더라도 상기 무선 위치 확인 시스템의 특허성 있는 측면들이 개시되어 있는 특정한 방법들이나 장치들에 한정됨을 암시한다고 해석되어서는 아니 된다. 더 나아가, 당해 기술 분야에 숙련된 자에게 이해될 수 있듯이, 본 명세서에 개시된 여러 특허성 있는 면들이 TDOA 기술들에 기초하지 않은 위치 확인 시스템에서도 적용될 수 있다. 그러한 비 TDOA 시스템들에서는, 상술 한 SMLC는 TDOA 계산을 수행할 필요가 없을 것이다. 이와 유사하게, 본 발명은 특정한 방식으로 구축된 LMU들을 채용하는 시스템들에 한정되지 않으며, 특정한 형태의 수신기들, 컴퓨터들, 신호 처리 장치들 등을 채용하는 시스템들에 한정되지 않는다. 이러한 LMU들, SMLC 등등은 기본적으로 프로그램가능한 데이터의 집합 및 처리 장치들로서, 본 명세서에 개시된 특허성 있는 개념들로부터 벗어나지 않고도 다양한 형태를 취할 수 있다. 빠르게 하락하는 디지털 신호 처리 기능 내지 기타 기능들의 비용을 고려하면, 예를 들어 어떤 특정 기능에 대한 처리 역할을 본 명세서에 설명한 여러 기능 요소들 중 하나(예를 들어 SMLC)로부터 다른 기능 요소(예를 들어 LMU)로 이전시키는 것은, 상기 시스템의 특허성 있는 동작을 변경시키지 않으면서도 용이하게 실현될 수 있다. 많은 경우에 있어서, 본 명세서에서 설명된 구현(상기 기능 요소)의 장소는 단순히 설계자의 선호에 달린 것으로, 경직된 요구 조건이 아니다. 그럼에 따라, 이러한 점들이 명백하게 제한되는 경우를 제외하고, 보호 범위는 상술한 특정 실시예들에 대해 제한되도록 의도된 것이 아니다.
또한, 본 명세서에서 제어 채널 또는 음성 채널들에 대한 여하한 언급은, 특정한 공중 인터페이스에 대해서 바람직한 용어가 어떤 것이든 간에, 모든 형태의 제어 채널 또는 음성 채널을 가리킨다. 더 나아가, 전 세계에 걸쳐 수많은 방식의 공중 인터페이스들(예를 들어, IS-95 CDMA, CDMA 2000 및 UMTS WCDMA)이 있으며, 반대되는 내용이 명시되지 않는 한, 본 명세서 내에 설명된 특허성 있는 개념으로부터 어떠한 공중 인터페이스도 배제하려는 의도가 없다. 실제로, 당해 기술 분야의 숙련된 자들은 여타 지역에서 이용되는 다른 인터페이스들이 위에서 개설한 공 중 인터페이스들의 파생형이거나 또는 같은 급(class)의 유사한 인터페이스임을 인지할 것이다.

Claims (35)

  1. 이동형(mobile) 위치 측정 유닛(location measuring unit, LMU) 및 전지구 위치 시스템(Global Positioning System, GPS) 모듈을 지원하는 이동형 플랫폼(mobile platform)을 포함하며,
    상기 GPS 모듈은 시간 및 주파수 기준뿐 아니라, 상기 이동형 LMU의 위치 및 속도를 나타내는 데이터를 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템(wireless locations system, WLS).
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 이동형 플랫폼은 항공기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 이동형 플랫폼은 지상 기반의 차량을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 이동형 LMU는 무선 장치로부터 전송되는 무선 주파수(radio frequency, RF) 송신 신호들을 수신하도록 구성된 수신기와, 수신된 송신 신호들의 데이터 샘플들을 저장하는 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 수신된 송신 신호를 의미하는 저장된 데이터를 상기 수신된 송신 신호의 복제본과 상관 연산(correlation)하기 위한 프로세서(processor)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 송수신 기지국(base transceiver station)으로부터 다운링크 신호(downlink signal)를 수신하고, 상기 다운링크 신호로부터의 상기 복제본을 생성하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서, 네트워크 제어 장치(network controller)로부터 다운링크 신호를 수신하고, 상기 다운링크 신호로부터의 상기 복제본을 생성하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 사전에 알려진 위치에 있는 적어도 하나의 정지 LMU를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 정지 LMU 및 상기 이동형 LMU는 서로 간에 시간 및 주파수 동기화되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 적어도 하나의 정지 LMU는 셀 사이트 장비(cell site equipment)에 병설되어(collocated) 있어, 안테나, 작동 환경 제어 밀폐 공간, 전력 및 백홀 통신 자원들(backhaul communication resources)을 포함하는 자원들을 공유할 수 있는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 이동형 LMU 및 상기 정지 LMU는, 도달 시간 차(time-difference-of-arrival, TDOA) 처리 및 도달 주파수 차(frequency-difference-of-arrival, FDOA) 처리를 통해 그 위치 및 속도를 결정할 수 있게, 무선 장치들로부터 소정의 시간에 걸쳐 무선 주파수(RF) 송신을 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서, TDOA 및 FDOA 처리를 통해 상기 무선 장치들의 위치 및 속도를 결정하는 경우에, 상기 시스템은, 복수의 LMU들이 소정의 시간에 걸쳐 상기 무선 장치로부터 신호를 수신하도록, 그리고 상기 신호가 수신되고 있는 상기 시간 동안, 각 LMU의 위치 및 속도가 알려지게 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 이동형 플랫폼은 기지국(base station)으로부터 오는 다운링크 송신 신호들과, 이동국(mobile station)으로부터 업링크 송신 신호들, 그리고 GPS 신호들을 수신하도록 구성된 안테나 및 수신기들 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 이동형 플랫폼은 지상국(ground station)으로부터 커맨드(command) 및 제어 신호들을 수신하고 상기 이동형 LMU에 대해 상기 커맨드 및 제어 신호들을 제공하도록 구성된 무선 통신 링크(wireless communication link)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서, 적어도 하나의 이동형 플랫폼이, 위치 확인을 하고자 하는 무선 장치가 배치되어 있는 지리적 영역의 영상(imagery)을 제공하도록 구성되는 촬상 장치(imaging device)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 WLS에 의해 제공되는 상기 무선 장치의 위치와 상기 영상을 연계시킬 수 있는 수단을 더 포함하며, 그럼으로써 상기 무선 장치의 위치에 대한 추가적인 정보가 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 촬상 장치는 적외선 촬상을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 이동형 플랫폼은 항공기를 포함하고; 상기 이동형 LMU는 무선 장치로부터 전송되는 무선 주파수(RF) 송신 신호들을 수신하도록 구성된 수신기와, 수신된 송신 신호들의 데이터 샘플들을 저장하는 메모리를 포함하며; 수신된 송신 신호를 의미하는 저장된 데이터를 상기 수신된 송신 신호의 복제본과 상관 연산시키기 위한 프로세서를 더 포함하고; 송수신 기지국으로부터 다운링크 신호를 수신하고, 상기 다운링크 신호로부터의 상기 복제본을 생성하기 위한 수단을 더 포함하며; 사전에 알려진 위치에 있는 적어도 하나의 정지 LMU를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 정지 LMU 및 상기 이동형 LMU는 서로 간에 시간 및 주파수 동기화되도록 구성되고; 상기 적어도 하나의 정지 LMU는 셀 사이트 장비에 병설되어(collocated) 있어, 안테나, 작동 환경 제어 밀폐 공간, 전력 및 백홀 통신 자원들을 포함하는 자원들을 공유할 수 있으며; 상기 이동형 LMU 및 상기 정지 LMU는, 도달 시간 차(TDOA) 처리 및 도달 주파수 차(FDOA) 처리를 통해 그 위치 및 속도를 결정할 수 있게, 무선 장치들로부터 소정의 시간에 걸쳐 무선 주파수(RF) 송신을 수신하도록 구성되고; TDOA 및 FDOA 처리를 통해 상기 무선 장치들의 위치 및 속도를 결정하는 경우에, 상기 시스템은, 복수의 LMU들이 소정의 시간에 걸쳐 상기 무선 장치로부터 신호를 수신하도록, 그리고 상기 신호가 수신되고 있는 상기 시간 동안, 각 LMU의 위치 및 속도가 알려지게 되도록 구성되며; 상기 이동형 플랫폼은 기지국으로부터 오는 다운링크 송신 신호들과, 이동국으로부터 업링크 송신 신호들, 그리고 GPS 신호들을 수신하도록 구성된 안테나 및 수신기들 더 포함하고; 상기 이동형 플랫폼은 지상국으로부터 커맨드 및 제어 신호들을 수신하고 상기 이동형 LMU에 대해 상기 커맨드 및 제어 신호들을 제공하도록 구성된 무선 통신 링크를 더 포함하며; 적어도 하나의 이동형 플랫폼이, 위치 확인을 하고자 하는 무선 장치가 배치되어 있는 지리적 영역의 영상(imagery)을 제공하도록 구성되는 촬상 장치(imaging device)를 포함하고; 그리고 상기 WLS에 의해 제공되는 상기 무선 장치의 위치와 상기 영상을 연계시킬 수 있는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 위치 확인 시스템.
  18. 무선 위치 확인 시스템(WLS)에 의해 커버되는 지역 내에서 작동하는 이동국(mobile station, MS)의 위치를 확인하는 방법에 있어서,
    상기 MS로부터 오는 송신 신호를 적어도 세 군데의 지리적으로 이격된 신호 수집 사이트들(signal collection sites)에서 수신하는 단계; 및
    도달 시간 차(time difference of arrival, TDOA)를 이용하여, 상기 MS의 위치를 추정할 수 있도록 상기 수신된 송신 신호를 처리하는 단계를 포함하며,
    상기 신호 수집 사이트들 중 적어도 하나는 이동형 플랫폼(mobile platform)에 실린 이동형(mobile) 위치 측정 유닛(location measuring unit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 MS의 추정된 위치와 비교를 할 수 있도록, 상기 MS의 위치 주변 지역의 화상들을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 방법.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 화상들은 녹화되고 저장되는 것을 특징으로 하는 위치 확인 방법.
  21. 청구항 18에 있어서, 상기 이동형 플랫폼에 장착된 GPS 모듈을 이용하여 시 간 및 주파수 기준 신호뿐 아니라, 상기 이동형 LMU의 3차원 위치 및 속도를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 방법.
  22. 청구항 21에 있어서, 도달 시간 차(TDOA)를 이용하여 상기 MS의 위치를 추정할 때에, 상기 이동형 LMU의 3차원 위치 및 속도만큼 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 방법.
  23. 청구항 18에 있어서, 상기 이동형 LMU에 의해 수신되는 대로 상기 MS의 송신 신호를 디지털화하고 저장하며, 이어서 상기 MS의 송신 신호의 복제본과 상기 저장된 송신 신호를 상관 연산(correlating)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 방법.
  24. 청구항 23에 있어서, 송수신 기지국으로부터 오는 다운링크 송신 신호로부터 상기 복제본을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 방법.
  25. 청구항 23에 있어서, 네트워크 제어 장치로부터 오는 다운링크 송신 신호로부터 상기 복제본을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 확인 방법.
  26. 무선 위치 확인 시스템(WLS) 내에서 이용되는 이동형 시스템에 있어서,
    이동형 플랫폼에 실린 위치 측정 유닛(LMU); 및 상기 이동 플랫폼에 실려 있으며 또한 상기 이동 LMU에 연결되어 동작하는 GPS 모듈을 포함하며,
    상기 GPS 모듈은 상기 이동형 LMU의 3차원 위치 및 속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 이동형 시스템.
  27. 청구항 26에 있어서, 상기 이동형 플랫폼은 항공기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 시스템.
  28. 청구항 26에 있어서, 상기 이동형 LMU는 무선 장치들로부터 전송되는 무선 주파수(radio frequency, RF) 송신 신호들을 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이동형 시스템.
  29. 청구항 28에 있어서, 상기 이동형 플랫폼은 송수신 기지국(base transeiver station)으로부터 오는 다운링크 송신 신호들과, 이동국(mobile station)으로부터 업링크 송신 신호들, 그리고 GPS 신호들을 수신하도록 구성된 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 시스템.
  30. 청구항 29에 있어서, 상기 이동형 플랫폼은 상기 이동형 LMU에 대해 커맨드 및 제어 신호들을 제공하도록 구성된 무선 통신 링크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 시스템.
  31. 청구항 26에 있어서, 상기 이동형 플랫폼은 촬상 장치(imaging device)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 시스템.
  32. 청구항 31에 있어서, 상기 무선 장치의 위치와 상기 촬상 장치에 의해 획득된 영상을 연계시킬 수 있는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 시스템.
  33. 청구항 31에 있어서, 상기 촬상 장치는 적외선 영상을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이동형 시스템.
  34. 청구항 26에 있어서, 상기 이동형 LMU는 무선 장치로부터 전송되는 무선 주파수(RF) 송신 신호들을 수신하도록 구성된 수신기와, 수신된 송신 신호들의 데이터 샘플들을 저장하는 메모리를 포함하며, 상기 시스템은 수신된 송신 신호를 의미하는 저장된 데이터를 상기 수신된 송신 신호의 복제본과 상관 연산(correlating)하기 위한 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 시스템.
  35. 청구항 34에 있어서, 다운링크 신호를 수신하고 상기 다운링크 신호로부터 상기 복제본을 생성하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 시스템.
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