KR20090008465A - Ｗｌａｎ 위치 확인 시스템에서 ｗｌａｎ 액세스 포인트 무선 전파 특성을 이용한 위치 추정 방법 - Google Patents

Ｗｌａｎ 위치 확인 시스템에서 ｗｌａｎ 액세스 포인트 무선 전파 특성을 이용한 위치 추정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 WLAN 위치 기반 서비스에서 WLAN 액세스 포인트 무선 전파 특성을 이용하여 위치를 추정하는 방법을 제공한다. 위치 기반 서비스 시스템은 목표 영역에 복수의 Wi-Fi 액세스 포인트들을 갖는다. Wi-Fi 액세스 포인트는 복수의 지리적 위치에 배되고 신호 커버리지 영역을 갖는다. Wi-Fi 액세스 포인트들 중 적어도 하나를 특징화하는 방법은, Wi-Fi 액세스 포인트의 지리적 위치를 결정하는 단계, Wi-Fi 액세스 포인트의 신호 커버리지 영역을 적어도 하나의 섹션으로 나누는 단계, 각각의 섹션에 대한 무선 전파 특성을 결정하는 단계를 포함한다. 각각의 섹션에 대한 무선 전파 특성은 Wi-Fi 액세스 포인트의 무선 채널을 특징화하고, 그 특징화는 위치 알고리즘에서 사용될 수 있다.

Description

ＷＬＡＮ 위치 확인 시스템에서 ＷＬＡＮ 액세스 포인트 무선 전파 특성을 이용한 위치 추정 방법{ESTIMATION OF POSITION USING WLAN ACCESS POINT RADIO PROPAGATION CHARACTERISTICS IN A WLAN POSITIONING SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 위치 확인 시스템(positioning system)에 관한 것이고, 특히 WLAN 위치 확인 시스템에서 WLAN 액세스 포인트 무선 전파 특성을 이용하여 사용자의 이동 속성(예컨대, 위치, 속도 및 방향)을 추정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
위치 결정은 내비게이션 시스템 및 임의의 위치 기반 서비스(LBS, Location Based Service)의 주요 구성성분이다. 최근 WLAN 액세스 포인트의 급증에 따라 도처에 WLAN 전파(radio wave)의 블랭킷(blanket)이 생성되었다. 그러므로, 거의 모든 장소에서, 특히 도시지역에서 WLAN 전파의 검출 가능성이 매우 높다. WLAN의 급속 성장, 및 거의 모든 지역에서 WLAN 전파가 발견될 수 있다는 사실은 옥내 및 옥외 영역용 대도시 위치 확인 시스템을 위하여 WLAN 전파를 이용하는 아이디어를 창시하였다. 대도시 WLAN 위치 확인 시스템에서, WLAN 액세스 포인트의 위치는 기준점으로서 사용되고, WLAN 액세스 포인트의 수신 신호 세기(RSS, Received Signal Strength)는 임의의 시간에 사용자가 검출한 WLAN 액세스 포인트로부터 최종 사용 자까지의 거리의 표시자로서 사용된다. WLAN 액세스 포인트로부터 최종 사용자까지의 거리를 알면, 최종 사용자의 위치가 결정될 수 있다. 수신기의 수신 신호 세기를 거리로 변환하는 것은 특정 무선 채널 모델을 상정하는 것에 의존한다. 이상적으로, 무선 채널 모델을 정확히 알고 있다면, 최종 사용자로부터 WLAN 액세스 포인트까지의 정확한 거리를 알 수 있다.
연구소들이 연합하여 옥외용 및 옥내용 WLAN 기반 위치 확인 시스템이 조사되었지만, 그 시스템들 중 어느 시스템도 속도 및 방위(bearing) 추정을 포함하고 있지 않았다. 이 분야에서 가장 중요한 연구 노력의 성과는, PlaceLab(www.placelab.com, 마이크로소프트와 인텔이 후원하는 프로젝트), University of California San Diego ActiveCampus의 프로젝트(ActiveCampus-모바일 기술을 통한 교육 커뮤니티 유지, 기술 보고서 #CS2002-0714), 및 MIT 캠퍼스 광범위 위치 시스템에 의해 수행된 것이고, 그것은 Dartmouth college에서 몇몇 소형 프로젝트(예를 들면, M. Kim, J.J. Fielding, 및 D. Kotz의 "Risks of using AP locations discovered through war driving")를 통해 평가되었다.
옥내 위치 확인을 목표로 하는 Wi-Fi 위치 시스템에 대한 많은 상업적 제공이 있어왔다(예를 들면, May 2005, Pervasive 2005, Location and Context-Awareness(LoCA 2005)에 대한 국제 워크샵의 회보의 Kavitha Muthukrishnan, Maria Lijding, Paul Havinga의 Towards Smart Surroundings:Enabling Techniques and Technologies for Localization 및 Hazas, M., Scott, J., Krumm, J.의 Location-Aware Computing Comes of Age. IEEE Computer, 37(2):95-97, Feb 2004 005, Pa005, 350-362 페이지 참조). 이러한 시스템들은 통합 캠퍼스, 병원 시설, 또는 시핑 야드(shipping yard)와 같이 통제된 환경 내에서 자산 및 사람의 추적을 행하도록 설계된다. 고전적인 예는, 심장 마비가 발생하였을 때 병원 직원이 필요한 장치를 찾는 데에 시간을 허비하지 않도록, 병원 내에서 크래시 카트의 정확한 위치를 모니터할 수 있는 시스템을 갖추는 것이다. 이러한 사용예의 정확도 요구조건은 통상 1-3 미터 정확도를 요하는 매우 어려운 요구이다.
이러한 시스템들은 그들의 정확도를 미세 조정하기 위하여 캠퍼스의 매 평방 피트의 상세한 사이트 조사를 시행하여 무선 신호 전파를 측정하는 것을 포함하는 다양한 기술을 이용한다. 이 시스템들은 또한 액세스 포인트 및 클라이언트 라디오가 A-GPS가 동작하는 방법과 유사하게 동기화 정보를 교환할 수 있도록 일관된 네트워크 접속을 요구한다. 이러한 시스템들은 옥내 사용의 경우에 더욱 확실할 수 있지만, 임의의 광역 배치에는 비효과적이다. 도시 전체에 요구되는 각종 상세한 사이트 조사를 수행하는 것은 불가능하며, 이러한 시스템들이 요구하는 정도로 대도시 지역 전체에 걸쳐 802.11 액세스 포인트를 가진 일관된 통신 채널에 의존하는 방법이 없다. 대부분의 중요한 옥외 무선 전파는, 옥내 무선 전파와 근본적으로 다르며, 광역 시나리오에서 옥내 위치 확인 알고리즘을 거의 쓸모없게 한다. 옥내 WLAN 기반 위치 확인 시스템에 요구되는 정확도는 무선 채널 모델링의 사용을 어렵게 하고, 그 분야에서의 연구 주제로서 고려된다. 또한, 지금까지 액세스 포인트들 사이에서 구별되는 WLAN 기반 위치 확인 시스템은 없으며, 현재의 방법들은 모든 WLAN 액세스 포인트를 동일한 것으로 취급한다.
본 발명은 WLAN 위치 기반 서비스에서 WLAN(예를 들면, Wi-Fi) 액세스 포인트 무선 전파 특성을 이용하여 위치를 추정하는 방법 및 시스템을 제공한다.
무선 채널 모델에 기반하여 WLAN 액세스 포인트를 분류하는 본 발명의 태양들은 임의의 채널 모델을 사용할 수 있고, 본 발명은 임의의 특정 채널 모델에 의존하지 않는다.
본 발명의 일 태양에 있어서, 위치 기반 서비스 시스템은 목표 영역에 복수의 Wi-Fi 액세스 포인트들을 갖는다. Wi-Fi 액세스 포인트들은 지리적 위치들에 배치되고 신호 커버리지 영역을 갖는다. Wi-Fi 액세스 포인트들 중 적어도 하나를 특징화하는 방법은 Wi-Fi 액세스 포인트의 지리적 위치를 결정하는 단계, Wi-Fi 액세스 포인트의 신호 커버리지 영역을 적어도 하나의 섹션으로 나누는 단계, 및 각각의 섹션에 대한 무선 전파 특성을 결정하는 단계를 포함한다. 각각의 섹션의 무선 전파 특성은 Wi-Fi 액세스 포인트의 무선 채널을 특징화하고, 이 특징화는 위치 알고리즘에서 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 있어서, 신호 커버리지 영역은 하나의 섹션으로서 특징화된다.
본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 신호 커버리지 영역은 하나 이상의 섹션으로 나누어진다. 특정 실시예에서, Wi-Fi 액세스 포인트로부터 바깥쪽으로 나오는 반경이 섹션들을 형성한다. 추가 실시예에서, 섹션들은 Wi-Fi 액세스 포인트로부터의 거리에 기초하여 형성된다. 다른 추가 실시예에서, 섹션들은 Wi-Fi 액세스 포인트로부터의 반경 및 거리 양자 모두에 기초하여 형성된다.
본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 신호 커버리지 영역 내의 복수의 수신 신호 전력 값이 측정된다. 각각의 수신 신호 전력 값은 Wi-Fi 액세스 포인트에 관해 연관된 위치에서 측정된다. 섹션들은 복수의 수신 신호 전력 값 및 연관 위치에 기초하여 결정된다.
본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 무선 전파 특성은 신호 전력-거리 기울기(gradient)를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 각각 Wi-Fi 액세스 포인트에 대해 연관된 위치에서 측정되는 복수의 수신 신호 전력 값을 신호 커버리지 영역 내에서 측정하고, 복수의 수신 신호 전력 값 및 연관 위치에 대한 선형 회귀(linear regression)를 수행하며, 선형 회귀에 의해 결정된 슬로프(slope)를 이용하여 신호 전력-거리 기울기를 계산함으로써, 각각의 섹션에 대한 신호 전력-거리 기울기가 결정된다.
본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 각각의 섹션에 대한 신호 전력-거리 기울기는 신호 커버리지 영역 내에서 복수의 수신 신호 전력 값을 측정함으로써 결정되는데, 각각의 수신 신호 전력 값은 Wi-Fi 액세스 포인트에 관해 연관된 위치에서 측정된다. 각각의 신호 전력 값에 대응하는 거리가 계산되는데, 이 거리는 신호 전력 값의 연관 위치로부터 Wi-Fi 액세스 포인트의 지리적 위치까지를 측정함으로써 계산된다. 신호 커버리지의 평균 반경은 거리의 표준 편차를 이용하여 추정되고, 신호 커버리지의 평균 반경은 신호 전력-거리 기울기를 계산하는데 사용된다.
본 발명의 또 다른 태양에 있어서, Wi-Fi 실시가능 (enabled) 장치의 위치는 Wi-Fi 실시가능 장치의 범위 내의 Wi-Fi 액세스 포인트와 통신하여 Wi-Fi 액세스 포인트가 신호를 전송하게 하는 Wi-Fi 실시가능 장치에 의해 추정된다. Wi-Fi 실시가능 장치는 Wi-Fi 액세스 포인트에 의해 전송된 신호를 수신하고, Wi-Fi 액세스 포인트를 식별한다. Wi-Fi 액세스 포인트의 계산된 위치 및 추정된 무선 전파 특성은 Wi-Fi 액세스 포인트 식별자를 이용하여 참조 데이터베이스로부터 검색된다. 상기 계산된 위치 및 추정된 무선 전파 특성은 WI-Fi 실시가능 장치의 위치를 추정하는데 사용된다.
도 1은 WI-Fi 위치 확인 시스템의 특정 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 특정 실시예에 따라 예시적 액세스 포인트 커버리지 영역을 정의하는, RSS 샘플들에 맞춰진 선을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 특정 실시예에 따라 액세스 포인트의 커버리지 영역을 복수의 섹터들로 나눈 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 특정 실시예에 따라 복수의 전력-거리 기울기에 의해 특징화된 액세스 포인트의 커버리지 영역을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 특정 실시예에 따라 복수의 섹터들 및 타이어들로 나누어진 액세스 포인트의 커버리지 영역을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 특정 실시예에 따라 커버리지 영역의 반경을 식별하는 이차원 표면의 RSS 샘플 통계를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예들은 WLAN 기반 위치 확인 시스템에서 WLAN 액세스 포인트들의 무선 전파 특성에 기초하여 WLAN 액세스 포인트들을 분류하고, 위치, 속도, 및 방위(bearing) 추정의 정확도를 증가시키는 방법을 제공한다. 특정 실시예에 있어서, WLAN 액세스 포인트의 무선 전파 특성은 WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역의 RSS 샘플에 기초하여 추정된다. 예를 들면, 무선 전파 특성은 WLAN 액세스 포인트들 중 적어도 하나에 대한 하나 이상의 신호 전력-거리 기울기를 구함으로써 특징화될 수 있다.
공간과 시간의 차원에서 수신 신호 강도(RSS, Received Signal Strength) 변화에 영향을 주는 상이한 물리적 현상이 존재한다. RSS 변화는 고속 페이딩 또는 저속 페이딩으로서 카테고리화된다. 여기에서 개시되는 기술들은 RSS의 저속 페이딩 특성을 추정하는 것에 촛점이 맞춰지며, 또한 추정 품질을 평가하고 추정을 정량화한다.
본 발명의 실시예들은, 미국 특허 출원 제11/261,848호, 발명의 명칭 Location Beacon Database, 미국 특허 출원 제11/261,898호, 발명의 명칭 Server for Updating Location Beacon Database, 미국 특허 출원 제11/261,987호, 발명의 명칭 Method and System for Building a Location Beacon Database, 및 미국 특허 출원 제11/261,988호, 발명의 명칭 Location-Based Services that Choose Location Algorithms Based on Number of Detected Access Points Within Range of User Device(상기 특허 출원들은 모두 2005년 10월 28일에 출원됨)를 포함하는 선출원들에 개시된 기술, 시스템, 및 방법에 대하여 구축되었으며, 상기 특허 출원들의 내 용들은 참조에 의해 그 전체가 본 명세서에서 통합되지만, 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 출원들은, 위치 기반 서비스를 이용하는 Wi-Fi 실시가능 장치의 지리적 위치를 판정하기 위하여, Wi-Fi 액세스 포인트에 대한 고품질 위치 데이터가 위치 기반 서비스에서 사용되도록, Wi-Fi 액세스 포인트에 대한 고품질 위치 데이터를 수집하는 특정 방법, 및 상기 위치 데이터를 이용하여 시스템 사용자의 위치를 추정하는 기술에 대하여 제시하고 있다. 그러나, 본 발명의 기술은 통합된 특허 출원들에 개시된 시스템 및 방법에 한정되지 않는다. 따라서, 이와 같은 시스템 및 출원들을 참조하는 것이 도움이 될 수는 있지만, 본 발명 또는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필수적이라고 생각하지 않는다.
도 2는 WLAN 기반 위치 확인 시스템에서 WLAN 액세스 포인트에 대한 신호 전력-거리 기울기를 추정함으로써, WLAN 액세스 포인트의 무선 전파 특성을 특징화하는 본 발명의 실시예들의 예를 도시한 것이다. WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역을 이용하여 신호 전력-거리 기울기를 구할 수 있다. 최소 RSS(204)는 스캐너의 감도에 의해 제한된다. 반면, 최대 RSS(203)는 최대 전송 전력이 Wi-Fi 표준의 일부로서 정의되기 때문에, 모든 WLAN 액세스 포인트에 대하여 동일하다고 상정할 수 있다. 그러므로, WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역은 전적으로 WLAN 액세스 포인트의 신호 전력-거리 기울기의 함수이다.
도 2는 RSS 전력(단위: dB)(205) 대 액세스 포인트로부터 RSS 샘플까지의 거리(단위: dB)(206)의 관계를 작성한 그래프 상의 점들로서 RSS 샘플(201)들을 표시한다. 신호 전력-거리 기울기(α)는 RSS 샘플 포인트(201)에 선(202)을 맞춤으로써 결정될 수 있는데, 여기서 선의 슬로프는 신호 전력-거리 기울기와 같다. 본 발명의 실시예에 따른 WLAN 기반 위치 확인 시스템은 사용자의 위치를 지속적으로 추정하기 위하여 공공 및 사설 WLAN 액세스 포인트의 전파를 사용하기 때문에, 본 발명의 태양들은 표준값이 아닌 각각의 WLAN 액세스 포인트의 개별적인 무선 전파 특성을 이용함으로써 위치 추정의 정확도를 증가시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역은 섹터들로 나누어지고, 각각의 섹터에 대한 무선 전파 특성 결정되는데, 예컨대 각각의 섹터에 대한 신호 전력-거리 기울기가 구해진다. 예를 들면, 대도시 지역에서, 액세스 포인트의 무선 전파 특성은 그 액세스 포인트의 커버리지 영역 전반에서 대칭적이지 않다, 즉 특성은 상이한 방향으로 변한다. 본 발명의 실시예에 있어서, WLAN 액세스 포인트의 커버리지가 모든 방향에서 대칭이 아닐 때, WLAN 액세스 포인트의 360도 커버리지 영역은 복수의 섹터들로 나누어진다. 섹터들은 WLAN 액세스 포인트의 추정 위치로부터 나오는 반경에 따라 나누어질 수 있다.
간단히 하기 위해, 섹터들은 동일 축, 예를 들면 북쪽 방향으로부터 참조될 수 있다. WLAN 액세스 포인트의 무선 전파 특성이 각각의 방향에서 발견될 필요가 있기 때문에, 각각의 섹터에서 충분한 RSS 샘플들을 가져야 할 필요가 있다. RSS 전력 샘플의 수 및 그 샘플들의 분포에 대한 통계에 기초해서 섹터들의 수를 결정할 수 있다. 섹터의 수를 증가시키면, 더 작은 섹터에서 평균화가 행해지기 때문에 무선 전파 특성의 분해능(resolution)이 증가한다. 그러나, 이것은 각각의 섹터에서 무선 전파 특성, 예를 들면 전력-거리 기울기를 정확히 추정하기에 충분한 RSS 샘플을 가져야 한다는 조건이 있다.
도 3은 4개의 섹터(301)들로 나누어진 커버리지 영역을 가진 WLAN 액세스 포인트(302)의 예를 도시한 것이다. 섹터의 수는 WLAN 액세스 포인트마다 상이하고, WLAN 액세스 포인트 커버리지 영역의 RSS 샘플의 수 및 RSS 샘플 분포에 기초하여 각각의 WLAN 액세스 포인트마다 별도로 선택된다. 예를 들어, 대도시의 WLAN 기반 위치 확인 시스템에서, 주어진 WLAN 액세스 포인트에 대한 RSS 샘플들이 불균일하다면, 비교적 적은 수의 섹터들이 그 WLAN 액세스 포인트에 대하여 이용될 것이다. WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역으로부터의 RSS 샘플들이 상이한 방향으로 상이한 신호 전력-거리 기울기와 같은 상이한 무선 전파 특성을 나타낸다면, 그 WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역은 복수의 섹터들로 나누어진다.
예를 들어, WLAN 액세스 포인트가 한 측면에서 개방된 영역에 직면하고 다른 측면에서 거주 지역에 직면하고 있다면, 커버리지 영역은 2개의 섹터로 나누어질 수 있고, 대응하는 무선 전파 특성은 각각의 섹터에 대해 결정될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 대도시 위치 확인 시스템의 일반적인 경우에, 더 많은 수의 섹터들에 대한 섹터 간 구분이 제한된 값일 수 있기 때문에, 유용한 최대 섹터의 수는 4 내지 6의 범위 내에 있다. 최소 섹터의 수는 1만큼 작을 수 있고, 이는 예를 들어 전체 커버리지 영역에 대하여 하나의 신호 전력-거리 기울기가 사용된다는 것을 의미한다.
섹터의 수를 선택한 후에, 각각의 섹터에 대한 무선 전파 특성이 계산될 필요가 있다. 하나의 섹터의 RSS 샘플의 수가 그 섹터의 무선 전파 특성을 추정하기 에 충분하지 않다면, 인접한 섹터들의 특성의 평균이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, WLAN 액세스 포인트의 무선 전파 특성은 구분적(piecewise) 선형 추정에 의해 제시될 수 있다. 이것은 WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역을 복수의 타이어(tier)로 나누고, 각각의 타이어에 대한 무선 전파 특성을 구함으로써 달성될 수 있다. 이 방법은, 예컨대 WLAN 액세스 포인트 커버리지 영역이 옥내 및 옥외 환경으로 구성될 때 RSS 전력 대 거리 변환의 정확도를 증가시키는데 이용될 수 있다. 따라서, 이 접근 방법은 각각의 타이어에 대한 신호 전력-거리 기울기를 추정함으로써 옥내 및 옥외 무선 전파 특성을 다르게 포착하는데 사용될 수 있다.
도 4는 RSS 샘플이 2개의 신호 전력-거리 기울기 값으로 명확하게 표시될 수 있는 경우의 WLAN 액세스 포인트에 대한 RSS 샘플의 예를 보인 도면인데, 상기 2개의 신호-전력 기울기 값 중 하나는 액세스 포인트 부근에서 사용하기 위한 것이고, 다른 하나는 더 먼 거리에서 사용하기 위한 것이다. 도 4는 RSS 전력(405) 대 WLAN 액세스 포인트로부터의 거리(406)의 관계로서 작성된 RSS 샘플들을 표시한다. 최소 스캐너 감도(404) 및 최대 RSS 값(403)이 또한 도시되어 있다. WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역은 필요한 경우에 복수의 타이어로 나누어진다. 예를 들면, WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역의 일부는 옥내용이고 일부는 옥외용이라고 알려져 있다. 대안적으로, 복수의 타이어 접근 방법을 이용하여 WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역을 특징화해야 한다는 필요성은 RSS 샘플을 관측함으로써 검출될 수 있다. 제1 RSS 샘플 클러스터(401)와 제2 RSS 샘플 클러스터(402)의 상이한 슬로프로 표시한 바와 같이, RSS 샘플의 평균적 전력 값의 감소에 있어서의 급격한 변화는 환경 변화를 나타낸다. 유용한 타이어의 수는 2로 밝혀졌다.
도 5는 커버리지 영역을 섹터와 타이어의 조합으로 나누는 실시예를 도시한 것이다. 이 경우, WLAN 액세스 포인트(501)의 커버리지 영역은 복수의 섹터(502)로 나누어지고, 각각의 섹터는 복수의 타이어(503)로 더 나누어져, 복수의 섹션(504)들을 형성할 수 있다. 섹터 및 타이어의 수와 그 대응하는 무선 전파 특성은, 참조 데이터베이스(104)에 저장될 때 각각의 WLAN 액세스 포인트 속성의 일부로서 고려되며, 이 속성들은 최종 사용자에 의해 검색되어 사용자 위치를 추정하는데 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, WLAN 액세스 포인트의 무선 전파 특성은 각각의 섹터에 대한 신호 전력-거리 기울기를 이용하여 추정될 수 있고, 이것은 지정된 영역 내의 RSS 샘플에 기초하여 구해진다. 신호 전력-거리 기울기를 구하는 하나의 가능한 접근 방법은, 도 2와 관련하여 전술한 것과 같이 거리(단위: dB)의 함수로서 전력(단위: dB)으로 RSS 샘플들에 선을 맞추는 것이다. 대도시 옥내 및 옥외 WLAN 위치 확인 시스템에서의 전력 변화 때문에, 이 방법은 전형적인 대도시 환경에서 전형적인 갯수의 RSS 샘플들에 대해 낮은 정확도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 태양에 있어서, 신호 전력-거리 기울기를 구하기 위한 새로운 방법이 개시되는데, 여기에서 WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역의 평균 반경이 계산되어, 신호 전력-거리 기울기를 추정하는데 사용된다. 커버리지 영역의 평균 반경은 신호 전력-거리 기울기가 RSS 전력 대 WLAN 액세스 포인트로부터의 거리의 비율이기 때문에 신호 전력-거리 기울기의 표시자로서 사용될 수 있다. 다시 도 2를 참조하면, 최소 RSS(204) 및 최대 RSS(203)에 대응하는 점들을 고려한 경우, 최소 전력 지점과 최대 전력 지점 간의 전력차는, 최소 전력이 스캐너의 감도에 의해 한정되고, 최대 전력이 최대 액세스 포인트 전송 전력이기 때문에 모든 액세스 포인트에 대해서 동일하다. RSS 샘플을 수집하는 스캐너의 감도는 계통적 스캐닝 시나리오에서 거의 동일하고, 최대 전송 전력은 WLAN 액세스 포인트에 대해, 예컨대 FCC에 의해 제한되며 모든 액세스 포인트에 대하여 동일하다고 가정할 수 있다. 그러므로, 커버리지 영역의 반경은 전적으로 신호 전력-거리 기울기 값에 의존한다.
달리 말하면, 스캐너 수신기의 감도는 스캐너에 의해 검출가능한 최소 RSS(204)를 제한한다. 그러므로, 신호 전력-거리 기울기 값은 WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역의 반경에 직접적인 영향을 준다. RSS 샘플을 취하는 모든 스캐닝 장치에 대하여 수신기 감도가 동일하기 때문에, WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역의 반경은 도 2에 도시한 바와 같이 신호 전력-거리 기울기 값의 표시자로서 사용될 수 있다.
WLAN 액세스 포인트의 커버리지 영역의 반경을 구하고, RSS 전력 판독값 및 후속하여 커버리지에 대한 고속 페이딩의 영향을 피하기 위해, 커버리지 영역의 절대 반경 대신에 커버리지 영역의 반경의 표준 편차가 이용된다. 달리 말하면, 커버리지 영역의 반경의 절대 값은 커버리지 영역의 엣지에서의 제한된 수 판독 값에 의존하지만, 표준 편차는 총 RSS 샘플 수에 기초하여 계산되고, 커버리지 영역의 엣지에서의 전력 변화의 영향을 감소시키며, 동시에 커버리지 영역의 크기를 표시 한다.
도 6은 전력 판독 값의 위도(602)와 경도(603)의 함수로서 액세스 포인트(601)의 커버리지 영역 및 전력 분포(604)를 도시한 것이다. 액세스 포인트(601)의 위치를 참조한 RSS 샘플의 표준 편차는 커버리지 영역의 평균 반경에 직접적으로 상관된다.
커버리지 영역이 복수의 섹션으로 나누어지지 않고 전체 영역은 하나의 영역으로 고려되는 경우, 표준 편차는 액세스 포인트 주변의 모든 RSS 판독 값들에 기초하여 계산된다. 액세스 포인트의 RSS 샘플의 총 수를 N으로 표시하고, RSS 샘플 i의 대응하는 위도 및 경도를 (lati, longi)로 표시하면, 커버리지 영역의 반경의 표준 편차(σ)는 아래와 같이 계산된다.
Figure 112008084300647-PCT00001
여기에서,
Figure 112008084300647-PCT00002
이다.
변수 dxi와 dyi는 카테시안 좌표의 X 방향 및 Y 방향의 WLAN 액세스 포인트로 부터 전력 샘플까지의 거리를 나타낸다. 표준 편차 계산은 아래과 같이 간단해질 수 있다.
Figure 112008084300647-PCT00003
여기에서,
Figure 112008084300647-PCT00004
이다.
이 수학식에서, (lat, long)은 WLAN 액세스 포인트의 계산된 위치이다. 커버리지 영역의 평균 반경은 위치에 대한 카테시안 좌표 표시에 기초하여 계산된다. 커버리지 영역의 반경의 계산은 반경을 카테시안 좌표로 변환하지 않고 위도와 경도를 고려함으로써 또한 단순화될 수 있다. 커버리지 영역이 복수의 섹터들로 나누어지면, 표준 편차는 WLAN 액세스 포인트로부터 RSS 샘플까지의 거리에 기초하여 계산되고, 이 거리는 일차원으로 고려될 수 있다. 그러므로, 표준 편차는 아래과 같이 계산된다.
Figure 112008084300647-PCT00005
여기에서 di는 WLAN 액세스 포인트로부터 전력 샘플 i까지의 거리이다.
커버리지 영역의 반경의 표준 편차는 아래의 방정식을 이용하여 신호 전력-거리 기울기로 변환된다.
σ>σmax인 경우, α=αmin
σ<σmin인 경우, α=αmax
그렇지 않은 경우,
Figure 112008084300647-PCT00006
여기서 αmin과 αmax는 신호 전력-거리 기울기의 최소값과 최대값이고, σmin과 σmax는 WLAN 액세스 포인트 커버리지의 최소 임계값 및 최대 임계값이다. αmin 및 αmax의 값은 WLAN 장치가 동작하는 환경에 의존한다. 대도시 WLAN 기반 위치 확인 시스템의 최소 및 최대 신호 전력-거리 기울기의 유용한 값의 일례는 아래와 같다.
αmin =2
αmax =6.
이 경우, α의 최대값은 도시 지역의 전형적인 최대값이다.
표준 편차의 최소값과 최대값은 경험적으로 구해질 수 있는 WLAN 액세스 포인트의 커버리지의 전형적인 최소 반경 및 최대 반경에 기초하여 구해진다. WLAN 액세스 포인트의 커버리지의 유용한 최소 반경과 최대 반경은 각각 60m 및 700m이다. 커버리지가 5-시그마 값으로서 고려되면, 최소 및 최대 시그마 값을 계산할 수 있다.
복수의 타이어 접근 방법의 경우, 각각의 타이어의 경계를 구한 후에, 도 2와 관련하여 전술한 방법을 이용하여 각각의 타이어 내에서 RSS 샘플에 선을 맞춤으로써 각각의 타이어에 대한 신호 전력-거리 기울기가 구해질 수 있다. 각각의 타이어에 대한 최소 및 최대 전력 값이 알려져 있지 않고, 전체 커버리지 영역에 대해서 알려져 있기 때문에, 표준 편차 방법은 사용할 수 없다. 도 4는 복수의 타이어 액세스 포인트의 예를 도시한 것이고, 제1 RSS 샘플 클러스터(401)로부터의 정확한 천이점을 나타내며, 제1 클러스터(401)에 속한 것으로 간주되는 RSS 샘플의 일부가 실제로 제2 클러스터(402)에 속할 수 있기 때문에, 제2 RSS 샘플 클러스터는 알려져 있지 않다. 이 천이점의 추정은 표준 편차 접근 방법을 이용하여 오차를 유도한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 사용자는 각각의 WLAN 액세스 포인트에 대한 신호 전력-거리 기울기를 이용하여, 자신으로부터 범위 내의 각각의 WLAN 액세스 포인트까지의 거리를 구하고, 결과적으로 자신을 위치시킬 수 있다. 거리를 구하기 위하여 신호 전력-거리 기울기가 아래의 수학식에서 사용될 수 있다.
Figure 112008084300647-PCT00007
기호 PRSS는 WLAN 액세스 포인트로부터의 수신 전력(단위: 와트)이고, K는 다른 모든 파라미터들을 집합한 상수이다. d의 값은 K를 1로 상정함으로써 정확도를 희생하지 않고 K로 정규화될 수 있다. K를 1로 상정하는 것은 거리 측정의 크기 조정을 변경하는 것과 동일하고, 이는 모든 액세스 포인트에 대해 동일하게 행해질 수 있기 때문에, K의 정규화는 위치 추정의 정확도에 영향을 주지 않는다.
본 발명의 태양들에 있어서, 액세스 포인트의 위치(lat, long)가 계산될 수 있다. 액세스 포인트의 정확한 위치가 알려져 있지 않다면, RSS 샘플과 그 대응 위치를 이용하여 액세스 포인트의 위치를 추정할 수 있다. 예를 들면, 액세스 포인트의 위치는 아래과 같이 전력 판독 값의 중간 값을 구함으로써 구해질 수 있다.
Figure 112008084300647-PCT00008
여기에서, 전력 샘플의 총 수는 N과 같다.
모든 WLAN 액세스 포인트에 대한 한 세트의 특성을 사용하는 대신, 위치 시스템에서 각각의 WLAN 액세스 포인트의 고유의 무선 전파 특성을 특징화하는 것은, WLAN 기반 위치 확인 시스템에서 위치, 이동 속도 및 이동 방향 추정의 정확도를 증가시킨다. 위치 확인 알고리즘의 일례는 아래에 나타내었고, 이것은 본 발명의 실시예에 따라 추정된 신호 전력-거리 기울기의 이용을 나타낸다. 이 예는 액세스 포인트로부터 사용자까지의 거리에 따라 가중된 삼각측량 알고리즘이다.
사용자가 Pi의 대응 RSS 값, αi의 신호 전력-거리 기울기, lati의 위도, 및 longi의 경도를 가진 N개의 액세스 포인트를 검출한다면, 액세스 포인트까지의 사용자의 거리는 아래와 같이 계산된다.
Figure 112008084300647-PCT00009
사용자의 위도 및 경도(Ulat, Ulong)는 아래와 같이 구해질 수 있다.
Figure 112008084300647-PCT00010
본 발명의 다른 태양에 있어서, 최종 사용자에 의한 RSS 값 판독은 정규화될 수 있고, RSS 전력 판독값은 복수의 타이어 접근 방법의 경우에 무선 전파 특성, 예를 들면 신호 전력-거리 기울기의 정확한 값을 선택하는데 사용될 수 있다. 커버리지 영역의 구분적 선형 추정을 가진 복수의 타이어로 커버리지 영역이 나누어진 경우, 사용자는 어느 타이어에 자신이 위치하고 있는지를 결정할 수 있어야 하고, 무선 전파 특성을 이용해야 한다. 이 경우, 상이한 하드웨어 및 상이한 Wi-Fi 수신기 구현을 통하여 RSS 전력 판독값을 정규화할 필요가 있다. RSS 전력 판독값을 정규화하기 위해, 사용자 장치의 최소 및 최대 전력 감도가 참조 데이터베이스(104)에 데이터를 공급하기 위해 사용된 스캐너의 동적 전력 범위에 맵핑된다.
참조 데이터베이스에 데이터를 공급하기 위해 사용된 스캐너가 표준 동적 전력 범위를 갖지 않다면, 동일한 정규화 방법을 이용하여, 상이한 스캐닝 장치의 개별 동적 범위을 표준 동적 범위로 맵핑할 수 있다. 따라서, 스캐너들 간에 하드웨어가 상이한 경우에 이 방법이 WLAN 위치 확인 시스템에서 사용될 수 있다. 이 경우, 전력에 대한 표준 동적 범위는 전력 판독값에 대한 최소값 및 최대값을 선택함으로써 선택되고, 다른 모든 장치로부터의 모든 판독값은 이 범위로 맵핑된다.
예를 들어서, 표준 최소 전력 값 및 최대 전력 값이 각각 -100 dBm 및 -40 dBm으로 설정되고, 사용자 장치의 최소 범위 및 최대 범위가 -90 dBm과 -60 dBM 사이에 있다면, 사용자의 전력 판독값은 아래와 같이 정규화된다.
Figure 112008084300647-PCT00011
본 발명의 범위는 전술한 실시예로 제한되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 정의되고, 이 청구범위는 전술한 실시예에 대한 임의의 수정 및 개선을 포함한다.

Claims (16)

  1. 목표 영역에서 지리적 위치에 배치되고 신호 커버리지 영역을 가진 복수의 Wi-Fi 액세스 포인트들을 갖는 위치 기반 서비스 시스템에서, 상기 Wi-Fi 액세스 포인트들 중 적어도 하나를 특징화하는 방법에 있어서,
    상기 Wi-Fi 액세스 포인트의 지리적 위치를 결정하는 단계;
    상기 Wi-Fi 액세스 포인트의 신호 커버리지 영역을 적어도 하나의 섹션으로 나누는 단계; 및
    각각의 섹션에 대한 무선 전파 특성을 결정하는 단계
    를 포함하고, 상기 각각의 섹션에 대한 무선 전파 특성은 상기 Wi-Fi 액세스 포인트의 무선 채널을 특징화하고, 상기 특징화는 위치 알고리즘에서 사용될 수 있는 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신호 커버리지 영역은 하나의 섹션인 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 섹션들은 상기 Wi-Fi 액세스 포인트로부터의 적어도 2개의 반경에 따라 나누어지는 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반경의 수는 6 이하인 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징 화 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 섹션들은 상기 Wi-Fi 액세스 포인트로부터의 적어도 하나의 거리에 따라 나누어지는 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 거리의 수는 1인 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 섹션들은 상기 Wi-Fi 액세스 포인트로부터의 적어도 2개의 반경 및 적어도 하나의 거리에 따라 나누어지는 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 신호 커버리지 영역 내에서 복수의 수신 신호 전력 값을 측정하는 단계로서, 각각의 수신 신호 전력 값은 상기 Wi-Fi 액세스 포인트에 대해 연관된 위치에서 측정되는 것인 복수의 수신 신호 전력 값을 측정하는 단계; 및
    상기 복수의 수신 신호 전력 값 및 연관된 위치에 기초하여 상기 섹션들을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 무선 전파 특성은 신호 전력-거리 기울기(gradient)를 포함하는 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 각각의 섹션에 대한 상기 신호 전력-거리 기울기는,
    상기 신호 커버리지 영역 내에서 복수의 수신 신호 전력 값을 측정하는 단계로서, 각각의 수신 신호 전력 값은 상기 Wi-Fi 액세스 포인트에 대해 연관된 위치에서 측정되는 것인 복수의 수신 신호 전력 값을 측정하는 단계;
    상기 복수의 수신 신호 전력 값 및 연관된 위치에 대한 선형 회귀(regression)를 수행하는 단계; 및
    상기 선형 회귀에 의해 결정된 슬로프(slope)를 이용하여, 상기 신호 전력-거리 기울기를 계산하는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 결정되는 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 각각의 섹션에 대한 신호 전력-거리 기울기는,
    상기 신호 커버리지 영역 내에서 복수의 수신 신호 전력 값을 측정하는 단계로서, 각각의 수신 신호 전력 값은 상기 Wi-Fi 액세스 포인트에 대해 연관된 위치에서 측정되는 것인 복수의 수신 신호 전력 값을 측정하는 단계;
    상기 신호 전력 값 각각에 대응하는 거리를 계산하는 단계로서, 상기 거리는 상기 신호 전력 값의 상기 연관된 위치로부터 상기 Wi-Fi 액세스 포인트의 지리적 위치까지로 측정되는 것인 상기 신호 전력 값 각각에 대응하는 거리를 계산하는 단계;
    상기 거리의 표준 편차를 이용하여, 신호 커버리지의 평균 반경을 추정하는 단계; 및
    신호 커버리지의 평균 반경을 이용하여, 상기 신호 전력-거리 기울기를 계산하는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 결정되는 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 거리의 표준 편차(σ)는 아래의 수학식에 따라 계산되고,
    Figure 112008084300647-PCT00012
    상기 di는 상기 Wi-Fi 액세스 포인트로부터 수신 전력 값 i의 연관된 위치까지의 거리이며;
    상기 N은 신호 전력 값의 수인 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  13. 제11항에 있어서, 신호 전력-거리 기울기(α)는 아래의 수학식을 이용하여 계산되며,
    σ>σmax인 경우, α=αmin
    σ<σmin인 경우, α=αmax
    σmin≤σ≤σmax인 경우,
    Figure 112008084300647-PCT00013
    상기 σmin은 최소 신호 커버리지 임계치;
    상기 σmax는 최대 신호 커버리지의 임계치;
    상기 σ는 신호 커버리지의 평균 반경;
    상기 αmin은 최소 신호 전력-거리 기울기;
    상기 αmax는 최대 신호 전력-거리 기울기인 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 σmin의 5-시그마 값은 약 60 미터;
    상기 σmax의 5-시그마 값은 약 700 미터;
    상기 αmin은 2 dBWatts/dBMeters;
    상기 αmax는 6 dBWatts/dBMeters인 것인 Wi-Fi 액세스 포인트 특징화 방법.
  15. Wi-Fi 실시가능(enabled) 장치의 위치를 추정하는 방법에 있어서,
    상기 Wi-Fi 실시가능 장치가 Wi-Fi 액세스 포인트들로 하여금 신호를 송신하게 하기 위하여, 상기 Wi-Fi 실시가능 장치의 범위 내에 있는 Wi-Fi 액세스 포인트들과 통신하는 단계;
    상기 Wi-Fi 실시가능 장치가 상기 Wi-Fi 액세스 포인트들에 의해 송신된 신호를 수신하는 단계;
    상기 Wi-Fi 액세스 포인트들을 식별하는 단계;
    Wi-Fi 액세스 포인트 식별자들을 이용하여, 참조 데이터베이스로부터 상기 Wi-Fi 액세스 포인트들의 계산된 위치 및 추정된 무선 전파 특성을 검색하는 단계; 및
    상기 계산된 위치 및 추정된 무선 전파 특성을 이용하여, 상기 Wi-Fi 실시가능 장치의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는 Wi-Fi 실시가능 장치의 위치 추정 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 Wi-Fi 액세스 포인트들 중 적어도 하나는 신호 커버리지 영역을 가지며, 이 신호 커버리지 영역은 적어도 하나의 섹션을 갖고, 각각의 섹션은 대응하는 무선 전파 특성을 갖는 것인 Wi-Fi 실시가능 장치의 위치 추정 방법.
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