KR20090120620A - 무선 네트워크에서의 이동단말 위치추정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 네트워크에서의 이동단말 위치추정방법에 관한 것이다.
본 발명에서는, 이동단말의 위치를 추정하기 위해, 기지국 간에 전파도달시간을 제곱한 값의 차이값을 이용한다.
TOA, 위치, 선형방정식, 이동단말, 기지국

Description

무선 네트워크에서의 이동단말 위치추정방법{Method for estimating position of mobile terminal in wireless network}
본 발명은 무선 네트워크에서의 이동단말 위치추정방법에 관한 것이다.
근래 들어, 위치정보의 필요성이 크게 증가하고 있으며, GSM(Global System for Mobile Telecommunication), CDMA(Code Division Multiple Access), W-CDMA(Wideband-CDMA), 무선 LAN(Local Area Network), UWB(Ultra Wide Band) 등과 같은 다양한 수단을 통하여 위치정보를 제공하기 위한 연구가 진행되고 있다.
또한, 무선 네트워크를 이용한 위치추정방법으로 TOA(Time Of Arrival), TDOA(Time Difference Of Arrival), AOA(Angle Of Arrival), RSS(Received Signal Strength) 등과 같은 다양한 방법이 연구되고 있다. 이러한 방법들 중에서 TDOA를 이용한 위치추정방법은 비교적 정확한 위치정보를 제공할 수 있는 장점이 있다. 그러나, TDOA를 이용하여 이동단말의 위치를 추정하기 위해서는 TOA 측정값과 이동단말의 위치 간의 비선형 방정식을 풀어야 하는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 개선된 이동단말 위치추정방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 무선 네트워크에서 이동단말 위치추정방법은,
제1 기지국 및 제2 기지국의 전파도달시간 및 위치좌표를 획득하는 단계; 상기 제1 기지국과 상기 제2 기지국 간의 전파도달시간 제곱값의 차이값을 산출하는 단계; 및 상기 차이값, 상기 위치좌표 및 전파도달시간 측정오차 공분산을 이용하여 상기 이동단말의 위치를 추정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 복수의 기지국 별로 이동단말과의 전파도달시간을 측정하고, 측정한 전파도달시간을 제곱한 값 간의 차이값을 이용하여 이동단말의 위치를 추정하는 방법은 위치추정 정확도를 향상시키는 효과가 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설 명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 이동단말(Mobile Terminal, MT)은 이동국(Mobile Station, MS), 단말(terminal), 가입자국(Subscriber Station, SS), 휴대 가입자국(Portable Subscriber Station, PSS), 사용자 장치(User Equipment, UE), 접근 단말(Access Terminal, AT) 등을 지칭할 수도 있고, 이동국, 단말, 가입자국, 휴대 가입자 국, 사용자 장치, 접근 단말 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 기지국(Base Station, BS)은 접근점(Access Point, AP), 무선 접근국(Radio Access Station, RAS), 노드B(Node-B), eNB(Evolved Node-B), 송수신 기지국(Base Transceiver Station, BTS), MMR(Mobile Multihop Relay)-BS 등을 지칭할 수도 있고, 접근점, 무선 접근국, 노드B, eNB, 송수신 기지국, MMR-BS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
이제 아래에서는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 네트워크에서의 이동단말 위치추정방법에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
아래에서는 이동단말에서 송신한 전파가 임의의 기지국에 도달하는데 걸리는 시간을 '전파도달시간(Time Of Arrival, 이하 'TOA'라고 함)'이라 명명하여 사용한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 네트워크를 도시한 것이다.
도 1을 보면, 무선 네트워크에서 이동단말(200)의 위치를 추정하기 위해 위치추정시스템(300)은 복수의 기지국(101 내지 104)의 TOA를 이용한다. 즉, 위치추정시스템(300)은 복수의 기지국(101 내지 104) 중 하나를 기준국(Reference Station)(101)으로 결정하고, 나머지 기지국(102 내지 104)들과 기준국(101)간의 TOA를 제곱한 값의 차이값을 이용하여 이동단말(200)의 위치좌표를 추정한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 네트워크에서 위치추정시스템(300)의 이동단말 위치추정방법을 도시한 흐름도이다.
도 2를 설명하기에 앞서, 아래에서는 수학식 1 내지 수학식 8을 이용하여 기지국 간의 TOA를 제곱한 값의 차이값을 이용하여 이동단말(200)의 위치추정을 위한 선형방정식을 유도하는 방법에 대하여 설명한다.
우선, n번째 기지국과 이동단말(200) 간의 TOA는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008035543170-PAT00001
여기서,
Figure 112008035543170-PAT00002
은 n번째 기지국과 이동단말(200) 간의 TOA를 나타낸다. 또한,
Figure 112008035543170-PAT00003
은 n번째 기지국의 TOA 측정오차를 나타내며, 평균이 0이고 가우시안 분포를 갖는 랜덤 잡음으로 가정한다. 또한,
Figure 112008035543170-PAT00004
은 n번째 기지국과 이동단말(200) 간의 거리 를 나타내며, (
Figure 112008035543170-PAT00005
)은 n번째 기지국의 위치좌표를 나타내고, (
Figure 112008035543170-PAT00006
)는 이동단말(200)의 위치좌표를 나타낸다.
전술한 수학식 1에 기초해, 기지국 간 TOA를 제곱한 값의 차이값은 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008035543170-PAT00007
여기서,
Figure 112008035543170-PAT00008
는 기준국의 TOA를 나타내며, 기준국은 이동단말(200)과 통신하는 복수의 기지국 중에서 선택된다. 한편, 수학식 1에 기초해
Figure 112008035543170-PAT00009
로 나타낼 수 있으며,
Figure 112008035543170-PAT00010
는 기준국과 이동단말(200) 간의 거리이고
Figure 112008035543170-PAT00011
는 기준국의 TOA 측정오차가 된다. 또한, (
Figure 112008035543170-PAT00012
)은 기준국의 위치좌표를 나타낸다.
전술한 수학식 2를 정리하면, 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008035543170-PAT00013
그리고, 위 수학식 3에서
Figure 112008035543170-PAT00014
라 정의하면, 수학식 3은 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008035543170-PAT00015
여기서, TOA가 TOA 측정오차보다 충분히 작다고 가정하면 (
Figure 112008035543170-PAT00016
) 또한 충분히 작아지므로, 위 수학식 4는 다음의 수학식 5로 근사화할 수 있다.
Figure 112008035543170-PAT00017
그리고, 위 수학식 5를 m개의 기지국의 경우로 일반화할 경우, 위 수학식 5는 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008035543170-PAT00018
한편, 위 수학식 6에서
Figure 112008035543170-PAT00019
에 대한 TOA 측정오차 공분산은 다음의 수학식 7과 같이 구할 수 있다.
Figure 112008035543170-PAT00020
여기서,
Figure 112008035543170-PAT00021
는 TOA에 대한 분산을 나타낸다.
한편, 전술한 수학식 6에 최소자승법을 적용하면, 최종적으로 기지국 간의 TOA를 제곱한 값의 차이값 및 각 기지국 별 위치좌표, TOA 측정오차 공분산, 이동단말(200)의 위치좌표 등으로 구성된 위치추정 선형방정식을 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 수학식 7에 최소자승법을 적용하여 수학식 8을 유도하는 방법은 널리 공지된 기술로서 당업자가 용이하게 실시 할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
Figure 112008035543170-PAT00022
도 2를 보면, 위치추정시스템(300)은 우선, 기준국을 포함하는 복수의 기지국 별로 TOA를 측정한 값 및 각 기지국의 위치좌표를 획득하고(S101), 기준국과 나머지 기지국간의 TOA를 제곱한 값의 차이값을 산출한다(S102). 그리고, 이를 각 기지국의 위치좌표와 함께 위 수학식 8의 위치추정 선형방정식에 대입하여 제1 위치해(
Figure 112008035543170-PAT00023
)를 산출한다(S103).
여기서, 위치추정시스템(300)은 각 기지국 별 이동단말(200)과의 실제 거 리(
Figure 112008035543170-PAT00024
)를 알지 못하므로,
Figure 112008035543170-PAT00025
를 정확하게 산출할 수 없다. 따라서, 위치추정시스템(300)은 각 기지국 별 이동단말(200)과의 거리(
Figure 112008035543170-PAT00026
) 대신 각 기지국 별 TOA (
Figure 112008035543170-PAT00027
)를 위 수학식 7에 대입하여
Figure 112008035543170-PAT00028
를 산출하고, 이를 이용하여 제1 위치해를 산출한다. 그리고, 제1 위치해가 산출되면, 이를 이용하여 각 기지국 별 이동단말(200)과의 추정거리(
Figure 112008035543170-PAT00029
)를 산출한다. 각 기지국별 이동단말(200)과의 추정거리는 수학식 9를 이용하여 산출한다.
Figure 112008035543170-PAT00030
여기서, 는
Figure 112008035543170-PAT00031
제1 위치해에 따른 이동단말(200)의 위치좌표를 나타낸다.
각 기지국 별 이동단말(200)과의 추정거리(
Figure 112008035543170-PAT00032
)가 산출되면, 위치추정시스템(300)은 각 기지국 별 이동단말(200)과의 거리(
Figure 112008035543170-PAT00033
) 대신 이동단말(200)과의 추정거리(
Figure 112008035543170-PAT00034
)를 수학식 7에 대입하여
Figure 112008035543170-PAT00035
를 재 산출한다(S104). 그리고, 기준국과 나머지 기지국간의 TOA를 제곱한 값의 차이값, 기지국 별 위치좌표 및 재 산출된
Figure 112008035543170-PAT00036
를 수학식 8에 대입하여 제2 위치해(
Figure 112008035543170-PAT00037
)를 산출한다(S105). 그리고, 최종적으로 위치추정시스템(300)은 제2 위치해에 기초해 이동단말(200)의 위치를 추정한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이동단말(200)의 수평위치 오차의 누적분포를 기존의 위치추정방법들과 비교하여 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 실시 예 에 따른 이동단말(200)의 수직위치 오차의 누적분포를 종래기술과 비교하여 도시한 것이다.
도 3 및 도 4를 보면, AML(Approximate Maximum Likelihood Localization) 알고리즘을 사용한 위치추정방법인 기존방법 1과 CH 알고리즘을 사용한 위치추정방법인 기존방법 2를 이용하여 이동단말의 위치를 추정하는 방법에 비해 본 발명의 실시 예에 따른 이동단말 위치추정 방법이 향상된 정확도를 갖는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 네트워크를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 네트워크에서의 이동단말 위치추정방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이동단말의 수평위치 오차의 누적분포를 종래기술과 비교하여 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이동단말의 수직위치 오차의 누적분포를 종래기술과 비교하여 도시한 것이다.

Claims (5)

  1. 무선 네트워크에서 이동단말 위치추정방법에 있어서,
    제1 기지국 및 제2 기지국의 전파도달시간 및 위치좌표를 획득하는 단계;
    상기 제1 기지국과 상기 제2 기지국 간의 전파도달시간 제곱값의 차이값을 산출하는 단계; 및
    상기 차이값, 상기 위치좌표 및 전파도달시간 측정오차 공분산을 이용하여 상기 이동단말의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는 위치추정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전파도달시간은 대응하는 기지국과 상기 이동단말과의 거리 및 전파도달시간 측정오차로 나타낼 수 있는 위치추정방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 획득하는 단계는,
    상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국으로부터 측정된 상기 전파도달시간을 수신하는 단계
    를 포함하는 위치추정방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 추정하는 단계는,
    상기 전파도달시간을 이용하여 상기 전파도달시간 측정오차 공분산을 산출하는 단계;
    상기 차이값, 상기 위치좌표 및 상기 산출된 전파도달시간 측정오차 공분산을 이용하여 제1 위치해를 산출하는 단계;
    상기 제1 위치해에 기초해 상기 전파도달시간 측정오차 공분산을 재산출하는 단계;
    상기 차이값, 상기 위치좌표 및 상기 재 산출된 전파도달시간 측정오차 공분산을 이용하여 제2 위치해를 산출하는 단계; 및
    상기 제2 위치해에 기초해 상기 이동단말의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는 위치추정방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 재산출하는 단계는,
    상기 위치좌표 및 상기 제1 위치해에 기초해 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국의 상기 이동단말과의 추정거리를 산출하는 단계; 및
    상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국의 상기 이동단말과의 추정거리에 기초해 상기 전파도달시간 측정오차 공분산을 재산출하는 단계
    를 포함하는 위치추정방법.
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