KR20100026519A - 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법 및 이를 위한 송수신 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법 및 이를 위한 송수신 장치에 관한 것이다.

본 발명은 송수신 장치에 있어서, n(n≥2)개의 안테나를 포함하는 다중 안테나; n개의 안테나 중 하나의 안테나로 스위칭하는 스위치; 스위칭 된 하나의 안테나를 통해 패킷을 송수신하는 송수신기; 및 패킷의 송수신시, 수신신호 세기 및 송수신기간 이격거리에 따른 전파 지연시간 중 하나 이상을 측정하여, 수신신호 세기 및 송수신기간 이격거리에 따른 전파 지연시간 중 하나 이상에 근거하여 다른 송수신 장치에 대한 거리를 추정하는 거리 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신 장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 송수신 장치마다 스위칭 가능한 다중 안테나를 사용함으로써, 단일 안테나만을 사용한 송수신 장치들로 구성된 시스템의 결과에 비해, 시간 다이버시티(Time Diversity) 및 공간 다이버시티(Space Diversity) 효과 및 안테나 간 밸런스 효과 등에 의해 개선된 정확도의 거리 추정을 가능하게 하는 효과가 있다.

거리 추정, 다중 안테나, 송수신 장치

Description

송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법 및 이를 위한 송수신 장치{Method and Apparatus for Ranging or Positioning}

본 발명은 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법 및 이를 위한 송수신 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 단일 안테나만을 사용한 송수신 장치들로 구성된 시스템의 결과에 비해, 시간 다이버시티(Time Diversity) 및 공간 다이버시티(Space Diversity) 효과 등에 의해 개선된 정확도의 거리 추정을 가능하게 하는 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법 및 이를 위한 송수신 장치에 관한 것이다.

종래의 거리 추정 기술은, 도 1에 도시된 바와 같이, 송수신 장치당 1개의 안테나만을 사용하여 몇 가지 거리 추정 방식을 이용하여 거리 추정이 수행된다. 거리 추정 방식에는, 상대방 신호의 수신신호 세기(RSSI: Received Signal Strength Indicator)를 이용한 거리 추정 방식, 전파도달 지연시간(ToA: Time-of Arrival)을 이용한 거리 추정 방식, 전파도달 지연시간 차이(TDoA: Time-Difference-of-Arrival)를 이용한 거리 추정 방식 및 전파도달 방향(AoA: Angle-of-Arrival)을 이용한 거리 추정 방식 등이 있다.

종래의 거리 추정 기술에서 단일 안테나만을 사용하여 수신신호 세기(RSSI : Received Signal Strenght Indicator) 또는 전파 도달 지연시간(ToA: Time of Arrival)을 측정하는 경우, 도달한 전파의 세기나 전파의 도달 시간은 알 수 있으나, 전파 도달 방향(AoA: Angle-of-Arrival)은 알아낼 수가 없다는 한계점이 있다. 이러한 한계점은 상대방의 송수신 장치에 대한 정확한 위치를 파악할 수 없는 문제점을 초래한다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 단일 안테나를 사용하는 송수신 장치 상호 간의 거리추정은 측정된 수신신호 세기(RSSI) 또는 전파 도달 지연시간(ToA)과, 또는 이들의 혼합사용에 의해 추정하는데, 수신신호 세기(RSSI)를 이용한 거리 추정 시 단일 전파 경로(Singlepath)인 경우에는 비교적 정확한 거리 추정이 가능 하지만, 일반적인 실내 환경인 전파의 다중경로(Multipath) 존재 시 단일 전파경로의 경우일 때와 비교해 수신신호 세기의 교란 효과에 의해 현격하게 그 정확도가 떨어지게 되어 실내 위치 추정에서는 좋은 결과를 얻을 수 없는 문제점이 있다.

또한, 전파 도달 지연시간(ToA)을 이용한 거리 추정 방식은 송수신 장치 상호 간에 약속된 패킷신호를 교환하여 두 개의 송수신 장치 상호 간의 거리가 멀어짐에 따라 거리에 비례해서 패킷신호 도달 시간의 지연도 늘어나는 것을 이용해 추정된 전파 지연시간에 빛의 속도를 곱하여 거리를 추정하는 기술로서, 실내 전파 다중경로(Mutlipath) 환경에서, 전파 도달 지연시간(ToA)을 이용한 거리 추정 방식은 수신신호 세기(RSSI)를 이용한 거리 추정 방식에 비해서는 거리 추정 값의 정확도가 우수하다. 하지만, 전파 다중경로의 영향으로 안테나에 수신된 신호 대 잡음 비가 낮아지거나 다중경로 신호들 간의 간섭 효과로 인해 거리 추정치의 정확도가 떨어질 수 있는 문제점이 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 단일 안테나만을 사용한 송수신 장치들로 구성된 시스템의 결과에 비해, 시간 다이버시티(Time Diversity) 및 공간 다이버시티(Space Diversity) 효과 및 안테나 간 밸런스 효과 등에 의해 개선된 정확도의 거리 추정을 가능하게 하는데 그 주된 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상대방 송수신 장치와의 거리뿐만 아니라, 방향도 함께 추정하여 상대방 송수신 장치에 대한 위치를 파악하는 데 또 다른 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 측면에 따르면, 송수신 장치에 있어서, n(n≥2)개의 안테나를 일직선상에 배열한 선형배열(Linear Array) 구조이거나, 동일 평면상에 규칙적으로 배치된 면 그리드 배열(Planar Grid Array) 구조인 다중 안테나; 상기 n개의 안테나의 배열 면의 수직 방향에 대한 방위각(Azimuth) 및 고도각(Elevation) 중 하나 이상이 기계적(Mechanically)으로 조정됨으로써 안테나 배열면의 방향(자세)이 보정되는 안테나 어셈블리(Antenna Assembly); 상기 n개의 안테나 중 하나의 안테나를 선택하는 스위치; 상기 스위치로 선택된 하나의 안테나를 통해 패킷을 송수신하는 송수신기; 및 상기 패킷의 송수신시, 수신신호의 세기 및 송수신기간 이격거리에 따른 전파 지연시간 중 하나 이상을 측정하여, 상기 수신신호의 세기 및 상기 송수신기간 이격거리에 따른 전파 지연시간 중 하나 이상에 근거하여 상대방 송수신 장치와의 거리 및 상대방 송수신 기의 위치를 추정하는 거리 및 위치 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신 장치를 제공한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 한 측면에 따르면, 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법에 있어서, (a) n개의 제 1 안테나를 포함하는 제 1 다중 안테나, 제 1 스위치 및 제 1 송수신기를 포함하는 제 1 송수신 장치와, m개의 제 2 안테나를 포함하는 제 2 다중 안테나, 제 2 스위치 및 제 2 송수신기를 포함하는 제 2 송수신 장치를 준비하는 단계; (b) 상기 제 1 스위치는 상기 n개의 제 1 안테나 중 하나의 제 1 안테나로 스위칭 하고, 상기 제 2 스위치는 상기 m개의 제 2 안테나 중 하나의 제 2 안테나로 스위칭 하는 단계; (c) 상기 제 1 송수신기는 상기 스위칭 된 제 1 안테나를 통해 패킷을 송신하고, 상기 제 2 송수신기는 상기 스위칭 된 제 2 안테나를 통해 상기 패킷을 수신하는 단계; (d) 상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 다음 순서의 안테나로 스위칭 하며, 상기 단계 (b) 및 상기 단계 (c)를 반복적으로 수행하는 단계; (e) 상기 제 2 송수신 장치가 상기 수신된 패킷마다 측정된 상기 수신신호 세기에 근거하여 상기 제 1 송수신 장치와의 거리를 추정하고, 상기 수신된 패킷 마다 추정된 복수 개의 상기 제 1 송수신 장치와의 거리를 평균하여 상기 제 1 송수신 장치와의 평균 거리를 획득하는 단계; (f) 상기 제 2 송수신 장치가 상기 수신된 패킷마다 측정된 상기 수신신호 세기에 근거하여 추정된 상기 제 1 송수신 장치와의 거리를 토대로, 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 추정하는 단계; 및 (g) 상기 제 2 송수신 장치가 상기 제 1 송수신 장치와의 거리 및 상기 전파 도달 방향에 근거하여 상 기 제 1 송수신 장치에 대한 위치를 추정하는 단계를 포함하되, 상기 n 및 상기 m 중 하나 이상은 2 이상인 것을 특징으로 하는 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법을 제공한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 한 측면에 따르면, 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법에 있어서, (a) n개의 제 1 안테나를 포함하는 제 1 다중 안테나, 제 1 스위치 및 제 1 송수신기를 포함하는 제 1 송수신 장치와, m개의 제 2 안테나를 포함하는 제 2 다중 안테나, 제 2 스위치 및 제 2 송수신기를 포함하는 제 2 송수신 장치를 준비하는 단계; (b) 상기 제 1 스위치는 상기 n개의 제 1 안테나 중 하나의 제 1 안테나로 스위칭 하고, 상기 제 2 스위치는 상기 m개의 제 2 안테나 중 하나의 제 2 안테나로 스위칭 하는 단계; (c) 상기 제 1 송수신기는 상기 스위칭 된 제 1 안테나를 통해 패킷을 송신하고, 상기 제 2 송수신기는 상기 스위칭 된 제 2 안테나를 통해 상기 패킷을 수신하는 단계; (d) 상기 제 2 송수신기는 상기 패킷을 수신한 시각(수신 패킷 시작 시점)으로부터 일정시간(T) 경과 후, 상기 스위칭 된 제 2 안테나를 통해 상기 패킷에 대한 응답 패킷을 송신하고, 상기 제 1 송수신기는 상기 스위칭 된 제 1 안테나를 통해 상기 응답 패킷을 수신하는 단계; (e) 상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 다음 순서의 안테나로 스위칭 하며, 상기 단계 (b)로부터 단계 (d)까지를 반복적으로 수행하는 단계; (f) 상기 제 1 송수신 장치는 상기 패킷의 송신 시작 시점부터 상기 응답 패킷의 수신 시작 시점까지의 경과 시간을 이용해 전파의 총 왕복 시간을 계산하고, 상기 계산된 왕복 시간에서 상기 일정시간(T)을 뺀 값에 신호 전파 속도를 곱한 후 2로 나눈 값을 상기 제 2 송수신 장치와의 거리로 추정하는 단계; (g) 상기 제 2 송수신 장치가 상기 제 1 송수신 장치와의 거리 및 상기 전파 도달 방향에 근거하여 상기 제 1 송수신 장치에 대한 위치를 추정하는 단계; (h) 패킷별로 추정된 상기 제 2 송수신 장치와의 거리를 모두 평균하여 상기 제 2 송수신 장치와의 평균 거리를 획득하는 단계; (i) 상기 제 1 송수신 장치가 상기 모든 패킷에 대하여 패킷별로 추정된 상기 제 2 송수신 장치와의 거리를 토대로, 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 추정하는 단계; 및 (j) 상기 제 1 송수신 장치가 상기 제 2 송수신 장치와의 거리 및 상기 전파 도달 방향에 근거하여 상기 제 2 송수신 장치에 대한 위치를 추정하는 단계를 포함하되, 상기 n 및 상기 m 중 하나 이상은 2 이상인 것을 특징으로 하는 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 송수신 장치마다 스위칭 가능한 다중 안테나를 사용함으로써, 단일 안테나만을 사용한 송수신 장치들로 구성된 시스템의 결과에 비해, 시간 다이버시티(Time Diversity) 및 공간 다이버시티(Space Diversity) 효과 및 안테나 간 밸런스 효과 등에 의해 개선된 정확도의 거리 추정을 가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 송수신 장치마다 스위칭 가능한 다중 안테나를 사용함으로써, 상대방 송수신 장치와의 거리뿐만 아니라, 방향도 함께 추정하여 상대방 송수신 장치에 대한 위치를 파악하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 송수신 장치마다 사용되는 스위칭 가능한 다중 안 테나의 배열 면의 자세 보정을 통해, 송수신 장치 간 거리 추정의 정확도를 향상시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 송수신 장치(200)를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 송수신 장치(200)는, n(n≥2)개의 안테나를 포함하는 다중 안테나(210); n개의 안테나 중 하나의 안테나로 스위칭하는 스위치(220); 스위칭 된 하나의 안테나를 통해 패킷을 송수신하는 송수신기(230); 및 패킷의 송수신시, 수신신호 세기 및 송수신기간 이격거리에 따른 전파 지연시간 중 하나 이상을 측정하여, 측정된 수신신호 세기 및 측정된 송수신기간 이격거리에 따른 전파 지연시간 중 하나 이상에 근거하여 상대방 송수신 장치에 대한 거리를 추정하는 거리 및 위치 추정기(240) 등을 포함한다. 단, 거리 및 위치 추정기(240)는 송수신기(230)에 포함될 수도 있다.

전술한 다중 안테나(210)는, n개의 안테나(ANT 1, ANT 2,..., ANT n)가 동일 평면상에 규칙적인 간격으로 배치된 면 배열 그리드(Planar Array Grid) 구조이거나, 동일 선상에 규칙적인 간격으로 배치된 선 배열 구조일 수 있으며, 거리 추정 정확도를 고려하여 안테나 배열 구조의 형태를 적절히 선택하여 조정할 수 있다.

위에서 언급한 면 배열 그리드 구조(Planar Array Grid)는 원형 배열(Circular Array) 구조, 다각형 배열(Polygonal Array) 구조 등에서 하나일 수 있다. 도 3에서는 면 배열 구조의 다중 안테나(210)를 예시적으로 도시한다. 도 3의 (a)는 원형 구조의 다중 안테나(210)를 예시적으로 도시한 것으로서, 다중 안테나(210)가 8개의 안테나를 포함하고, 8개의 안테나가 규칙적인 간격을 가지면서 원형으로 배치된 것을 확인할 수 있다. 도 3의 (b)는 다각형 배열 구조 중 하나인 직사각형 배열 구조(Rectangular Array)의 다중 안테나(210)를 예시적으로 도시한 것으로서, 다중 안테나(210)가 63개의 안테나를 포함하고, 63개의 안테나가 규칙적인 간격을 가지면서 격자(Grid) 형태로 배치된 것을 확인할 수 있다.

전술한 다중 안테나(210)는, n개의 안테나의 배열 면의 수직 방향에 대한 방위각(Azimuth) 및 고도각(Elevation) 중 하나 이상이 조정됨으로써 자세가 보정될 수 있다. 도 12에는 자세 보정에 대한 일 실시예를 2차원적으로 도시하고, 도 13에는 자세 보정에 대한 일 실시예를 3차원적으로 도시한다.

도 12를 참조하면, 도 2에서의 송수신 장치(200)가, 다중 안테나에 포함된 2개의 안테나(ANT 21, ANT 22)를 가진 도 12에서의 제 2 송수신 장치(1220)라고 가정하면, 자세 보정 전을 도시한 도 12의 (a)에서는, 제 1 송수신 장치(1210)의 ANT 11에서 ANT 21까지의 거리 1과 ANT 11에서 ANT 22까지의 거리 2가 서로 다름으로 확인할 수 있다. 이러한 상황에서는, ANT 11에서 ANT 22까지의 패킷 전송이, ANT 11에서 ANT 21까지 패킷의 전송보다 더욱 먼 거리에 대한 패킷 전송이 이루어지게 됨으로써, 제 2 송수신 장치(1220)는 ANT 11에서 ANT 22까지의 패킷 전송에 따라 측정되는 수신신호 세기가 더욱 미약하거나, 또는 ANT 11에서 ANT 22까지의 패킷 전송에 따른 전송 지연이 더욱 크게 발생할 수 있다. 따라서, ANT 11에서 ANT 22까지의 패킷 전송 시의 거리 1가 ANT 11에서 ANT 22까지의 패킷 전송 시의 거리 2보다 더 길게 추정될 수 있다. 따라서, 제 2 송수신 장치(1220)의 다중 안테나(ANT 21, ANT 22)에 대하여, 안테나의 배열 면(ANT 21와 ANT 22를 잇는 점선)의 수직 방향에 대한 방위각(Azimuth) 및 고도각(Elevation) 중 하나 이상을 조정함으로써, 도 12의 (b)처럼 자세 보정을 할 수 있다. 자세 보정 이후에는 거리 1과 거리 2의 길이가 동일하게 추정될 수 있다.

자세 보정을 3차원적으로 나타낸 도 13에서도 마찬가지로 적용된다. 여기서는, 도 2의 송수신 장치(200)를 도 13의 제 2 송수신 장치(1320)로 가정한다. 자세 보정 전으로 도시한 도 13의 (a)에서처럼, 제 2 송수신 장치(1310)의 다중 안테나 에 포함된 4개의 안테나 각각에 대한 제 1 송수신 장치의 안테나까지의 거리(거리 1, 거리 2, 거리 3 및 거리 4)는 서로 다르다. 제 2 송수신 장치(1320)의 다중 안테나의 배열 면의 수직 방향에 대한 방위각(Azimuth) 및 고도각(Elevation) 중 하나 이상을 조정함으로써, 도 13의 (b)처럼 자세 보정을 할 수 있다. 그로 인해, 자세 보정 이후에는 거리 1, 거리 2, 거리 3 및 거리 4를 동일하게 또는 거의 비슷하게 추정할 수 있다.

본 발명에 따른 송수신 장치(200)는, n개의 안테나의 배열 면의 수직 방향에 대한 방위각(Azimuth) 및 고도각(Elevation) 중 하나 이상이 기계적(Mechanically)으로 조정됨으로써 안테나 배열 면의 방향(자세)이 보정되는 안테나 어셈블리(Antenna Assembly)를 포함한다.

전술한 거리 및 위치 추정기(240)는 패킷의 송수신시, 수신신호 세기 및 송수신기간 이격거리에 따른 전파 지연시간 중 하나 이상을 측정할 수 있는데, 만약 수신된 패킷마다 수신신호 세기를 측정한 경우에는, 수신된 패킷마다 측정한 수신신호 세기에 근거하여 송수신 장치 간 거리를 추정할 수 있다. 이러한 거리 추정 기술은 신호가 전파하는 거리에 따라 신호 세기가 감소하는 물리적인 특성을 이용하여 송수신 장치 간 거리를 추정하는 것으로서, 수신신호 세기(RSSI: Received Signal Strength Indicator)를 이용한 거리 추정 기술이라 한다.

전술한 거리 및 위치 추정기(240)는 수신된 패킷마다 측정한 수신신호 세기에 근거하여 송수신 장치 간 거리를 추정하는 것 이외에도, 수신된 패킷마다 추정된 송수신 장치 간 거리에 근거하여 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 추 정할 수도 있다. 예를 들어, 송수신 장치(200)가 ANT 1을 통해 다른 송수신 장치의 안테나로부터 패킷 1을 수신할 때 측정된 수신신호 세기에 근거하여 다른 송수신 장치와의 거리 1을 추정하고, 송수신 장치(200)가 ANT 2를 통해 다른 송수신 장치의 안테나로부터 패킷 2를 수신할 때 측정된 수신신호 세기에 근거하여 다른 송수신 장치와의 거리 2를 추정한 경우, ANT 1과 ANT 2 간의 거리, 거리 1 및 거리 2에 근거하여 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 구할 수 있다. 여기서 수신된 패킷은 비콘 패킷(Beacon Packet)일 수 있다.

전술한 거리 및 위치 추정기(240)는 송신된 패킷마다 송신 시간 및 송신된 패킷에 대응하는 응답 패킷(Respons Packet)마다 수신 시간을 측정하여, 송신된 패킷마다 왕복 시간(RTT: Round Trip Time)을 계산하고, 왕복 시간에 근거하여 송수신 장치 간 거리를 추정할 수 있다. 이러한 거리 추정 기술을 전파도달 지연시간(ToA: Time of Arrival)를 이용한 거리 추정 기술이라고도 한다. 여기서, 송신된 패킷은 비콘 패킷(Beacon Packet)일 수 있다.

예를 들어, 송수신 장치(200)가 비콘 패킷(P1)을 다른 송수신 장치로 송신하고, 다른 송수신 장치로부터 비콘 패킷(P1)에 대한 응답 패킷(R1)을 수신하면, 비콘 패킷(P1)을 송신한 송신 시간에서 응답 패킷(R1)을 수신한 수신 시간까지의 왕복 시간을 구하고, 구한 왕복 시간에서 다른 송수신 장치가 비콘 패킷(P1)을 수신하여 응답 패킷(R1)을 송신하는 데까지 걸리는 일정 시간(T)을 뺀 값에 신호 전파 속도(예: 빛의 속도)를 곱한 후 2로 나눈 값을 송수신 장치 간 거리로 추정한다. 또한 매번 추정된 송수신 장치 간 거리의 차이를 고려하여, 매번 추정된 송수신 장 치 간 거리를 평균하여 송수신 장치 간 평균 거리를 획득하고, 이를 최종적인 송수신 장치 간 거리로 이용할 수도 있다.

또한, 전술한 거리 및 위치 추정기(240)는 송신된 패킷마다 송신 시간 및 송신된 패킷에 대응하는 응답 패킷(Response Packet)마다 수신 시간을 측정하여 이에 근거하여 송수신 장치 간 거리를 추정하는 것 이외에도, 송신된 패킷마다 추정된 송수신 장치 간 거리에 근거하여 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 추정할 수도 있다.

예를 들어, 도 11과 같이, 송수신 장치(200)가 비콘 패킷(P1)을 ANT 1을 통해 다른 송수신 장치의 ANT 2로 송신하고, 다른 송수신 장치의 ANT 2로부터 비콘 패킷(P2)에 대한 응답 패킷(R2)을 수신하여, 비콘 패킷(P2)을 송신한 송신 시간에서 응답 패킷(R2)을 수신한 수신 시간까지의 왕복 시간을 구하고, 구한 왕복 시간에서 다른 송수신 장치가 비콘 패킷(P2)을 수신하여 응답 패킷(R2)을 송신하는 데까지 걸리는 일정 시간을 뺀 값에 신호 전파 속도를 곱한 후 2로 나눈 값을 송수신 장치 간 거리 2로 추정한다. 또한 송수신 장치(200)가 비콘 패킷(P3)을 ANT 1을 통해 다른 송수신 장치의 ANT 3으로 송신하고, 다른 송수신 장치의 ANT 3으로부터 비콘 패킷(P3)에 대한 응답 패킷(R3)을 수신하여, 비콘 패킷(P3)을 송신한 송신 시간에서 응답 패킷(R3)을 수신한 수신 시간까지의 왕복 시간을 구하고, 구한 왕복 시간에서 다른 송수신 장치가 비콘 패킷(P3)을 수신하여 응답 패킷(R3)을 송신하는 데까지 걸리는 일정 시간을 뺀 값에 신호 전파 속도를 곱한 후 2로 나눈 값을 송수신 장치 간 거리 3으로 추정한다. 따라서, 일 예로서, ANT 2과 ANT 3 간의 거리, 송수신 장치 간 거리 2(ANT 1에서 ANT2까지의 거리) 및 송수신 장치 간 거리 3(ANT 1에서 ANT3까지의 거리)에 근거하여 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 구할 수 있다.

또한, 거리 및 위치 추정기(240)는 송신된 패킷마다 송신 시간 및 송신된 패킷에 대응하는 응답 패킷(Response Packet)의 수신 시간을 측정하여 이에 근거하여 송수신 장치 간 거리를 추정하고, 이렇게 매번 추정된 송수신 장치 간 거리의 차이를 고려하여, 매번 추정된 송수신 장치 간 거리를 평균하여 송수신 장치 간 평균 거리를 획득하고, 이를 최종적인 송수신 장치 간 거리로 이용할 수도 있다.

도 4는 본 발명에 따른 패킷 전송 및 거리 추정을 설명하기 위해 2개의 송수신 장치를 나타낸 도면으로서, 도 5에 도시된 패킷 전송 방법에 흐름도와, 도 6 및 도 7에 도시된 거리 추정 방법의 두 가지 실시예에 대한 흐름도를 설명할 때 참조하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 패킷 전송 방법에 대한 흐름도이다.

도 5 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 송수신 장치 간의 패킷 전송 방법은, n개의 제 1 안테나(ANT 11, ANT 12, ..., ANT 1n)를 포함하는 제 1 다중 안테나, 제 1 스위치 및 제 1 송수신기를 포함하는 제 1 송수신 장치와, m개의 제 2 안테나(ANT 21, ANT 22, ..., ANT 2m)를 포함하는 제 2 다중 안테나, 제 2 스위치 및 제 2 송수신기를 포함하는 제 2 송수신 장치를 준비하는 단계(S500); 제 1 스위치는 n개의 제 1 안테나 중 하나의 제 1 안테나로 스위칭하고, 제 2 스위치는 상기 m개의 제 2 안테나 중 하나의 제 2 안테나로 스위칭하는 단계(S502); 및 제 1 송수 신기는 스위칭된 제 1 안테나를 통해 패킷을 송신하여, 제 2 송수신기는 스위칭된 제 2 안테나를 통해 패킷을 수신하는 단계(S504) 등을 포함한다.

전송할 모든 패킷에 대하여, S502 단계 및 S504 단계를 반복적으로 수행한다. 즉, 제 1 송수신기는 패킷마다 n개의 제 1 안테나를 일정 규칙에 따라 스위칭하여 패킷 송신시 이용한다. 제 2 송수신기도 패킷 수신시마다 m개의 제 2 안테나를 일정 규칙에 따라 스위칭하여 패킷 수신시 이용한다.

스위칭하는 일정 규칙이란, 차례대로 스위칭할 수도 있고, 안테나 스위칭 순서를 정하여 그 순서에 따라 라운드 로빈(Round Robin) 방식으로 스위칭할 수도 있고, 또는 안테나별로 가중치가 부여되어 가중치에 근거하여 스위칭할 수도 있을 것이다. 도 4에서의 스위칭 상태는, n개의 제 1 안테나(ANT 11, ANT 12, ..., ANT 1n) 중 ANT 11이 스위칭되고, m개의 제 2 안테나(ANT 21, ANT 22, ..., ANT 2m) 중 ANT 22가 스위칭된 상태이다.

위에서 언급한 제 1 안테나의 개수인 n과 제 2 안테나의 개수인 m 중 적어도 하나 이상은 2 이상이어야 한다. 특히, m≥2이고, n=1인 경우에는, 복수 개의 제 2 안테나를 사용하는 본 발명에 따른 제 2 송수신 장치와, 1개의 제 1 안테나를 사용하는 종래의 제 1 송수신 장치 간의 패킷 전송이 되는 것이며, 이러한 것은 도 8에 도시되어 있다.

전술한 S504 단계에서, 제 2 송수신기는 제 1 송수신기에서 송신된 패킷을 수신한 이후, 스위칭된 제 2 안테나를 통해 수신한 패킷에 대한 응답 패킷을 송신하고, 제 1 송수신기는 스위칭된 제 1 안테나를 통해 제 2 송수신기에서 송신된 응 답 패킷을 수신할 수 있다.

전술한 S502 단계는, 패킷을 전송하기 위한 스위칭된 제 1 안테나와 스위칭된 제 2 안테나의 조합은 최대로 (n×m)개일 수 있다. 만약, 스위칭된 제 1 안테나와 스위칭된 제 2 안테나의 한 가지 조합에 대하여 한 가지의 패킷을 송신하고 모든 안테나의 조합을 이용한다면, (n×m)개의 서로 다른 패킷을 (n×m)개의 서로 다른 안테나의 조합을 통해 송신할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 추정 방법에 대한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신 장치에 대한 거리 추정 방법은, n개의 제 1 안테나를 포함하는 제 1 다중 안테나, 제 1 스위치 및 제 1 송수신기를 포함하는 제 1 송수신 장치와, m개의 제 2 안테나를 포함하는 제 2 다중 안테나, 제 2 스위치 및 제 2 송수신기를 포함하는 제 2 송수신 장치를 준비하는 단계(S600); 제 1 스위치는 n개의 제 1 안테나 중 하나의 제 1 안테나로 스위칭하고, 제 2 스위치는 m개의 제 2 안테나 중 하나의 제 2 안테나로 스위칭하는 단계(S602); 제 1 송수신기는 스위칭된 제 1 안테나를 통해 패킷을 송신하고, 제 2 송수신기는 스위칭된 제 2 안테나를 통해 패킷을 수신하는 단계(S604); 및 제 2 송수신 장치는 수신된 패킷마다 수신신호 세기를 측정하고, 측정된 수신신호 세기에 근거하여 송수신 장치 간 거리를 추정하는 단계(S606) 등을 포함한다.

위에서 언급한 제 1 안테나의 개수인 n 및 제 2 안테나의 개수인 m 중 하나 이상은 2 이상이어야 한다.

도 6을 참조하여 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 추정 방법은, "RSSI(Received Signal Strength Indicator)를 이용한 거리 추정 기술"에 대한 방법이다.

도 6을 참조하여 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 추정 방법은, 제 2 송수신 장치가 수신된 패킷마다 측정된 수신신호 세기에 근거하여 송수신 장치 간 거리를 추정하고, 추정된 복수 개의 송수신 장치 간 거리를 평균하여 송수신 장치 간 평균 거리를 획득하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.

또한, 도 6을 참조하여 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 추정 방법은, 제 2 송수신 장치가 수신된 패킷마다 측정된 수신신호 세기에 근거하여 추정된 송수신 간 거리를 토대로, 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 추정하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.

이처럼, 제 2 송수신 장치가 송수신 장치 간 거리 및 전파 도달 방향을 추정할 수 있게 되면, 도 6을 참조하여 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 추정 방법은 송수신 장치 간 거리 및 전파 도달 방향에 근거하여 제 1 송수신 장치에 대한 위치를 추정하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다. 이는 좌표에서 떨어진 거리와 방향을 알면 정확한 위치를 파악할 수 있는 것과 동일한 이치이다.

또한, 도 6을 참조하여 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 추정 방법은, 전술한 S600 단계 이후, 제 1 다중 안테나에 포함된 n개의 제 1 안테나를 동일 평면상에 규칙적인 간격으로 면 배열 또는 선 배열하는 단계; 및 제 2 다중 안테나에 포함된 m개의 제 2 안테나를 동일 평면상에 규칙적인 간격으로 면 배열 또는 선 배열하는 단계 중 하나 이상의 단계를 추가로 포함할 수도 있다.

위에서 언급한 면 배열은 원형 배열 및 다각형 배열 등에서 하나일 수 있으며, 참고로, 도 3에는 원형 배열 및 직사각형 배열에 대한 예시가 도시되어 있다.

또한, 도 6을 참조하여 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 추정 방법은, 제 1 다중 안테나 및 제 2 다중 안테나 중 하나 이상의 다중 안테나에 대한 자세를 보정하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.

전술한 자세를 보정하는 단계에서는, 도 12 및 도 13을 참조하면, 제 1 다중 안테나 및 제 2 다중 안테나 중 하나 이상의 다중 안테나의 배열 면의 수직 방향에 대한 방위각(Azimuth) 및 고도각(Elevation) 중 하나 이상을 조정함으로써 자세를 보정할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 추정 방법에 대한 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 송수신 장치에 대한 거리 추정 방법은, n개의 제 1 안테나를 포함하는 제 1 다중 안테나, 제 1 스위치 및 제 1 송수신기를 포함하는 제 1 송수신 장치와, m개의 제 2 안테나를 포함하는 제 2 다중 안테나, 제 2 스위치 및 제 2 송수신기를 포함하는 제 2 송수신 장치를 준비하는 단계(S700); 제 1 스위치는 n개의 제 1 안테나 중 하나의 제 1 안테나로 스위칭하고, 제 2 스위치는 m개의 제 2 안테나 중 하나의 제 2 안테나로 스위칭하는 단계(S702); 제 1 송수신기는 스위칭된 제 1 안테나를 통해 패킷을 송신하고, 제 2 송수신기는 스위칭된 제 2 안테나를 통해 패킷을 수신하는 단계(S704); 제 2 송수신기는 스위칭된 제 2 안테나를 통해 패킷에 대한 응답 패킷을 송신하고, 제 1 송수신기는 스위칭된 제 1 안테나를 통해 응답 패킷을 수신하는 단계(S706); 및 제 1 송수신 장치는 패킷의 송신 시간과 응답 패킷의 수신 시간에 근거하여 송수신 장치 간 거리를 추정하는 단계(S708) 등을 포함한다.

도 7을 참조하여 전술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 추정 방법은 "전파도달 지연시간(ToA: Time of Arrival)을 이용한 거리 추정 기술"에 대한 방법이다.

위에서 언급한 제 1 안테나의 개수인 n 및 제 2 안테나의 개수인 m 중 하나 이상은 2 이상이어야 한다.

제 2 송수신기에서는, 제 1 송수신기에서 송신된 패킷을 수신하여 응답 패킷을 송신하는데, 응답패킷의 시작 시점은 수신패킷의 시작 시점으로부터 사전에 정해진 일정시간(T)이 경과한 시점으로 한다.

전술한 S708 단계에서, 제 1 송수신 장치는 패킷의 송신 시간과 응답 패킷의 수신 시간으로부터 왕복 시간(RTT: Round Trip Time)을 계산하고, 계산된 왕복 시간에서 일정시간(T)을 뺀 값에 신호 전파 속도(예를 들어, 빛의 속도)를 곱한 후 2로 나눈 값을 송수신 장치 간 거리로 추정한다.

또한, 도 7을 참조하여 전술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 추정 방법은, 송수신 장치 간 거리를 추정하기 위해 전송할 모든 패킷에 대하여 S702 단계, S704 단계, S706 단계 및 S708 단계를 반복적으로 수행할 수 있다. 이렇게 되면, 반복 횟수만큼의 송수신 장치 간 거리를 추정할 수 있다.

이처럼 전송할 모든 패킷에 대하여, S702 단계, S704 단계, S706 단계 및 S708 단계를 반복적으로 수행한 이후, 제 1 송수신 장치가 모든 패킷에 대하여 반 복 횟수만큼, 패킷별로 추정된 송수신 장치 간 거리를 평균하여 송수신 장치 간 평균 거리를 획득하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다. 이렇게 송수신 장치 간 평균 거리를 획득하여 거리를 추정하면, 송수신 장치 간 거리의 오차를 줄일 수 있다.

또한, 도 7을 참조하여 전술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 추정 방법은, 전송할 모든 패킷에 대하여, S702 단계, S704 단계, S706 단계 및 S708 단계를 반복적으로 수행한 이후, 제 1 송수신 장치가 모든 패킷에 대하여 패킷별로 추정된 송수신 장치 간 거리를 토대로, 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 추정하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.

도 7을 참조하여 전술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 추정 방법은, 이처럼, 제 1 송수신 장치가 송수신 장치 간 거리 및 전파 도달 방향을 추정할 수 있게 되면, 송수신 장치 간 거리 및 상기 전파 도달 방향에 근거하여 제 2 송수신 장치에 대한 위치를 추정하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.

전술한 S700 단계 이후, 준비된 제 1 송수신 장치의 제 1 다중 안테나에 포함된 n개의 제 1 안테나를 동일 평면상에 규칙적인 간격으로 면 배열 또는 선 배열하는 단계; 및 준비된 제 2 송수신 장치의 제 2 다중 안테나에 포함된 m개의 제 2 안테나를 동일 평면상에 규칙적인 간격으로 면 배열 또는 선 배열하는 단계 중 하나 이상의 단계를 추가로 포함할 수도 있다. 여기서, 면 배열은, 도 3을 참조하면, 원형 배열 및 다각형 배열 등에서 하나일 수 있다.

또한, 도 7을 참조하여 전술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 추정 방법은, 제 1 다중 안테나 및 제 2 다중 안테나 중 하나 이상의 다중 안테나의 자세 를 보정하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.

전술한 다중 안테나의 자세를 보정하는 단계는, 도 12 및 도 13을 참조하면, 제 1 다중 안테나 및 제 2 다중 안테나 중 하나 이상의 다중 안테나의 배열 면의 수직 방향에 대한 방위각(Azimuth) 및 고도각(Elevation) 중 하나 이상을 조정함으로써 자세를 보정할 수도 있다.

도 8은, 이상에서 전술한 패킷 전송 및 거리 추정을 예시적으로 간략화하여 설명하기 위한 도면으로서, 제 2 다중 안테나를 포함하는 본 발명에 따른 제 2 송수신 장치(820)와 1개의 고정 안테나를 가지는 종래 기술의 제 1 송수신 장치(810) 간의 패킷 전송 및 거리 추정을 설명하기 위한 도면이다. 단, 편의상, 제 2 송수신 장치(820)에서 거리 및 위치 추정기는 생략한다.

먼저, RSSI(Received Signal Strength)을 이용한 거리 추정 기술을 도 8에 도시된 시스템에 적용하면, 수신신호 세기(RSSI: Received Signal Strength) 측정에 의해 2개의 송수신기 장치(810, 820) 간의 거리를 추정하기 위해, 제 1 송수신기가 시간 간격을 두고 2번의 비콘 패킷(Beacon Packet)을 고정 안테나(ANT 11)을 통해 송신하고, 제 2 송수신기는 첫 번째 비콘 패킷을 ANT 21을 통해 수신(SW 2는 ANT 21에 연결됨)한다. 이때, 제 2 송수신 장치(820)는 첫 번째 비콘 패킷의 수신신호 세기(RSSI)를 측정한다.

첫 번째 비콘 패킷이 종료된 것을 확인 후 제 2 송수신 장치(820)는 SW 2를 ANT 21에서 ANT 22로 전환한다. 제 2 송수신기는 제 1 송수신기에서 송신된 두 번째 비콘-패킷을 ANT 22를 통해 수신한다. 이때, 제 2 송수신 장치(820)는 두 번째 비콘 패킷의 수신신호 세기(RSSI)를 측정한다.

이때, 제 2 송수신 장치(820)에 포함된 제 2 다중 안테나(ANT 21, ANT 22)에 대한 자세 보정이 되지 않아, ANT 11과 ANT 21간의 거리 1과 ANT 11과 ANT 22간의 거리 2에 차이가 있는 경우에는, 제 2 송수신 장치(820)에서 측정된 2개의 수신 비콘 패킷의 수신신호 세기(RSSI)의 차이가 발생할 수 있다. 제 2 송수신 장치(820)는 이렇게 측정된 2개의 수신신호 세기(RSSI)를 이용해 제 1 송수신 장치(810)까지의 평균 거리(송수신 장치 간 평균 거리)를 계산할 수 있다. 또한, 제 2 송수신 장치(820)는 이렇게 측정된 2개의 수신신호 세기(RSSI)를 이용해, 거리 1과 거리 2의 차이 값에 의해 ANT 21 과ANT 22를 연결하는 선(3차원적으로는, 배열 면임)의 수직방향에 대한 제 1 송수신 장치(810)의 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)에 대한 추정(계산)이 가능하다.

도 8을 참조하면, 제 1 송수신기는 2개의 비콘 패킷을 반복해서 송신할 수 있고 제 2 송수신기는 반복적으로 안테나를 ANT 21과 ANT 22를 전환해 가며 수신한 후 각각의 안테나를 통해 수신된 비콘 패킷에 대한 수신신호 세기들의 평균을 취하여 수신신호 세기(RSSI) 추정치의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

한편, 도 8을 참조하면, 송수신 방향을 바꾸어, 제 2 송수신기가 첫 번째 비콘 패킷을 ANT 21을 통하여 송신하고 두 번째 비콘 패킷은 ANT 22을 통하여 송신할 수 있다. 그러면, 제 1 송수신기는 ANT 11을 통해 2개의 비콘 패킷을 모두 수신하고, 제 1 송수신 장치(810)는 제 1 송수신기에서 수신된 2개의 비콘 패킷에 대한 수신신호 세기(RSSI)를 이용해, 상기와 마찬가지 방법으로, ANT 11과 ANT 21 간의 거리 1과 ANT 11과 ANT 22 간의 거리 2를 계산하여 제 2 송수신 장치(820) 까지의 평균 거리(송수신 장치 간 평균 거리)를 계산할 수 있다. 또한, 제 1 송수신 장치(810)는 제 1 송수신기에서 수신된 2개의 비콘 패킷에 대한 수신신호 세기(RSSI)를 이용해, 거리 1과 거리 2의 차이 값에 의해, ANT 21과 ANT 22를 연결하는 선(제 2 다중 안테나의 배열 면)의 수직방향에 대한 제 1 송수신 장치(810)의 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)에 대한 추정(계산)이 가능하다.

한편, 2개의 송수신 장치 간의 거리만을 측정한 경우, 상대방 송수신 장치까지의 거리만 알 수 있으므로, 위치까지 파악하기 위해서는 위치를 알고 있는 다른 송수신 장치가 측정한 거리 정보를 받아 삼각측량법을 사용해야 상대방 송수신 장치의 위치 파악이 가능해 진다. 거리 정보(송수신 장치 간 거리)와 동시에 전파의 입사 방향(전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival))을 알게 되면 이 정보만 가지고 곧바로 상대방 위치를 파악할 수 있게 되므로 매우 유용한 기술이 된다.

도 9는 도 8에서의 패킷 전송 및 거리 추정을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 9는, 도 8에 도시된 환경에서의 패킷 전송을 타이밍 적으로 나타낸 것으로서, 도 7에 도시된 전술한 전파도달 지연시간(ToA: Time of Arrival)을 이용한 거리 추정 방법도 도 9를 참조하여 다시 설명한다.

도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 제 1 송수신기는 첫 번째 비콘 패킷(P1)을 ANT 11을 통해 송신하고 제 2 송수신기는 첫 번째 비콘 패킷(P1)을 ANT 21을 통해 수신(SW2는 ANT 21에 연결됨)한다. 첫 번째 비콘 패킷(P1)의 수신이 시작된 시점으 로부터 일정시간(T) 경과 후, 제 2 송수신기는 ANT 21을 통해 첫 번째 비콘 패킷(P1)에 대한 첫 번째 응답 패킷(R1)을 송신하고, 제 1 송수신기는 ANT 1을 통해 첫 번째 응답 패킷(R1)을 수신한다.

도 9의 (a)를 참조하면, 제 1 송수신 장치(810)는 첫 번째 비콘 패킷(P1)의 송신을 시작한 시점(송신 시간)으로부터 첫 번째 응답 패킷(R1)의 수신이 시작된 시점(수신 시간)까지의 왕복 시간 1(RTT 1)을 계산하고, 계산된 왕복 시간(RTT 1)에서 일정시간(T)을 뺀 나머지 값에 빛의 속도(신호 전파 속도)를 곱한 후 2로 나누면 전파도달 지연시간(ToA: Time of Arrival)에 의한 송수신기 장치 간 거리 1이 구해진다.

도 9의 (a)를 참조하면, 이후, 제 1 송수신기는 두 번째 비콘 패킷(P2)을 ANT 11을 통해 송신하고 제2 송수신기는 두 번째 비콘 패킷(P2)을 ANT 22를 통해 수신(SW 2는 ANT 22에 연결됨)한다. 두 번째 비콘 패킷(P2)의 수신이 시작된 시점으로부터 일정시간(T) 경과 후 제 2 송수신기는 ANT 22을 통해 두 번째 응답 패킷(R2)을 송신하고 제 1 수신기는 ANT 11을 통해 두 번째 응답 패킷(R2)을 수신한다.

도 9의 (a)를 참조하면, 제 1 송수신 장치(810)는 두 번째 비콘 패킷(P2)의 송신을 시작한 시점(송신 시간)으로부터 두 번째 응답 패킷(R2)의 수신이 시작된 시점(수신 시간)까지의 왕복 시간 2(RTT 2)를 계산하고, 계산된 왕복 시간 2(RTT 2)에서 일정시간(T)를 뺀 나머지 값에 빛의 속도(신호 전파 속도)를 곱한 후 2로 나누면 전파도달 지연시간(ToA: Time of Arrival)에 의한 송수신기 장치 간 거리 2 가 구해진다.

전술한 방식으로, 구해진 송수신 장치 간 거리 1과 거리 2의 평균에 의해 제 1 송수신 장치(810)로부터 제 2 송수신 장치(820)까지의 평균거리를 추정할 수도 있다.

전술한 방식으로, 구해진 송수신 장치 간 거리 1과 거리 2의 차이 값에 의해, ANT 21과 ANT 22를 연결하는 선의 수직방향에 대한 제 1 송수신 장치(810)의 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)에 대한 계산이 가능하다.

또한, 제 2 송수신 장치(820)는 첫 번째 비콘 패킷(P1) 및 두 번째 비콘 패킷(P2)을 수신하여 수신신호 세기를 측정하고, 이를 토대로, 수신신호 세기(RSSI: Received Signal Strength Indicator)를 이용한 거리 추정 기술로서, 제 1 송수신 장치(810)와의 거리 또는 평균 거리 등을 추정할 수도 있다.

송수신 방향을 바꾸어 나타낸, 도 9의 (b)를 참조하면, 제 2 송수신 장치(820)의 제 2 송수신기가 첫 번째 비콘 패킷(P1)을 ANT 21을 통하여 송신하고, 두 번째 비콘 패킷(P2)은 ANT 22을 통하여 송신한다. 이 경우도 도 9의 (a)와 마찬가지의 방식에 의해 송수신 장치 간 거리 1과 거리 2를 계산하고, 이를 토대로 제 2 송수신 장치(820)로부터 제 1 송수신 장치(810)까지의 평균 거리(송수신 장치 간 거리)와 제 1 송수신 장치(810)의 방향 값(전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival))을 계산할 수 있다.

도 10은, 도 8 및 도 9에서의 패킷 전송 및 거리 추정을 좀 더 확장하여 설명하기 위한 도면으로서, 제 1 송수신 장치(1010) 및 제 2 송수신 장치(1020)가 각 각 2개씩의 안테나를 포함한 제 1 다중 안테나 및 제 2 다중 안테나를 사용한 실시 예이다.

도 11은 도 10에 도시된 환경에서의 패킷 전송을 타이밍 적으로 나타낸 것으로서, 도 7에 도시된 전술한 전파도달 지연시간(ToA: Time of Arrival)을 이용한 거리 추정 방법도 도 11을 참조하여 다시 설명한다.

도 11을 참조하면, 제 1 송수신 장치(1010)의 제 1 송수신기의 ANT 11과 제 2 송수신 장치(1020)의 제 2 송수신기의 ANT 21 간에 첫 번째 비콘 패킷(P1)과 응답 패킷(R1)을 교환하고, 제 1 송수신기의 ANT 11과 제 2 송수신기의 ANT 22 간에 두 번째 비콘 패킷(P2)과 응답 패킷(R2)을 교환하고, 제 1 송수신기의 ANT 12와 제 2 송수신기의 ANT 21 간에 세 번째 비콘 패킷(P3)과 응답 패킷(R3)을 교환하고, 그리고 제 1 송수신기의 ANT 12와 제 2 송수신기의 ANT 22 간에 네 번째 비콘 패킷(P4)과 응답 패킷(R4)을 교환 한 후, 도 9를 참조하여 송수신 장치 간 거리를 계산하는 방식에 따라, 송수신 장치 간 거리 11(ANT 11과 ANT 21간의 거리), 송수신 장치 간 거리 12(ANT 11과 ANT 22간의 거리), 송수신 장치 간 거리 21(ANT 12과 ANT 21간의 거리), 그리고 송수신 장치 간 거리 22(ANT 12과 ANT 22간의 거리)를 추정할 수 있고, 또한 이들 값을 평균하여 송수신 장치 간 평균 거리 또는 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 계산할 수도 있다.

또한, 제 2 송수신 장치(1020)는 첫 번째 비콘 패킷(P1), 두 번째 비콘 패킷(P2), 세 번째 비콘 패킷(P3) 및 네 번째 비콘 패킷(P4)을 수신하여 수신신호 세기를 측정하고, 이를 토대로, 수신신호 세기(RSSI: Received Signal Strength Indicator)를 이용한 거리 추정 기술로서, 제 1 송수신 장치(1010)와의 거리 또는 평균 거리 등을 추정할 수도 있다.

도 10 및 도 11에서는 2개의 송수신 장치가 2개씩의 안테나를 가진 것으로 도시하고 그에 대한 패킷 전송 및 거리 추정 방법을 설명하였으나, 2개의 송수신 장치가 각각 n개와 m개 (n과 m은 자연수)의 안테나를 사용한 경우에도 동일한 방법으로 개념 확장이 가능하다.

도 14는 3개의 송수신 장치를 이용하여 송수신 장치 간의 위치를 추정하는 도면이다.

도 14를 참조하면, 3개의 송수신 장치(1410, 1420, 1430)를 사용해 송수신 장치 상호 간의 위치를 추정하게 되면, 상호 위치정보 교환에 의해 더욱 향상된 위치 추정이 가능해 지며, 특히 일부 송수신 장치 간에 음영(Shadow) 지역이 존재하는 경우에도 다른 송수신 장치가 이를 보완 할 수 있게 되어, 높은 정확도의 위치 추정이 가능해진다.

이상에서 전술한 본 발명에 의하면, 송수신 장치마다 스위칭 가능한 다중 안테나를 사용함으로써, 단일 안테나만을 사용한 송수신 장치들로 구성된 시스템의 결과에 비해, 시간 다이버시티(Time Diversity) 및 공간 다이버시티(Space Diversity) 효과 및 안테나 간 밸런스 효과 등에 의해 개선된 정확도의 거리 추정을 가능하게 하는 효과가 있다. 특히, 다중 경로(Multipath) 페이딩에 의한 문제를 많이 발생시킬 수 있는 실내에서 거리를 추정하는 경우 탁월한 거리 추정 정확도를 보일 수 있다.

또한, 시간 다이버시티(Time Diversity) 및 공간 다이버시티(Space Diversity)를 위해 다수의 안테나를 이용하는 종래 송수신 장치는 안테나 개수만큼 송수신기가 필요하기 때문에 시스템이 매우 복잡하다는 문제점이 있으나, 본 발명에 의하면, 송수신기 한 개에 대해 다중 안테나를 포함하도록 설계함으로써, 송수신 장치의 구조가 매우 간단해지는 장점이 있다. 특히, 송수신기 한 개에 대해 다중 안테나를 포함하는 구조로 인해, 제작비용을 낮출 수 있고, 송수신 장치의 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다. 이로 인해, 근거리 무선 통신(WPAN: Wireless Personal Area Network)에 적용하기 용이하다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 송수신 장치마다 스위칭 가능한 다중 안테나를 사용함으로써, 상대방 송수신 장치와의 거리뿐만 아니라, 방향도 함께 추정하여 상대방 송수신 장치에 대한 3차원에서의 위치를 파악할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 송수신 장치마다 사용되는 스위칭 가능한 다중 안테나의 배열 면의 자세 보정을 통해, 송수신 장치 간 거리 추정의 정확도를 추가적으로 향상시키는 효과가 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아 니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래의 송수신 장치를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 송수신 장치를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 다중 안테나의 구조를 예시적으로 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 패킷 전송 및 거리 추정을 설명하기 위해 2개의 송수신 장치를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 패킷 전송 방법에 대한 흐름도,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 추정 방법에 대한 흐름도,

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 추정 방법에 대한 흐름도,

도 8은 본 발명의 송수신 장치와 종래의 송수신 장치 간의 패킷 전송 및 거리 추정을 설명하기 위한 도면,

도 9는 도 8에서의 패킷 전송 및 거리 추정을 예시적으로 설명하기 위한 도면,

도 10은 본 발명에 따른 송수신 장치 간의 패킷 전송 및 거리 추정을 설명하기 위한 도면,

도 11은 도 10에서의 패킷 전송 및 거리 추정을 예시적으로 설명하기 위한 도면,

도 12은 본 발명에 따른 송수신 장치에 대한 자세 보정을 2차원적으로 나타낸 도면,

도 13은 본 발명에 따른 송수신 장치에 대한 자세 보정을 3차원적으로 나타 낸 도면,

도 14는 3개의 송수신 장치를 이용하여 송수신 장치 간의 위치를 추정하는 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

200: 송수신 장치

210: 다중 안테나

220: 스위치

230: 송수신기

240: 거리 및 위치 추정기

Claims (5)

1. 송수신 장치에 있어서,

   n(n≥2)개의 안테나를 일직선상에 배열한 선형배열(Linear Array) 구조이거나, 동일 평면상에 규칙적으로 배치된 면 그리드 배열(Planar Grid Array) 구조인 다중 안테나;

   상기 n개의 안테나의 배열 면의 수직 방향에 대한 방위각(Azimuth) 및 고도각(Elevation) 중 하나 이상이 기계적(Mechanically)으로 조정됨으로써 안테나 배열면의 방향(자세)이 보정되는 안테나 어셈블리(Antenna Assembly);

   상기 n개의 안테나 중 하나의 안테나를 선택하는 스위치;

   상기 스위치로 선택된 하나의 안테나를 통해 패킷을 송수신하는 송수신기; 및

   상기 패킷의 송수신시, 수신신호의 세기 및 송수신기간 이격거리에 따른 전파 지연시간 중 하나 이상을 측정하여, 상기 수신신호의 세기 및 상기 송수신기간 이격거리에 따른 전파 지연시간 중 하나 이상에 근거하여 상대방 송수신 장치와의 거리 및 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 거리 및 위치 추정기

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신 장치.
2. 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법에 있어서,

   (a) n개의 제 1 안테나를 포함하는 제 1 다중 안테나, 제 1 스위치 및 제 1 송수신기를 포함하는 제 1 송수신 장치와, m개의 제 2 안테나를 포함하는 제 2 다중 안테나, 제 2 스위치 및 제 2 송수신기를 포함하는 제 2 송수신 장치를 준비하는 단계;

   (b) 상기 제 1 스위치는 상기 n개의 제 1 안테나 중 하나의 제 1 안테나로 스위칭 하고, 상기 제 2 스위치는 상기 m개의 제 2 안테나 중 하나의 제 2 안테나로 스위칭 하는 단계;

   (c) 상기 제 1 송수신기는 상기 스위칭 된 제 1 안테나를 통해 패킷을 송신하고, 상기 제 2 송수신기는 상기 스위칭 된 제 2 안테나를 통해 상기 패킷을 수신하는 단계;

   (d) 상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 다음 순서의 안테나로 스위칭 하며, 상기 단계 (b) 및 상기 단계 (c)를 반복적으로 수행하는 단계;

   (e) 상기 제 2 송수신 장치가 상기 수신된 패킷마다 측정된 상기 수신신호 세기에 근거하여 상기 제 1 송수신 장치와의 거리를 추정하고, 상기 수신된 패킷 마다 추정된 복수 개의 상기 제 1 송수신 장치와의 거리를 평균하여 상기 제 1 송수신 장치와의 평균 거리를 획득하는 단계;

   (f) 상기 제 2 송수신 장치가 상기 수신된 패킷마다 측정된 상기 수신신호 세기에 근거하여 추정된 상기 제 1 송수신 장치와의 거리를 토대로, 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 추정하는 단계; 및

   (g) 상기 제 2 송수신 장치가 상기 제 1 송수신 장치와의 거리 및 상기 전파 도달 방향에 근거하여 상기 제 1 송수신 장치에 대한 위치를 추정하는 단계를 포함하되,

   상기 n 및 상기 m 중 하나 이상은 2 이상인 것을 특징으로 하는 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 제 1 다중 안테나 및 상기 제 2 다중 안테나 중 하나 이상의 다중 안테나의 배열 면의 수직 방향에 대한 방위각(Azimuth) 및 고도각(Elevation) 중 하나 이상을 기계적(Mechanically)으로 조정하면서 상기 안테나 별 거리측정치가 동일한 값이 되도록 밸런스(Balance)가 되는 방위각 및 고도각을 추적(Tracking)하여 최종적으로 안테나 배열면이 상대방 송수신기 방향을 향하도록 안테나 배열면의 방향(자세)을 보정함으로써 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 보다 정확하게 추정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법.
4. 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법에 있어서,

   (a) n개의 제 1 안테나를 포함하는 제 1 다중 안테나, 제 1 스위치 및 제 1 송수신기를 포함하는 제 1 송수신 장치와, m개의 제 2 안테나를 포함하는 제 2 다중 안테나, 제 2 스위치 및 제 2 송수신기를 포함하는 제 2 송수신 장치를 준비하 는 단계;

   (b) 상기 제 1 스위치는 상기 n개의 제 1 안테나 중 하나의 제 1 안테나로 스위칭 하고, 상기 제 2 스위치는 상기 m개의 제 2 안테나 중 하나의 제 2 안테나로 스위칭 하는 단계;

   (c) 상기 제 1 송수신기는 상기 스위칭 된 제 1 안테나를 통해 패킷을 송신하고, 상기 제 2 송수신기는 상기 스위칭 된 제 2 안테나를 통해 상기 패킷을 수신하는 단계;

   (d) 상기 제 2 송수신기는 상기 패킷을 수신한 시각(수신 패킷 시작 시점)으로부터 일정시간(T) 경과 후, 상기 스위칭 된 제 2 안테나를 통해 상기 패킷에 대한 응답 패킷을 송신하고, 상기 제 1 송수신기는 상기 스위칭 된 제 1 안테나를 통해 상기 응답 패킷을 수신하는 단계;

   (e) 상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 다음 순서의 안테나로 스위칭 하며, 상기 단계 (b)로부터 단계 (d)까지를 반복적으로 수행하는 단계;

   (f) 상기 제 1 송수신 장치는 상기 패킷의 송신 시작 시점부터 상기 응답 패킷의 수신 시작 시점까지의 경과 시간을 이용해 전파의 총 왕복 시간을 계산하고, 상기 계산된 왕복 시간에서 상기 일정시간(T)을 뺀 값에 신호 전파 속도를 곱한 후 2로 나눈 값을 상기 제 2 송수신 장치와의 거리로 추정하는 단계;

   (g) 상기 제 2 송수신 장치가 상기 제 1 송수신 장치와의 거리 및 상기 전파 도달 방향에 근거하여 상기 제 1 송수신 장치에 대한 위치를 추정하는 단계;

   (h) 패킷별로 추정된 상기 제 2 송수신 장치와의 거리를 모두 평균하여 상기 제 2 송수신 장치와의 평균 거리를 획득하는 단계;

   (i) 상기 제 1 송수신 장치가 상기 모든 패킷에 대하여 패킷별로 추정된 상기 제 2 송수신 장치와의 거리를 토대로, 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 추정하는 단계; 및

   (j) 상기 제 1 송수신 장치가 상기 제 2 송수신 장치와의 거리 및 상기 전파 도달 방향에 근거하여 상기 제 2 송수신 장치에 대한 위치를 추정하는 단계를 포함하되,

   상기 n 및 상기 m 중 하나 이상은 2 이상인 것을 특징으로 하는 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 제 1 다중 안테나 및 상기 제 2 다중 안테나 중 하나 이상의 다중 안테나의 배열 면의 수직 방향에 대한 방위각(Azimuth) 및 고도각(Elevation) 중 하나 이상을 기계적(Mechanically)으로 조정하면서 상기 안테나 별 거리측정치가 동일한 값이 되도록 밸런스(Balance)가 되는 방위각 및 고도각을 추적(Tracking)하여 최종적으로 안테나 배열면이 상대방 송수신기 방향을 향하도록 안테나 배열면의 방향(자세)을 보정함으로써 전파 도달 방향(AoA: Angle of Arrival)을 보다 정확하게 추정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 송수신 장치 간의 거리 또는 상대방 송수신기의 위치를 추정하는 방법.

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