KR20100117634A - 모바일 디바이스들을 포지셔닝하는 방법 및 모바일 디바이스들을 포지셔닝하는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 모바일 통신 분야에서 WiMAX 로케이션에 대한 다운링크 프리앰블 패스트 검출(짧게는 DPFD) 로케이션의 방법 및 장치가 제공된다. 상기 방법은: 이동국들(짧게는 MSS)이 기지국 BS로부터 수신된 다운링크 프리앰블들을 검출하는 단계를 포함하고, 이들 다운링크 프리앰블들은 시분할 듀플렉스 TDD 모드의 모바일 WiMAX에 의해 동기화된다. 상이한 BS들의 프리앰블들에 대한 도착 시간차(짧게는 TDoA)는 프리앰블 동기 검출에 의해 얻어지고, 정확한 로케이션은 종래의 TDoA 산술에 의해 산출된다. 본 발명의 예는 업링크 레인징 프로세스에 의해 어시스트되는 다운링크 프리앰블 검출을 사용함으로써 모바일 사용자 디바이스의 로케이션을 측정하는 새로운 모드를 개시한다. 모바일 WiMAX가 국제 전화통신 협회(짧게는 ITU)에 의해 공식적으로 3G 표준으로서 받아들여지고, 대중적이며, WiMAX에 기초한 로케이션 서비스는 시장성이 있을 것이다.

Description

모바일 디바이스 로케이션의 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF MOBILE DEVICE LOCATION}

본 발명은 모바일 통신 분야에 관한 것으로, 특히 모바일 WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) 분야에 관한 것이며, 보다 특별히는, 모바일 WiMAX 시스템에서 모바일 디바이스들을 포지셔닝(positioning)하는 장치 및 모바일 디바이스들을 포지셔닝하는 방법에 관한 것이다.

포지셔닝은 모바일 디바이스로 하여금 그것의 포지션에 관한 정보를 모으거나, 정확한 특정 포지션을 제공할 수 있게 한다. 이 기술은, 위치기반 과금(location-sensitive billing), 플리트 트래킹(fleet tracking), 패키지(package) 및 개인 트래킹(personal tracking), 모바일 옐로우 페이지들(mobile yellow pages), 로케이션 기반의 메시징(location-based messaging), 경로 안내(route guidance)를 포함하고, 교통 정보를 제공하는 많은 신규한 개념들 및 서비스들을 제시한다. 포지셔닝은 이미 GSM 및 3G 네트워크들에서 적용되어있으며, 그것은, 차세대 무선 시스템들의 가장 장래성이 있고 중요한 특징들 중 하나일 수 있다.

WiMAX 시스템은 WiMAX 포럼이라고 하는 산업 컨소시엄에 의해 지원되는 표준들의 IEEE 802.16 패밀리(family)의 기술들에 기초한다. 표준들의 IEEE 802.16 패밀리는 멀티미디어 서비스들을 지원하는 고정 및 모바일 광대역 무선 액세스(broadband wireless access: BWA) 시스템들의 무선 인터페이스(air interface)를 지정한다. 이미 802.16d 또는 802.16-REVd라고 불리었던 IEEE 802.16-2004 표준은 2004년 10월에, 참조 "지방 및 대도시 지역 네트워크들에 대한 IEEE 표준, Part 16: 고정된 광대역 무선 액세스 시스템들에 대한 무선 인터페이스" IEEE 802.16e에서, 고정된 액세스에 대해 공개되었다. 그리고, 상기 표준은 이제 업데이트되고, 모바일 액세스, 모바일 WiMAX에 대한 802.16e 표준까지 확장되었다. 그러므로, 모바일 WiMAX는 포지셔닝에 의해 소개되는 이들 서비스들을 제공하기 위해 하나의 인기 있는 후보 플랫폼이다. 모바일 WiMAX 시장에서 새로운 포지션 경쟁 서비스(Position Computation Services: PCS) 서비스 제공자들의 도입으로, 소비자들을 매료시키기 위해 서비스 제공자들 사이에서 경쟁이 증가될 것으로 예상된다. 하지만, 우리의 인식이 미치는 한, 모바일 WiMAX 포지셔닝에 대한 실현가능한 솔루션이 존재하지 않는다.

가장 광범위하게 사용되는 로케이션 기술들은 이동국(Mobile Station: MS)과 BS들의 세트 사이에서 무선 신호들(radio signals)을 측정함으로써 MS를 로케이트하려고 시도하는 무선 로케이션 시스템들(radio location systems)이다. 무선 로케이션 시스템들은 신호 세기, 도착 앵글(angle of arrival: AoA), 도착 시간(ToA), 도착 시간차(TDoA) 또는 그것들의 조합들에 기초할 수 있다. 그리고, 그것은 두가지 접근법들: 네트워크 기반 및 단말 기반으로서 분류될 수 있다. 네트워크 기반의 접근법에 대해, BS들은 MS에 의해 전송되는 신호들을 측정하고, 그것들을 프로세싱하기 위한 중앙 사이트(central site)에 중개하고, 반면에, 단말 기반의 접근법에 대해, MS는 그 자신의 포지션을 계산하도록 BS들에 의해 전송되는 신호들을 사용한다. 여러 가지 공지된 포지셔닝 방법들이 아래에서 설명될 것이다.

공지된 접근법 1 : GPS

GPS(Global Positioning System)는 미국 국방성에 의해 궤도(orbit)에 놓여진 24개의 위성들의 네트워크로 구성된 위성 기반의 내비게이션 시스템이다. GPS 수신기는 2D 포지션(위도 및 경도) 및 트랙 움직임(track movement)을 계산하기 위해 적어도 3개의 위성들의 신호에 로크 온(lock on)되어야 한다. 시야에서 4개 이상의 위성들로, 수신기는 사용자의 3D 포지션(위도, 경도, 및 고도)을 결정할 수 있다. GPS는 ToA 기술에 기초하고, 위성 신호들의 시선(line-of-sight: LOS) 전파를 필요로 한다. 불행히도, 모든 MS가 GPS 성능들을 갖는다는 것은 실현불가능하다. 그러므로, GPS 기반의 기술은 본 목적의 범위에서 벗어난다.

공지된 접근법 2: 신호 세기

신호 세기를 사용하는 무선 로케이션은 거리에 대한 경로 손실 경감을 설명하는 공지된 수학적인 모델을 사용하는 잘 알려진 로케이션 방법이다. 신호 세기의 측정이 MS와 BS 사이의 거리 추정을 제공하므로, MS는 BS에 중심을 둔 원(circle) 상에 놓일 것이다. 다중 BS들을 사용함으로써, MS의 로케이션이 결정될 수 있다.

신호 세기 기반의 로케이션 시스템들에 대해, 기본적인 에러 소스는 다중경로 패이딩(multipath fading) 및 쉐도윙(shadowing)이다. 신호 세기의 변량들은 대략 반파장의 거리들에 대해 30-40dB만큼 크게 될 수 있다. 신호 세기는 RSSI(Receive Signal Strength Indicator)에 의해 나타내질 수 있다. 그리고, MS는 다운링크 버스트 프리앰블들(downlink burst preambles)로부터 RSSI 측정치를 얻을 수 있다. 일련의 RSSI 측정치들로부터, MS는 RSSI의 표준 편차 및 평균의 추정치들을 유도 및 업데이트하고, 그것들을 REP-RSP 메시지들을 통해 보고한다. 하지만, RSSI가 양자화된 값(quantized value)이므로, 많은 에러들이 발생될 수 있다. 요약하면, 셀 기반의 모바일 네트워크들에서 신호 세기 포지셔닝 접근법의 어플리케이션 시나리오가 거의 존재하지 않는다.

공지된 접근법 3: AoA

AoA 기술은 안테나 어레이들의 사용을 통해 여러 개의 BS들에서 MS로부터 신호의 도착 앵글들을 우선 측정함으로써 MS 로케이션을 추정한다. 하지만, LoS 신호 성분의 부재시에, 안테나 어레이는 MS의 방향으로부터 기인할 수 없는 반사된 신호(reflected signal)에 로크-온할 것이다. LoS 성분이 존재할지라도, 다중 경로는 여전히 앵글 측정을 방해할 것이다. 어레이 안테나들이 사용될 때 BS에서 8개의 안테나들이 필요하며, 그것은, 공학적인 곤란함을 증가시킨다. 어레이 안테나가 NLoS에 대해 적합하지 않으므로, 모바일 WiMAX는 일반적으로 어레이 안테나 기술을 사용하지 않는다.

공지된 접근법 4: 시간 기반의 접근법: ToA 및 TDoA

시간 기반의 접근법은, MS에 의해 전송되고, 다중 BS들에서 수신된 신호의 ToA들 또는 TDoA, 또는 MS에 의해 다중 BS들에서 수신된 신호의 TDoA 또는 ToA를 추정하는 것에 기초한다. ToA 접근법에서, MS와 BS 사이의 거리는 MS와 BS 사이의 단방향 전파 시간을 찾음으로써 측정된다. 기하학적으로, 이것은, MS가 놓여야 하는 BS에 중심을 둔 원, 즉 회로의 반경이 MS와 BS 사이의 거리인 원을 제공한다. 불명료성들(ambiguities)을 해소하기 위해 적어도 3개의 BS들을 사용함으로써, MS의 포지션은 원들의 교차(intersection)에 의해 제공된다. 도 1은 ToA 포지셔닝 방법을 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, MS와 BS1, BS2, BS3 사이의 거리는 각각 R1, R2, R3이다. 상술한 정의에 따라, MS는 각각 BS1, BS2, BS3에 중심을 둔 원들에 놓여야 하고, 그것의 반경은 R1, R2, R3이고, 그래서, 3개의 원들의 교차 지점은 MS의 포지션이다.

TDoA 접근법에서, 도착 시간들의 차이들이 사용된다. 쌍곡선이 두 개의 BS들의 도착에 대한 일정한 시간차의 곡선이므로, 시간차들은, MS가 놓여야 하는, BS들에서 초점을 갖는 쌍곡선들을 정의한다. 그래서, MS의 로케이션은 쌍곡선들의 교차에 있다. 도 2는 TDoA 포지셔닝 방법을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 실선은 쌍곡선이고, 그것의 초점은 BS1 및 BS3이며, 그것의 일정한 시간차는 MS에서 BS1로의 거리와 MS에서 BS3로의 거리 사이의 거리 차이(R1-R3)이다. 점선은 쌍곡선이고, 그것의 초점은 BS1 및 BS2이고, 그것의 일정한 시간차는 MS에서 BS1로의 거리와 MS에서 BS2로의 거리 사이의 거리 차이이다. 상기된 정의에 따라 MS는 실선 쌍곡선과 점선 쌍곡선의 교차 지점에 놓여야 한다.

LoS 전파 조건들이 시간 기반의 방법에 대해 높은 정확성을 달성하기 위해 필요함에 유의해야 한다. 하지만, 그것은 AoA 및 신호 세기와 같은 다른 방법론들에 비하여, ToA 및 TDoA에 대해 그렇게 민감하지 않다. 더구나, 윌리(Wylie)의 추정 1 "The None-Line-of-Sight Problem in Mobile Location Estimation", IEEE Trans.Aerosp. Electron. Syst. Vol16, 페이지 748 내지 753과 같이, LOS로부터 NLOS를 어떻게 구별하는지에 대한 많은 논문들 및 제안들이 존재한다. 그러므로, 본 발명의 나머지에서, 우리는 모바일 WiMAX 시스템에 대해 TDoA를 어떻게 적용하는지를 제안할 것이다.

본 발명은 다운링크 프리앰블 패스트 검출(downlink preamble fast detection: DPFD)에 의한 WiMAX 포지셔닝 방법을 제공하고, 상기 방법은: 모바일 사용자 스테이션(MSS)이 BS들로부터 다운링크 프리앰블들을 검출하는 단계로서, 그것 모두가 TDD 모드에서 모바일 WiMAX에 의해 동기화되는, 상기 검출 단계; 상이한 BS의 프리앰블의 TDoA가 프리앰블 기반의 동기화 검출에 의해 얻어질 수 있는 단계; 및 정확한 로케이션이 고전적인 TDoA 알고리즘들을 통해 연산될 수 있는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 프리앰블 패스트 검출(preamble fast detection)시에 검출되는 3개 미만의 프리앰블들이 존재하면, URAD(Uplink Ranging Assistant detection) 접근법은 레인징(ranging)을 수행하기 위해 어시스턴트 데이터를 제공하도록 수행된다. 여기에서, MAC 관리 메시지를 사용하는 측정 시그널링은 레인징을 행하는데 사용된다. MSS는 URAD 방법에서 TDoA 연산을 위한 동안 부가적인 지연 측정치들을 얻기 위해 서빙(serving)/앵커(anchor) BS로 레인징을 행한다. 1 라운드 트립 지연(round trip delay: RTD)에 대해 두 가지 가능한 루트들(roots)이 존재하는 경우에, 셀 ID 또는 섹터 ID 정보는 셀/섹터에 대한 하나의 정확한 루트를 선택하는데 사용된다. 그리고, 1 라운드 트립 지연(RTD)에 대해 두 가지 가능한 루트들이 존재하는 경우에, 두 개의 루트들이 동일한 셀/섹터에 있으면, 두 개의 루트들의 중간 지점이 추정된 포지션으로서 선택된다.

바람직하게는, 다운링크 동기화 및 업링크 전송 파라미터들이 획득된 후에, MSS는 이용가능한 레인징 영역으로부터 랜덤하게 선택된 레인징 슬롯에서 랜덤하게 선택된 레인징 코드를 전송한다.

바람직하게는, BS가 레인징 코드를 수신한 후에, 그것은 시간 수정들(Time Corrections)을 갖는 RNG-RSP 메시지를 전달하고, 지연 측정이 동시에 얻어진다.

바람직하게는, 단일(single)/라운드 트립 지연은 초기 레인징 또는 주기적인 레인징이 일어날 때 BS에 의해 얻어질 수 있고, BS는 그것의 메모리에 그러한 지연, 즉 가장 최근에 업데이트된 값을 저장하고, 그것을, 두 개의 프리앰블들이 MSS에서 검출될 때 하나의 시간 오프셋(one time offset)과 함께 로케이션 계산 서버(location computation server)에 전달한다.

바람직하게는, MOB_NBR-ADV에 의해 전달된 이웃 정보는 이웃 BS들의 프리앰블 검출 시간을 감소시키기 위해 가능한 앵커 Bs의 탐색 범위를 줄이는데 사용된다.

바람직하게는, IEEE 802.16e에서 OFDMA PHY용으로 설계된 프리앰블은 특정한 의사-노이즈(PN) 코드를 갖는 상승된(boosted) BPSK 변조를 사용하여 변조된다.

바람직하게는, 무빙-윈도우 기반의 프리앰블 검출(moving-window based preamble detection)이 TDoA 검출용으로 사용된다. 상기 TDoA 검출은 하나의 샘플 칩을 무빙시키는 단계; FFT 변환 단계; 및 로컬 후보 프리앰블 시리즈(local candidate preamble series)에 의해 이웃 BS 프리앰블과 상관시키는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 많은 NLoS 프리앰블들 및 두 개의 LoS 프리앰블들이 검출되면, 윌리 식별 방법(Wylie identification method)은 어느 신호가 NLoS인지를 식별하는데 사용되고; 업링크 레인징 정보뿐만 아니라 두 개의 LoS 신호들이 상기 URAD-TDoA 접근법을 통해 로케이션을 연산하는데 사용된다.

바람직하게는, 단지 하나의 LoS 프리앰블이 검출되거나, 단지 하나의 LoS가 NLoS 신호들로부터 재구성되면, 업링크 레인징 어시스턴트 셀/섹터 ID 접근법이 사용된다.

바람직하게는, 단지 하나의 LOS 프리앰블이 검출되는 경우들에 대해, 레인징 정보는 지름이 RTD인 원(circle)을 얻는데 사용되고; 셀 ID 및 섹터 ID는 포지셔닝을 어시스트하는데 사용된다. 섹터에서 아크(arc)의 중간이 추정된 포지셔닝으로서 사용된다.

바람직하게는, 일부 메시지들은 포지셔닝 서비스 개시 요청(positioning service initiation request)을 위한 CSN 측에 부가되고, 포지셔닝 서비스 절차의 전체 프로세스를 완성하도록 결과 보고한다. 상기 메시지들은 LOC_REQ, LOC_RSP, LOC_ENQ 메시지를 포함한다.

본 발명은 또한, 아래의 성분들, 즉 MSS에서 시간차 검출을 수행하는 PHY 레이어 모듈(layer module); 임의의 시그널링을 수행하고, 어플리케이션 레이어로부터의 포지셔닝 요청에 따라 채널 측정을 위한 후보들을 제공하는 MAC 레이어 모듈; 및 측정치들에 기초하여 포지셔닝 또는 선택적인 속도 계산(optional velocity computation)을 수행하는 어플리케이션 레이어 모듈로 구성되는, 모바일 WiMAX 포지셔닝을 위한 장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 MSS는 시간차를 MOB_SCN-RSP 메시지에 의해 현재 서비스/앵커 기지국에 보고한다.

바람직하게는, 채널 측정을 위한 상기 조건은 유휴 기간(idle period)이다.

바람직하게는, 포지셔닝 알고리즘은 CSN에서 로케이션 계산 서버에 실장된다.

바람직하게는, 포지셔닝 알고리즘은 MSS의 로케이션 관련 어플리케이션에 실장된다.

바람직하게는, 포지셔닝 알고리즘을 갖는 로케이션 계산 서버가 모바일 WiMAX에서 모든 포지셔닝 기반의 서비스들을 위한 의무적인 부분(mandatory part)이라고 가정한다.

본 발명의 실시예들은 업링크 레인징 어시스턴트 다운링크 프리앰블 검출(Uplink Ranging Assistant Downlink preamble detection)을 사용함으로써 모바일 사용자 장비의 로케이션을 측정하기 위해 새로운 방법을 제공한다. 본 발명은 지금까지 모바일 WiMAX에서 첫 번째 것이다. 모바일 WiMAX는 ITU에 의한 3G 표준들로서 인정되고, 세계적으로 대중적이므로, WiMAX에 기초한 포지셔닝은 시장 잠재력을 갖는 서비스이다.

도 1은 ToA 포지셔닝 방법을 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 TDoA 포지셔닝 방법을 개략적으로 도시하는 도면.
도 3은 모바일 WiMAX TDD 프레임 구조의 예를 도시하는 도면.
도 4는 모바일 WiMAX 네트워크 아키텍쳐를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 제안된 솔루션에서 기능 모듈들을 도시하는 도면.
도 6은 주파수 도메인에서 세그먼트 0에 대한 프리앰블 구조를 도시하는 도면.
도 7은 2048 FFT 사이즈에 대한 시간 도메인 구조를 도시하는 도면.
도 8a 및 도 8b는 각각 2048 FFT 사이즈 및 128 FFT 사이즈에 대한 시간 도메인에서 프리앰블의 절대적인 크기 값을 도시하는 도면.
도 9a 및 도 9b는 각각 2048 FFT 사이즈에 대한 자동 상관 출력 및 128 FFT 사이즈에 대한 자동 상관 출력을 도시하는 도면.
도 10a 및 도 10b는 상이한 FFT 사이즈에 대한 교차 상관 출력 값들을 도시하는 도면.
도 11은 무빙-윈도우 검출을 사용하는 교차 상관을 도시하는 도면.
도 12는 제안된 모바일 WiMAX 포지셔닝 솔루션을 도시하는 도면.
도 13은 서비스 BS의 TDoA 정보를 사용하는 URAD-TDoA 포지셔닝 접근법을 사용하는 도면.
도 14는 레인징 절차를 도시하는 도면.
도 15는 URA-Cell-ID 접근법을 도시하는 도면.
도 16은 네트워크 개시 사용자 어시스턴트 포지셔닝(network initiated user assistant positioning)을 도시하는 도면.
도 17은 사용자 개시 사용자 어시스턴트 포지셔닝(user initiated user assistant positioning)을 도시하는 도면.
도 18은 네트워크 개시 네트워크 어시스턴트 포지셔닝을 도시하는 도면.
도 19는 사용자 개시 네트워크 어시스턴트 포지셔닝을 도시하는 도면.
도 20은 팡의 알고리즘(Fang's algorithm)을 사용하는 DPFD와 LoS의 환경에서의 URAD-TDoA 사이의 성능 비교를 도시하는 도면.
도 21은 상이한 포지션 접근법들의 비교 예들을 도시하는 도면.

이제, 본 발명의 바람직한 실시예들이 도면들을 참조하여 설명된다. 그것의 예가 도면들에 도시되어 있다. 도면들을 통해, 동일한 도면번호가 동일한 요소를 나타낸다. 아래의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다.

1) 모바일 WiMAX 프레임 구조

모바일 WiMAX 시스템들은 시분할 듀플렉싱(time-division duplexing: TDD) 및 주파수분할 듀플렉싱(FDD)을 지원할 수 있다. 본 발명의 이 제안은 주로, TDD 모드에 집중하고, 그것의 물리적인 레이어는 적어도 패스트 BS 스위치(FBSS) 핸드오프 성능을 갖는 직교 주파수 분할 다중 액세스(Orthogonal Frequency Division Multiple Access: OFDMA) 기술에 기초한다. 이러한 시스템의 예는, 현재 802.16e 표준과 호환가능하고, 2006년 두 한국 오퍼레이터들에 의해 상업적으로 론칭된 WiBro이다. 도 3은 OFDMA를 사용하는 모바일 WiMAX TDD 프레임 구조의 예를 도시한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 프레임 구조는 제 1 OPDM 심볼 내의 프리앰블, DL PUSC 존(zone)과 DL_MAP의 리소스 할당을 위한 고정된 사이즈를 갖는 FCH, DL 및 UL 데이터 버스트들(data bursts)의 리소스 할당을 위한 DL_MAP 및 UL_MAP 메시지들, 데이터 또는 제어 메시지들을 위한 DL/UL 데이터 버스트들, 및 UL 승인(ACK) 및 CQI 피드백을 레인징하기 위한 UL 제어 채널들로 구성된다. 프리앰블 및 업링크 레인징은 본 발명의 제안된 URAD-TDoA 방식에서 사용된다. WiBro에 대해, 업링크에서 첫 번째 3개의 OFDMA 심볼이 2004년 10월 6일에 공개된 임형수의 TTAS.KO-06.0064R1 "WiBro PHY의 표준화 표준화 및 명세들(Standardization Standardization and Specifications of WiBro PHY"에 따라 레인징을 위해 보존(reserve)된다는 것에 유의하자. 하지만, 제안된 업링크 CDMA 레인징 코드 검출 방법은 여전히, WiBro뿐만 아니라, 도 3에 도시된 모바일 WiMAX 프레임 포맷에 대해 유용하다.

모바일 WiMAX는 일반적으로 마을(village)의 주파수 분할 듀플렉싱에서 주파수 분할을 사용하여, 복수의 BS가 하나의 MS로부터 신호를 수신하는 것이 불가능하다. TDoA가 모바일 WiMAX에서 사용될 때, 복수의 BS의 신호는 모바일 스테이션(MS)에 의해 측정되어야 한다. 다수의 신호 소스들에 대한 포지셔닝 방법의 전제조건은 다수의 신호 소스들의 동기화이다. OFDMA 및 TDD를 사용하기 때문에, 그것은 종종, IEEE 802.16e에서 GPS 수신기에 의해 BS를 동기화하고, 그것의 정확도는 대략 ns이다. WCDMA에서 BS의 동기화와의 차이는, 모바일 WiMAX 시스템에서 BS의 높고 정확한 동기화로 인해, 프리앰블에 기초하여 포지셔닝하는 것을 가능하게 한다. 모바일 WiMAX 시스템은 보다 넓은 대역폭(10Mhz, 20Mhz)을 사용하여, 보다 정확하게 포지셔닝하도록 보다 작은 시간 분해능(temporal resolution)을 갖게 한다.

2) 모바일 WiMAX 포지셔닝 아키텍쳐

도 4는 모바일 WiMAX 네트워크들의 아키텍쳐를 도시한다. 본 발명은 무선 인터페이스를 통해 사용자 단말 포지셔닝 절차들을 열거한다. 이들 동작들은 IEEE 802.16e-2005 표준으로 정의된 MAC 관리 메시지들(management messages)을 사용한다. 포지셔닝 서비스는 IMS 서비스들 중 하나로서 고려될 수 있다. 로케이션 계산 서버가 WiMAX 접속성 서비스 네트워크(Connectivity Service Network: CSN) 내에서 포지셔닝 서비스를 위한 하나의 성분이라고 가정한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 모바일 WiMAX 네트워크 아키텍쳐는 사용자 단말들, 액세스 서비스 네트워크, 및 접속성 서비스 네트워크(connectivity service network)를 포함한다. 사용자 단말들은 모바일 WiMAX 단말, 휴대용 WiMAX 단말, 고정 WiMAX 단말 등을 포함한다. 접속성 서비스 네트워크는 모바일 WiMAX 기지국 및 액세스 서비스 네트워크 게이트웨이(ASN-GW)를 포함한다. 모바일 WiMAX 기지국 및 ASN-GW는 네트워크 상호운용 인터페이스(network interoperability interface)를 통해 서로 상호작용한다. 접속성 서비스 네트워크들은 예컨대, AAA 서버, 모바일 IP 홈 에이전트(MIP HA), 과금 지원 시스템(billing support systems), 콘텐츠 서비스들, IMS 서비스들, 운용 지원 시스템들 등을 포함하는 서비스 제공자 IP 기반 코어 네트워크들이다. 액세스 서비스 네트워크 인터페이스들 내의 사용자 단말 및 모바일 기지국은 무선 인터페이스와 같은 네트워크 상호운용 인터페이스를 통해 서로 상호작용한다. 그리고, 액세스 서비스 네트워크에서 접속성 서비스 네트워크 및 ASN-GW는 로밍 네트워크와 같은 네트워크 상호운용 인터페이스를 통해 서로 상호작용한다.

본 발명에서, 모바일 WiMAX 포지셔닝을 위한 DPFD 기반의 URAD-TDoA 방식이 제안된다. 그리고, URA 접근법은 단지 두 개의 BS들이 검출될 때 TDoA를 위한 어시스턴트 데이터(assistant data)를 제공하기 위해 도입된다. 더욱이, MOB_NBR-ADV에 의해 전달되는 이웃 정보는 이웃 BS들의 프리앰블에 대한 검출 시간을 감소시키도록 적응된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 포지셔닝 솔루션은 3개의 기능 모듈들, 즉 시간차 검출 유닛(510), 채널 측정 조건 지원 유닛(channel measuring condition supply unit:520), 및 포지셔닝 유닛(530)으로 구성된다. PHY 레이어 내의 시간차 검출 유닛(510)이 MSS에서 시간차 검출을 수행하는 그 구조의 키 부분이다. 시간차 검출 유닛(510)은 특정된 절차에 따라 업링크 및 다운링크 채널 측정을 수행한다. 업링크 레인징은, 단지 두 개의 BS들이 서빙(serving) BS를 포함하여 검출되는 경우에 필요하다. 채널 측정 조건 지원 유닛(520)은 포지셔닝 유닛으로부터의 포지셔닝 요청에 따라 채널 측정을 위한 조건들(유휴 기간들과 같은)을 제공하고 임의의 시그널링을 수행하기 위해, MAC 레이어에 있다. MAC 레이어 내의 채널 측정 조건 지원 유닛(520)은 보다 높은 레이어로부터의 포지셔닝 요청에 따라 채널 측정을 준비하기 위해 임의의 시그널링 프로세스를 수행한다. 예를 들어, MSS는 서빙 BS와 후보 BS 사이의 시간차를 MOB_SCN-RSP에 의해 CSN에 위치된 포지셔닝 서버에 보고할 것이다. 어플리케이션 레이어 내의 포지셔닝 유닛(530)은 측정치들에 기초하여 포지션 또는 선택적인 속도 계산을 수행하는 모듈이다. 포지셔닝 유닛(530)은 로케이션 관련 어플리케이션들 및 로케이션 계산 서버들을 포함하고, 그것은 적절한 알고리즘을 선택하고, 이 정보를 요청한 상대방에게 그 결과들을 연산해서 전달한다. 예를 들어, 시간차 검출 유닛(510)은 모바일 사용자 장비의 포지션을 연산하기 위해 (MAC 레이어에서) 원격 포지셔닝 서버에 측정 결과를 전달한다. 대부부의 경우들에서, 포지셔닝 알고리즘은 CSN 내의 로케이션 계산 서버에 실장된다. 다른 경우들에서, 그것은 MSS의 로케이션 관련 어플리케이션에 실장된다. 어플리케이션 레이어 내의 성분들(MSS 내의 로케이션 관련 어플리케이션 또는 CSN 내의 어플리케이션, 및 로케이션 계산 서버를 포함함) 사이의 통신은 본 발명의 범위 밖에 있는 모바일 포지셔닝 프로토콜(MPP)을 팔로우(follow)할 수 있다. 본 발명에서, 항상, 포지셔닝 알고리즘을 갖는 로케이션 계산 서버가 모바일 WiMAX 내의 모든 포지셔닝 기반의 서비스들을 위한 의무적인 부분이라고 가정한다. 모바일 WiMAX 포지셔닝을 위해 본 발명이 제안한 URAD-TDoA 방식은 4개의 스텝들: 즉 (1) 다운링크 프리앰블 패스트 검출(downlink preamble fast detection: DPFD); (2) DPFD에서 검출된 3개 미만의 프리앰블들이 존재하는 경우 URA 검출; (3) MAC 관리 메시지를 사용하여 시그널링을 측정; (4) 로케이션 연산으로 나눠질 수 있다.

3) 모바일 WiMAX 다운링크 프리앰블 패스트 검출(DPFD)

모바일 WiMAX 다운링크 프리앰블 패스트 검출(DPFD)은 아래에서 상세히 설명될 것이다. 우선, MSS는 BS들로부터 다운링크 프리앰블들을 검출하고, BS들의 모두는 TDD 모드 모바일 WiMAX에서 GPS에 의해 동기화된다. 이어서, 상이한 BS들의 프리앰블의 TDoA는 프리앰블 기반의 동기화 검출에 의해 얻어질 수 있다. 마지막으로, 정확한 로케이션은 전통적인 TDoA 알고리즘들(아래에서 팡(fang) 및 첸(Chan)의 알고리즘들로서 언급되는, 1990년 9월, 비.티. 팡(B.T. Fang)의 "Simple solutions for hyperbolic and related position fixes", IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol.26, 페이지 748 내지 753, 및 1994년, 와이.티.첸(Y.T.Chan)과 케이.씨.호(K.C.Ho)의 "A Simple and Efficient Estimator for Hyperbolic Location", IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING. Vol.42, No.8, 페이지 1905 내지 1915와 같은)을 통해 연산될 수 있다.

IEEE 802.16e에서 OFDMA PHY용으로 설계된 프리앰블은 특정한 의사 노이즈(PN) 코드를 갖는 상승된 BPSK 변조를 사용하여 변조된다. 각각의 세그먼트는 프리앰블에 대한 캐리어 세트(carrier-set)로서 각각의 제 3 서브캐리어를 사용한다. 그러므로, 세그먼트 0/1/2는 프리앰블 캐리어 세트 0/1/2를 사용한다. 도 6은 주파수 도메인에서 세그먼트 0에 대한 프리앰블 구조를 도시한다.

따라서, 시간 도메인에서 프리앰블 구조는 켤레 대칭 구조(conjugate symmetric structure)이다. 2048 FFT 사이즈에 대한 시간 도메인 구조는 도 7에서 설명된다.

2048 FFT 사이즈 및 128 FFT 사이즈에 대한 시간 도메인에서 프리앰블의 절대 크기 값들은 도 8a 및 도 8b에 각각 도시되어 있다.

본 발명에서 사용되는 프레임 동기화 알고리즘은 시간 도메인에서 반복 패턴들 사이의 상관 파라미터들에 기초한다. 그것은 조악한 타이밍 추정(coarse timing estimation) 및 정밀한 타이밍 추정(fine timing estimation)으로 구성된다.

조악한 추정 스텝은 프리앰블 심볼 내의 반복 부분들 사이의 자동 상관(auto-correlation)에 기초한다. 프레임 시작 포인트(

)의 조악한 추정은 아래 수식으로서 정의될 수 있다:

여기에서, r_n은 샘플링된 수신 신호이고, N_d = L은 반복 길이이고, 그것은 상관 윈도우 길이와 같다. 자동 상관 출력 값은, 심볼 시간 내에서 암시적으로 3번 반복하는 특징(characteristic)을 볼 수 있는 도 9에 도시되어 있다. 도 9a는 2048 FFT 사이즈에 대한 자동 상관 출력을 도시하고, 도 9b는 128 FFT 사이즈에 대한 자동 상관 출력을 도시한다.

정밀한 추정 스텝에서, 프레임 시작 포인트(

)의 추정은 아래 수식으로서 정의될 수 있다:

여기에서, c_n는 로컬 프리앰블의 IFFT이다. 도 10a 및 도 10b는 상이한 FFT 사이즈에 대한 교차 상관 출력 값을 도시한다.

이동국과 네트워크의 접속 후에 포지셔닝 서비스가 시작되므로, 그 시간에, 이동국은 현재 서비스 기지국에 의해 방송되는 MOB_NBR-ADV 메시지로부터 이웃하는 셀의 프리앰블 정보를 얻을 수 있고, 포지션을 빠르게 수행하고, 에너지를 세이브하기 위해 이웃하는 셀의 프리앰블과 상관할 수 있다.

무빙-윈도우 기반의 프리앰블 검출(moving-window based preamble dectection)은 TDoA 검출용으로 사용될 수 있다. 도 11은 무빙-윈도우 검출을 사용하는 교차 상관을 도시한다. 도 11을 참조하면, 그것은 아래의 스텝들을 포함한다:

시간 도메인에서 1 샘플을 무빙;

FFT 변환: 및

로컬 후보 프리앰블 시리즈들에 의해 이웃 BS 프리앰블과 상관.

예를 들어, 4개의 프리앰블들이 존재하고, MSS가 제 1 프리앰블과 동기화하면, 위 3개의 스텝들에서 프리앰블 상관 검출을 통해, MSS는 (제 1 프리앰블에 대해) 제 2 프리앰블 및 제 3 프리앰블의 시간 오프셋(time offset)을 구별할 수 있다.

IEEE 802.16e에서 하드 핸드오프(hard handoff)를 위한 MSS 스페셜(special)을 위해, 그것의 PHY 레이어는, 표준에 있어 요구사항(requirement)이 존재하지 않으므로, 프리앰블의 TDoA를 검출하는 기능을 갖지 않는다. 하지만, 그것의 PHY 레이어는 프리앰블을 검출하고, 동기화를 구현하는 기능을 갖는다. 그래서, 인헨스먼트 기능(enhancement function)이 그것에 도입되어야 한다. FBSS 및 소프트 핸드오버(SHO)에 특정한 MSS에 대해, 표준은 TDoA 측정치들이 얻어질 수 있도록 명확한 요구사항을 갖는다.

몇몇 경우들에서, 3개의 모든 프리앰블들은 LoS 신호들이다. 그러므로, 팡(Fang)의 알고리즘은 그것이 단지 3개의 프리앰블들이 필요하기 때문에 동작될 수 있다. 더욱이, 첸의 알고리즘은 정확성을 향상시키기 위해 보다 많은 측정치들을 사용할 수 있다. 하지만, MSS는 또한, NLoS(non-line-of-sight) 신호들을 수신할 수 있다. 그래서, 본 발명은 도 12에 도시된 바와 같은 솔루션을 제안한다:

n개의 프리앰블들을 수신;

m개의 LoS 프리앰블들 및 (n-m)개의 NLoS(n>m)를 검출하기 위해 윌리 식별(Wylie identification)을 수행; 많은 NLoS 프리앰블들 및 3개 이상의 LoS 프리앰블들이 검출되면, 본 발명은 어느 신호가 NLoS(참조 - 이하에서 참조문헌 3으로서 언급되는, 1996년 6월, 엠.피.윌리(M.P.Wylie)와 제이.홀츠맨(J.Holtzman)의 "The None-Line-of-Sight Problems in Mobile Location Estimation", WINLAB TR-121)인지를 식별하기 위해 윌리 식별 방법을 사용해야 하고, 이어서, 그것은 팡의 알고리즘을 통해 로케이션을 연산하기 위해 3개의 다른 LoS 신호들을 사용할 수 있다. 그것은 또한 URAD-TDoA 접근법을 제안하는 본 발명을 통해 로케이션을 연산하기 위해 업링크 레인징 정보뿐만 아니라, 2개의 LoS 신호들을 사용할 수 있다.

많은 NLoS 프리앰블들 및 2개의 LoS 프리앰블들이 검출되면, 그것은 어느 신호가 NLoS인지를 식별하기 위해 윌리 식별 방법을 사용해야 한다[참조문헌 3]. 이어서, 그것은, 제안된 URAD-TDoA 접근법을 통해 로케이션을 연산하기 위해 업링크 레인징 정보뿐만 아니라 2개의 LoS 신호들을 사용할 수 있다.

많은 NLoS 프리앰블들 및 LoS가 검출되면, 그것은 어느 신호가 LoS인지를 식별하기 위해 윌리 식별 방법을 사용해야 한다[참조, 참조문헌 3]. 이어서, 그것은, (n-m)이 0보다 큰지를 결정한다. 만약, (n-m)이 0보다 작거나 같으면, URA 검출과 셀 ID를 조합하는 접근법이 사용되어야 하고; 그렇지 않으면, NLoS 신호들로부터 (n-m) LoS 신호들을 재구성하기 위해 윌리 방법[참조, 참조문헌 3]을 사용해야 한다. 이어서, 2 개 또는 3 개의 LoS 신호들은 팡의 알고리즘 또는 URAD-TDoA 접근법을 사용하는 로케이션 연산을 위해 이용가능하다.

많은 NLoS 프리앰블들이 검출되고, 어떤 LoS도 검출되지 않으면, 본 발명은 모든 NLoS를 식별하는 윌리 식별 방법[참조, 참조문헌 3]을 사용해야 한다. 이어서, 본 발명은 NLoS 신호들로부터 LoS 신호들을 재구성하기 위해 윌리 방법[참조, 참조문헌 3]을 사용해야 한다. 이어서, LoS 신호들은 위의 알고리즘들을 참조하는 로케이션 연산을 위해 이용가능하다.

단지 하나의 LoS 프리앰블이 검출되거나, 단지 하나의 LoS 프리앰블이 NLoS 신호들로부터 재구성되면, 업링크 레인징 어시스턴트 셀/섹터 ID 접근법이 본 발명에서 제안된다.

4) 2 개의 프리앰블들에 대한 모바일 WiMAX URAD-TDoA 접근법

많은 셀들이 네트워크를 구성하는 경우, 이웃하는 셀의 프리앰블은, 제공된 셀의 신호 세기가 매우 강할 때 잊혀(oblivion)질 수 있다. 그러므로, "블라인드 영역(blind region)"이 발생하고, 검출된 프리앰블이 감소되어, 그 결과, 포지셔닝될 수 있는 영역이 감소된다.

본 발명은, 포지셔닝될 수 있는 영역을 확장하는 단지 2개의 프리앰블들을 사용함으로써 포지셔닝 방법을 제안한다. 그러나, 이 접근법은 또한 3개의 프리앰블 시나리오들에 대해 잘 작용한다.

URAD 접근법에서, MSS는 TDoA 연산을 위한 부가적인 지연 측정치들을 얻기 위해 서빙/앵커 BS로 레인징을 행해야 한다. 그래서, MSS의 로케이션은 쌍곡선 및 원(circle)의 교차지점에 있다. 일반적인 경우에, 단지 하나의 RTD가 주어지면, 2개의 가능한 루트들(roots)이 존재할 것이다. 셀/섹터 구조에 대해, 본 발명은 하나의 정확한 루트를 선택하기 위해 셀 ID 또는 섹터 ID 정보를 사용할 수 있다. 하지만, 몇몇 경우들(발생할 가능성이 적음)에서, 2개의 루트들은 동일한 셀/섹터에 존재할 수 있다. 그러므로, 어느 루트가 버려져야 하는지를 결정하기 어렵다. 본 발명에서는, 이러한 낮은 가능성의 경우가 발생하면, 추정된 포지션으로서 중간 포인트 {(x1 + x2)/2, (y1 + y2)/2}를 선택하고, 그 경우에, (x1,y1) 및 (x2,y2)는 2개의 가능한 루트들의 좌표들이다.

도 13은 서비스 BS의 TDoA 정보를 사용하는 URAD-TDoA 포지셔닝 방법을 도시한다. 마지막으로, MS는, 반경이 MSS와 BS2 간의 거리인 서비스 기지국(BS2)에 중심을 둔 원에 놓인다. 동시에, MS는, 각각 초점이 MSS와 BS1 또는 BS2 간의 일정한 차이인 BS1과 BS2에서 초점을 갖는 쌍곡선들에 놓인다. 그러므로, MSS는 도 13의 오른쪽에 도시된 바와 같이 원 및 쌍곡선의 교차지점들에 놓여야 한다. 2개의 교차지점들은 정확한 루트를 찾기 위해 셀 ID 또는 섹터 ID로부터의 도움으로 선택될 수 있다. 그렇지 않으면, 2개의 루트들의 좌표들의 평균값은 본 발명의 방법에 따라 MSS의 로케이션으로서 선택된다.

레인징 절차가 도 14에 도시되어 있다. 다운링크 동기화 및 업링크 전송 파라미터들을 획득한 후에, MSS는 이용가능한 레인징 영역으로부터 랜덤하게 선택된 레인징 슬롯에서 랜덤하게 선택된 레인징 코드를 전송한다. BS가 레인징 코드를 수신한 후에, 그것은, 시간 수정들(Time Corrections)을 갖는 RNG-RSP를 전달할 것이다. 동시에, 지연 측정치가 얻어질 것이다.

MS의 레인징 코드(T_tr)에 대한 전송 시간은 BS에서 규정된다:

여기에서, T_full는 BS에서, DL 프레임 시작 포인트에서 UL 프레임 시작 포인트로의 시간 구간이다. T'_delay는 BS가 고려된 레인징 코드의 UL 전파 지연이다.

MS의 레인징 코드에 대한 도달 시간(T_re)은 아래와 같다:

여기에서, T_delay는 레인징 코드의 실제 UL 전파 지연이다.

시간차(T_diff)는 BS에서 얻어질 수 있다:

T_diff에 따라, BS는 MS의 레인징 코드에 대해 T_tr를 조정할 수 있다. 마지막으로, 레인징 코드는 BS에서 UL 프레임 시작 포인트에 도달할 것이다. 추정된 UL 전파 지연(T'_delay)은 실제 지연(T_delay)과 같아질 것이다.

T_u가 BS에서 업링크 OFDM 심볼 타이밍이고, T_d가 BS에서 다운링크 OFDM 심볼 타이밍이고, 업링크 레인징에 대한 단일 트립 지연은 아래와 같다:

보다 정확한 지연 측정은, 레인징 프로세스가 완료된(T_diff = 0) 후에 달성될 수 있다. 동시에, 업링크 레인징에 대한 단일 트립 지연은 아래와 같다:

위의 분석으로부터, 단일/라운드 트립 지연이 초기 레인징 또는 주기적인 레인징이 발생할 때 BS에 의해 얻어질 수 있음을 이해할 수 있다. 그러므로, BS는 그것의 메모리에 이러한 지연을 저장할 수 있고, 그것을, 2 개의 프리앰블들이 MSS에서 검출될 때 하나의 시간 오프셋과 함께 로케이션 계산 서버에 전달할 수 있다.

5) 단지 하나의 단일 프리앰블을 검출하기 위한 모바일 WiMAX URA -셀- ID 병합형 접근법

단지 하나의 LOS 프리앰블이 검출되는 이들 경우들에 대해, 우리는 직경이 RTD이고, 그 중심이 BS인 원을 얻기 위해 레인징 정보를 사용하며, 여기에서 RTD는 BS에서 MSS로의 거리이다. 이어서, 셀 ID 및 섹터 ID는 포지셔닝을 돕는데 사용될 수 있다. 참고로 도 15를 보면, 섹터에서 아크의 중간은 추정된 포지셔닝으로서 사용될 수 있다.

6) URDAD - TDoA 에 대한 모바일 WiMAX MAC 메시지 플로우챠트

MOB_NBR-ADV, MOB_SCN-REQ, MOB_SCN-RSP 및 MOB_SCN-REP와 같은 MAC 관리 메시지들은 본 발명의 제안된 URAD-TDoA에 사용된다. 본 솔루션에서 측정 결과들을 전달하는데 사용된 모든 MAC 메시지들이 IEEE 802.16e 표준으로 정의되므로, 본 발명은 그것들을, 그것들이 사용되어야 하는 방식으로만 사용한다.

본 발명은 또한, LOC_REQ, LOC_RSP, LOC_ENQ와 같은 포지셔닝 서비스 절차의 전체 프로세스를 완료하기 위해 포지셔닝 서비스 개시 요청 및 결과 보고를 위해 CSN 측에 부가되는 일부 메시지들을 제안한다.

무선 포지션 로케이션 시스템들에서 고려될 수 있는 다수의 포지셔닝 기술들이 존재한다. 이러한 기술들은 두 개의 카테고리들: (1) 네트워크에서의 로케이션 계산; (2) 사용자 단말에서의 로케이션 계산으로 넓게 분류될 수 있다. 본 발명에 의해 제안된 URAD-TDOA 방식은 또한 2개의 카테고리들을 갖는다.

6.1) 네트워크에서의 로케이션 계산

이러한 타입의 포지셔닝 기술은 기존의 핸드세트들에서 변형을 갖지 않는다.

6.1.1) 네트워크 개시 포지셔닝(Network Initiated Positioning)

네트워크 개시 포지셔닝 시그널링 플로우챠트가 도 16으로서 도시되어 있다. CSN에서 로케이션 관련 어플리케이션은 LOC_REQ 메시지를 로케이션 계산 서버에 전송하는 포지션 관련 어플리케이션에 의한 포지셔닝을 야기한다. LOC_REQ 메시지는 SSID(포지셔닝 타깃 MSS ID)를 포함한다. 로케이션 계산 서버는 로케이션 요청을 실행하고, 서빙 BS에 요청을 포워드(forward)한다. 요청을 수신한 후에, 서빙 BS는 다수의 이웃들 및 그것들의 BS ID들을 MSS와 구별하기 위해 MOB_NBR-ADV를 전달할 것이다. 이어서, 서빙 BS는 스캐닝을 위한 시작 및 종료 프레임을 나타내기 위해 MOB_SCN-RSP를 사용자 단말에 전달할 것이다. 서빙 BS는 또한 MSS 스캐닝을 위한 이웃들과 스캐닝 구간(scanning interval)을 협상해야 한다.

MSS는 능동적으로 임의의 측정을 행할 수 있고, 결과들을, 트리거 액션이 DCD 메시지에서 0x5 또는 0x6일 때 MOB_SCN-REP를 통해 서빙 BS에 전달한다. 여기에서, MSS는 또한 MOB_NBR-ADV 메시지들에서 다수의 이웃들 및 그것들의 BS ID들을 사용함으로써 스캐닝 구간을 감소시키기 위해 서빙 BS에 의해 전달된 MOB_NBS-ADV 메시지를 이용할 수 있다.

MOB_SCN-REP의 메시지 포맷은 2005년 12월에, IEEE 802.16e "Part16: Airinterface to fixed and mobile broadband wireless access systems, Amendment 2", IEEE 802.16 TGe의 Tab. 109j에 도시되어 있다. 이웃 BS와 서빙 BS 사이의 측정 지연을 보고하는지 아닌지가 보고 메트릭(Report Metric)(Bit 2)의 필드에서 나타내진다. MOB_SCN-REP는 또한 보고 메트릭(Bit 3)의 필드에서 나타내지는 라운드 트립 지연(RTD) 정보를 포함한다. 하지만, IEEE 802.16e는 MSS에서 이들 값들을 얻기 위해 실현가능 솔루션을 제공하지 않는다. 본 발명에서, 본 발명은 RTT뿐만 아니라 상대적인 지연에 대해 PHY 레이어에서 2개의 가능한 솔루션들을 보여준다.

서빙 BS는 로케이션 측정 정보 및 RTD를 로케이션 계산 서버에 포워딩하기 위해 LOC_RSP 메시지를 사용할 것이다. LOC_RSP 메시지는 (SSID, BSID들, 지연들, RTD)를 포함하고, 여기에서 BSID들은 이웃 BS ID 및 서빙 BS ID이고, 지연들은 TDoA 측정치들이다. 로케이션 계산 서버는 적절한 산술(arithmetic)을 선택하고, 사용자들의 로케이션을 계산하고, LOC_RSP에 의해 로케이션 관련 어플리케이션을 전달하여, 네트워크 개시 사용자 어시스턴트 포지셔닝을 종료한다.

6.1.2) 사용자 개시 포지셔닝

사용자 개시 포지셔닝 시그널링 플로우챠트가 도 17로서 도시되어 있다. 사용자 단말에서의 어플리케이션은 측정을 요청하기 위해 LOC_REQ 메시지를 그 자신의 SSID를 갖는 로케이션 관리 서버에 전달한다. 로케이션 계산 서버는 포지셔닝 측정을 트리거링하기 위한 서빙 BS에 질의할 것이다. 서빙 기지국은 MOB_NBR-ADV 및 MOB SCN-REP를 무선 채널 측정을 수행하기 위한 사용자 단말에 전달하고, 임의의 스캔 기간 후에, 로케이션 측정 정보 MOB_SCN-REP를 수신한다. 그후에, 서빙 BS는 LOC_RSP(SSID, BSID, 지연, RTD) 메시지 내의 파라미터들을 로케이션을 계산하기 위한 로케이션 계산 서버에 포워딩할 것이다. 로케이션 계산 서버는 적절한 알고리즘을 선택하고, 사용자의 로케이션을 계산한다. 계산 결과들은 그것의 SSID 및 그것의 로케이션(x,y)을 포함하는 LOC_REP 메시지를 사용하여 사용자 단말로 전달될 것이다. 로케이션 계산 서버는 그것의 로케이션을 사용자에게 알린다.

6.2) 사용자 단말에서 로케이션 계산

이러한 타입의 포지셔닝 기술은, 백그라운드 맵(background map)에서 로케이션을 디스플레이하는 것뿐만 아니라 로케이션을 계산하는, 기존의 핸드세트들 상에서 동작하는 소프트웨어 어플리케이션을 필요로 한다.

로케이션은 또한 사용자 단말 장비에 실장된 몇몇 어플리케이션들에 의해 연산될 수 있다. 그리고, 이웃 BS들 등의 로케이션과 같은, 몇몇 보조 정보가 또한 필요할 수 있다. 네트워크 및 단말 개시 네트워크 어시스턴트 포지셔닝 시그널링 플로우챠트들이 도 18 및 도 19로서 각각 도시되어 있다.

도 18은 네트워크 개시 네트워크 어시스턴트 포지셔닝 방법의 흐름도를 도시한다. 로케이션 관련 어플리케이션은 로케이션 측정 요청을 LOC_REQ(SSID)를 통해 로케이션 계산 서버에 전달한다. 로케이션 계산 서버는 네트워크 측에서 서빙 기지국으로 측정 요청을 포워딩한다. 서빙 기지국은 MOB_NBR-ADV 및 MOB_SCN-RSP 메시지들을 사용자 단말들에 전달한다. 사용자 단말들은 무선 채널 측정을 수행하고, 스캔 구간 후에 사용자의 로케이션을 계산하기 위해 적절한 알고리즘을 선택한다. 그리고, 사용자 단말들은 로케이션 계산 구간 후에 사용자의 로케이션을 연산하고, 사용자의 로케이션을 LOC_REP(SSID, x,y)를 통해 로케이션 관련 어플리케이션에 전달한다.

도 19는 사용자 단말 개시 네트워크 어시스턴트 포지셔닝 방법의 흐름도를 도시한다. 사용자 단말들은 MOB-SCN-REQ 메시지를, 측정을 요청하기 위한 서빙 기지국에 전달한다. 서빙 기지국은 MOB_NBR-ADV 및 MOB_SCN-RSP를 사용자에게 전달한다. 사용자 단말들은 무선 채널 측정을 수행하고, 임의의 스캔 구간 후에 측정 결과들을 전달하고, 적절한 알고리즘을 선택하고, 사용자의 로케이션을 계산한다.

성능 비교

LoS 환경에서 팡의 알고리즘을 사용한 DPFD와 URAD-TDoA의 성능 비교가 도 20에 도시되어 있다. LoS에 대해, AWGN 채널이 가정된다. 본 발명은 URAD-TDoA가 DPFD-팡과 거의 동일한 성능을 가짐을 보여준다. 하지만, DPFD-팡은 2개의 프리앰블 경우들에 대해 작동하지 않는다.

도 21은 상이한 포지셔닝 접근법의 성능 비교의 예를 도시한다. 그것은 다중경로 환경을 가정한다. LoS 접근법에 대해, LoS는 직접적으로 검출되거나 재구성될 수 있다. NLoS 접근법에 대해, NLoS 신호가 포지셔닝 알고리즘들에 의해 직접 사용된다고 가정한다.

NLoS에 대해, 코스트(cost) 259(통상적인 도시의) 채널 모델이 가정된다. 정규화된 도플러 주파수: 50hz/10Mhz = 5*10^-6. NLoS 에러가 지수 분포를 따르고, 그것의 평균은 300미터이다.

일반적으로, LoS에 대해, DPFD-팡의 알고리즘이 포지셔닝을 위한 양호한 추정치를 제공할 수 있음을 볼 수 있다. 제안된 URAD-TDoA는 2개의 프리앰블 검출을 위한 실현가능 솔루션을 제공한다. 하지만, 그것은, 특별히 NLoS 경우들에 대해 DPFD-팡의 솔루션만큼이나 정확하지는 않다. NLoS 에러는 정확성에 많은 영향을 미친다. 그러므로, 실제 LoS 신호를 재구성하는 것이 매우 중요하다.

결론

2005년 12월, IEEE 802.16e "Part16: Airinterface to fixed and mobile broadband wireless access systems, Amendment 2", IEEE 802.16TGe는 포지셔닝 어플리케이션들을 위한 새롭고 실현가능한 URAD-TDoA 솔루션을 제공하지 않는다. 이 방법은 모바일 WiMAX 포지셔닝을 위한 새로운 URAD-TDoA 방법을 제안한다. 이 방식은, 특별히 3개 미만의 프리앰블들이 검출될 때 DPFD(Downlink Preamble Fast Detection)에 기초한다. 그리고, URA(Uplink Ranging Assistant) 접근법은, 단지 2개의 BS의 프리앰블들이 검출될 때 TDoA에 어시스턴트 데이터를 제공하기 위해 도입된다. 본 발명은 또한, LoS 어플리케이션에 대한 URAD-TDoA의 정확성이 AWGN 채널에서 팡의 정확성과 거의 동일함을 보여준다. 비록, 2개 이상의 프리앰블들이 검출되면, URAD-TDoA가 또한 동작하지만, 특별히 NLoS 환경에 대해 3개의 프리앰블들을 사용하는 DPFD-팡에 비하여 그렇게 정확하지는 않다.

비록, IEEE802.16e가 라운드 트립 지연뿐만 아니라 상대적인 시간 지연을 전달하도록 MOB_SCN-REP라고 불리는 MAC 메시지를 정의하지만, 그것은, PHY 레이어에서 이들 값들을 어떻게 얻는지를 보여주지 않는다. 본 발명은 또한, WiMAX 포지셔닝 알고리즘들에 필수적인 두 파라미터들을 검출하기 위한 솔루션들을 제공한다.

본 발명은 또한, 이웃 BS들의 프리앰블 검출 시간을 줄이기 위해 MOB_NBR-ADV에 의해 전달되는 이웃 정보를 사용하는 것을 제안한다. 본 연구에 의해, 제안된 URAD-TDoA 방식은 포지셔닝 어플리케이션을 효과적으로 달성할 수 있고, WiMAX 포지셔닝을 위한 실현가능 솔루션을 제공할 수 있다.

상업적 가치

포지셔닝은 모바일 디바이스로 하여금 그것의 포지션에 관한 정보를 수집하거나 정확한 특정 로케이션을 제공하게 할 수 있다. 이 기술은 위치기반 과금(location-sensitive billing), 플리트 트래킹(fleet tracking), 패키지(package) 및 개인 트래킹(personal tracking), 모바일 옐로우 페이지들(mobile yellow pages), 로케이션 기반의 메시징(location-based messaging), 경로 안내(route guidance)를 포함하고, 교통 정보를 제공하는 많은 신규한 개념들 및 서비스들을 도출한다. 포지셔닝은 이미 GSM 및 3G 네트워크들에 적용되어 있고, 차세대 무선 시스템들의 가장 장래성이 있고 중요한 특징들 중 하나일 수 있다.

본 발명은 IEEE 802.16e 표준에 기초하며, 기존의 모바일 WiMAX 장치에 쉽게 적용될 수 있다.

비록, 본 발명의 목적, 기술적인 솔루션, 및 이용가능성이 바람직한 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 기술분야의 당업자들은, 본 발명에 대한 다양한 변경들, 교체들, 및 변형들이 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로, 본 발명은 위의 실시예들에 의해 제한되지 않고, 아래의 청구범위 및 그 등가물들에 의해서만 제한된다.

Claims (25)

1. DPFD(downlink preamble fast detection)에 의한 WiMAX 포지셔닝 방법에 있어서:
   모바일 사용자 스테이션 MSS가 BS들로부터 다운링크 프리앰블들을 검출하는 단계로서, 상기 BS들 모두가 TDD 모드에서 모바일 WiMAX에 의해 동기화되는, 상기 검출 단계;
   프리앰블 기반의 동기화 검출을 통해 상이한 BS들의 프리앰블의 TDoA를 얻는 단계; 및
   종래의 TDoA 알고리즘들을 통해 정확한 로케이션을 계산하는 단계를 포함하는, WiMAX 포지셔닝 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   검출되는 3개 미만의 프리앰블들이 존재하면, URAD(Uplink Ranging Assistant detection) 접근법이 레인징(ranging)을 행하기 위해 어시스턴트 데이터를 제공하도록 수행되는, WiMAX 포지셔닝 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   MAC 관리 메시지를 사용하는 측정 시그널링(measurement signaling)이 레이징을 행하기 위해 사용되는, WiMAX 포지셔닝 방법.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 MSS는 상기 URAD 방법에서 TDoA 연산을 위한 부가적인 지연 측정치들을 얻기 위해 서빙/앵커(serving/anchor) BS로 레인징을 행하는, WiMAX 포지셔닝 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   하나의 라운드 트립 지연(one round trip delay) RTD에 대해 2개의 가능한 루트들(roots)이 존재하는 경우에, 셀 ID 또는 섹터 ID 정보는 상기 셀/섹터에 대해 하나의 적확한 루트를 선택하기 위해 사용되는, WiMAX 포지셔닝 방법.
6. 제 4 항에 있어서,
   하나의 라운드 트립 지연 RTD에 대해 2개의 가능한 루트들이 존재하는 경우에, 상기 2개의 루트들이 동일한 셀/섹터에 있으면, 상기 2개의 루트들의 중간 포인트가 추정된 포지션으로서 선택되는, WiMAX 포지셔닝 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 다운링크 동기화 및 업링크 전송 파라미터들이 획득된 후에, 상기 MSS는 이용가능한 레인징 영역으로부터 랜덤하게 선택된 레인징 슬롯에서 랜덤하게 선택된 레인징 코드(Ranging code)를 전송하는, WiMAX 포지셔닝 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 BS가 레인징 코드를 수신한 후에, 시간 수정들(Time Corrections)을 갖는 RNG-RSP를 전달하고, 상기 지연 측정치가 동시에 얻어지는, WiMAX 포지셔닝 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 단일/라운드 트립 지연은, 개시 레인징(initial ranging) 또는 주기적인 레인징이 일어날 때 상기 BS에 의해 얻어질 수 있고, 상기 BS는 이러한 지연, 즉 가장 최근에 업데이트된 값을 그것의 메모리에 저장하고, 그것을 2개의 프리앰블들이 MSS에서 검출될 때 하나의 시간 오프셋(one time offset)과 함께 로케이션 계산 서버에 전달하는, WiMAX 포지셔닝 방법.
10. 제 1 항에 있어서,
    MOB_NBR-ADV에 의해 전달되는 이웃 정보가 이웃 BS들의 프리앰블 검출 시간을 줄이기 위해 가능한 앵커 BS의 탐색 범위를 줄이는데 사용되는, WiMAX 포지셔닝 방법.
11. 제 1 항에 있어서,
    IEEE 802.16e에서 OFDMA PHY용으로 설계된 상기 프리앰블이 특정한 의사-노이즈(PN) 코드를 갖는 상승된(boosted) BPSK 변조를 사용하여 변조되는, WiMAX 포지셔닝 방법.
12. 제 1 항에 있어서,
    무빙-윈도우 기반의 프리앰블 검출(moving-window based preamble detection)이 TDoA 검출용으로 사용되는, WiMAX 포지셔닝 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 TDoA 검출은:
    하나의 샘플 칩을 무빙하는 단계;
    FFT 변환하는 단계; 및
    로컬 후보 프리앰블 시리즈(local candidate preamble series)에 의해 상기 이웃 BS 프리앰블과 상관시키는 단계를 포함하는, WiMAX 포지셔닝 방법.
14. 제 1 항에 있어서,
    많은 NLoS 프리앰블들 및 2개의 LoS 프리앰블들이 검출되면, 윌리 식별 방법(Wylie identification method)이 어느 신호가 NLoS인지를 식별하는데 사용되고;
    업링크 레인징 정보뿐만 아니라 상기 2개의 LoS 신호들이 상기 URAD-TDoA 접근법을 통해 로케이션을 계산하는데 사용되는, WiMAX 포지셔닝 방법.
15. 제 1 항에 있어서,
    단지 하나의 LoS 프리앰블이 검출되거나 단지 하나의 LoS가 NLoS 신호들로부터 재구성되면, 업링크 레인징 어시스턴트 셀/섹터 IP 접근법(uplink ranging assistant cell/sector ID approach)이 사용되는, WiMAX 포지셔닝 방법.
16. 제 1 항에 있어서,
    단지 하나의 LOS 프리앰블이 검출되는 경우들에 대해, 레인징 정보는 직경이 RTD인 원(circle)을 얻는데 사용되고;
    상기 셀 ID 및 섹터 IS는 포지셔닝을 어시스트하는데 사용되는, WiMAX 포지셔닝 방법.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 섹터에서 아크(arc)의 중간이 추정된 포지셔닝으로서 사용되는, WiMAX 포지셔닝 방법.
18. 제 2 항에 있어서,
    일부 메시지들이 포지셔닝 서비스 개시 요청에 대해 CSN 측에 부가되고, 포지셔닝 서비스 절차의 전체 프로세스를 완성하도록 결과를 보고하는, WiMAX 포지셔닝 방법.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 메시지들은 LOC_REQ, LOC_RSP, LOC_ENQ 메시지인, WiMAX 포지셔닝 방법.
20. WiMAX 포지셔닝 장치에 있어서,
    MSS에서 시간차 검출을 수행하기 위한 PHY 레이어 모듈(layer module);
    임의의 시그널링을 수행하고, 어플리케이션 레이어로부터 포지셔닝 요청에 따라 채널 측정을 위한 조건들을 제공하기 위한 MAC 레이어 모듈; 및
    측정치들에 기초하여 포지셔닝 또는 선택적 속도 계산(optional velocity computation)을 수행하기 위한 어플리케이션 레이어 모듈을 포함하는, WiMAX 포지셔닝 장치.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 MSS는 MOB_SCN-RSP 메시지에 의해 현재 서비스/앵커 기지국에 상기 시간차를 보고하는, WiMAX 포지셔닝 장치.
22. 제 20 항에 있어서,
    상기 채널 측정을 위한 조건이 유휴 기간(idle period)인, WiMAX 포지셔닝 장치.
23. 제 20 항에 있어서,
    포지셔닝 알고리즘이 CSN에서 상기 로케이션 계산 서버에 실장되는, WiMAX 포지셔닝 장치.
24. 제 20 항에 있어서,
    포지셔닝 알고리즘이 MSS의 로케이션 관련 어플리케이션에 실장되는, WiMAX 포지셔닝 장치.
25. 제 20 항에 있어서,
    포지셔닝 알고리즘을 갖는 로케이션 계산 서버가 모바일 WiMAX에서 모든 포지셔닝 기반의 서비스들을 위한 의무적인 부분이라는 가정이 행해지는, WiMAX 포지셔닝 장치.

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