KR20120092156A - 비동기 네트워크 국들의 클럭 오프셋들을 보상하기 위한 교정 팩터들의 계산에 의한 ｔｄｏａ 기반 위치 결정 - Google Patents

비동기 네트워크 국들의 클럭 오프셋들을 보상하기 위한 교정 팩터들의 계산에 의한 ｔｄｏａ 기반 위치 결정 Download PDF

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KR20120092156A
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Abstract

본 발명은 모델링된 클럭 거동에 기초하여 도달 시간차를 교정하는 데 사용될 수 있는 사용자 디바이스로부터의 신호의 도달 시간차를 도출하기 위해 개별 수신국들의 클럭들의 상대적인 거동은 물론, 대응하는 모델링을 이용하는 클럭킹을 위한 방법, 구성 및 컴퓨터 프로그램 제품을 제공하며, 다양한 수신국들의 클럭들의 동기화를 필요로 하지 않고 수신 사용자 신호들의 정확한 클럭킹을 제공한다. 이러한 원리는 수신국들의 복수의 쌍 및 이들 사이에 전송되는 비컨 신호들에 적용 가능하며, 사용자 디바이스의 정확한 위치 추정을 가능하게 한다.

Description

비동기 네트워크 국들의 클럭 오프셋들을 보상하기 위한 교정 팩터들의 계산에 의한 ＴＤＯＡ 기반 위치 결정{TDOA BASED POSITIONING WITH CALCULATION OF CORRECTION FACTORS FOR COMPENSATING THE CLOCK OFFSETS OF UNSYNCHRONIZED NETWORK STATIONS}
본 발명은 이동 사용자 위치 결정 기능들을 갖는 무선 이동 네트워크들 또는 무선 근거리 네트워크의 액세스 포인트들, 관련 방법들 및 컴퓨터 프로그램 제품들에 관한 것이다.
최근에, 사용자들에게 레스토랑 또는 숍 추천과 같은 적절한 서비스들을 제공하기 위해 이동 디바이스를 사용하는 사용자의 위치를 결정하거나, 응급 의료 서비스들을 제공하기 위해 사용자의 위치를 결정하는 것이 점점 더 중요해지고 있다. 한편, 범죄 문제들에 관한 적절한 법 집행을 제공하기 위해 사용자의 위치를 결정하는 것도 중요해졌다.
이동 디바이스의 위치를 결정하기 위해, 일반적으로 위성에 의해 지원되는 방법들, 예를 들어 자동차들의 위치를 결정하는 데에 널리 사용되고 경로 계획 및 내비게이션에 사용되는 글로벌 포지셔닝 시스템을 이용하는 방법들이 확립되었다. 그러나, 이러한 방법들은 내비게이션 목적에만 적합한 특수 수신기들 및 송신기들을 필요로 하고, 사용자 디바이스에서 그리고 적절한 내비게이션 신호들을 방출하는 대응 위성들을 제공하기 위한 기반 구조와 관련하여 추가적인 기술적 노력도 필요로 하는 단점을 갖는다.
이동 기반 구조 및 디바이스들의 시장에서의 치열한 경쟁으로 인해, 경쟁자들 사이에는 시장에서 가격 경쟁력을 유지하거나 경쟁력 있는 장점을 얻기 위해 이동 디바이스들 및 그들의 기반 구조를 기술적으로 간단하게 유지하려는 강한 경향이 있다. 따라서, 기술적으로 간단하면서도 신뢰성 있고 효율적인 것은 물론, 사용자에게 적절한 서비스들을 제공할 수 있기 위해 사용자의 위치를 결정하기에 충분히 정확한 이동 디바이스들의 위치 결정 서비스들을 제공하는 것이 강하게 요구된다.
따라서, 사용자의 이동 디바이스에 의해 방출되는 신호를 고정 수신기 국들에서 수신하고, 사용자 디바이스로부터 상이한 고정 수신기들로의 상이한 신호 전파에 기초하여 사용자 디바이스의 위치를 계산함으로써 사용자의 위치를 결정하기 위한 방법들이 확립되었다. 이러한 환경에서는, 위치 결정과 관련된 모든 디바이스들이 그들의 대응하는 분석을 공동 클럭에 기초하는 것이 중요하다. 이러한 시스템의 위치 정밀도는 클럭들의 정밀도 및 위치 결정에 관련된 전파 지연들을 결정하는 데 사용되는 클럭들의 대응하는 동기성과 직접 관련된다.
하나의 그러한 방법은 도달 시간차(TDOA)에 기초하며, 신호가 2개의 목적지로 이동하는 데 걸리는 시간차를 거리 계산의 간접 방법으로서 사용한다. 예를 들어 최소 3개의 기지국이 핸드셋으로부터 신호를 수신하는 경우, 신호가 각각의 기지국 타워에 도달하는 데 걸리는 시간의 차이를 이용하여, 이동 유닛의 위치를 삼각 측량할 수 있다. TDOA 시스템들은 어떠한 특수 안테나도 필요로 하지 않으며, 따라서 기반 구조가 간단하게 유지된다. 위치 결정되어야 하는 이동 디바이스가 송신할 때, 타겟 이동 신호의 도달 시간은 신호를 수신할 수 있는 각각의 기지국 또는 액세스 포인트에서 TDOA 위치 측정 유닛에 의해 기록된다. 이동 디바이스의 신호는 일정한 속도(광속)로 이동하므로, 임의의 2개의 측에 대한 신호의 도달 시간의 비교는 이동 디바이스의 각 측에 대한 상대적 위치를 결정하기 위한 간단한 계산을 가능하게 한다. 이러한 관계를 도시할 때, 이는 공간에 가상 쌍곡선을 묘사한다. 장소를 정밀하게 결정하기 위해서는 추가적인 정보가 필요하지만, 타겟 이동 디바이스는 이 곡선 상의 어디엔가 위치한다. 제3 기지국 또는 액세스 포인트 측으로부터의 측정들을 포함하는 동일한 계산을 수행하여 사이트 A, B, C로부터, 예를 들어 사이트 A와 C 사이 또는 사이트 B와 C 사이의 도달 시간차를 계산할 때, 독립적인 위치 쌍곡선이 묘사될 수 있다. 2개의 쌍곡선 AB와 BC가 교차하는 포인트가 타겟 이동 디바이스의 위치이다. 일반적으로, TDOA는 기지국 또는 액세스 포인트들에서 정밀한 시간 동기화를 요구하지만, 타겟 이동 디바이스에서는 반드시 그렇지는 않다. 클럭 측정의 부정확성이 큰 위치 에러를 유발할 수 있다는 것은 분명하다. 그러나, 높은 클럭 정밀도 및 대응하는 마스터 클럭 및 관련 동기화 절차는 기술적으로 복잡한 솔루션들을 필요로 하며, 다른 한편으로 이러한 솔루션들은 기지국들 및 예를 들어 액세스 포인트들과 같은 기반 구조 디바이스들에 적절한 클럭 기준을 제공하기 위해 이들 디바이스에서의 적응들을 필요로 한다.
따라서, 클럭 동기화 또는 고가의 마스터 클럭의 필요 없이 이동 디바이스의 위치 추정을 제공하는 것이 필요하다.
이러한 문제는 청구항 1에 따른 클럭킹 방법에 의해, 청구항 13 또는 15에 따른 클럭킹 구성에 의해 그리고 청구항 17에 따른 클럭킹을 위한 컴퓨터 프로그램 제품에 의해 해결된다.
본 발명의 추가적인 유리한 개발들이 종속 청구항들에 제공된다.
이롭게도, 본 발명에 따른 방법은 무선 이동 네트워크의 기지국들 또는 무선 근거리 네트워크의 액세스 포인트들이 공지 위치들에 위치하고, 따라서 고정된 위치 관계로 배치된다는 사실을 이용한다. 이것은 그러한 국들 사이에 전송되고 개별적으로 수신되는 비컨 신호들의 신호 전파 지연들의 계산을 가능하게 한다. 이들은 공지된 신호 전파 속도 및 국들 간의 각각의 거리에 기초하여 계산된다.
게다가, 도달 시간차의 결정은 2개의 개별 수신국들의 로컬 클럭들의 서로에 대한 관계의 결정을 가능하게 하고, 절대값들을 필요로 하지 않는다. 따라서, 고유하게 식별되는 신호들의 수신 시간들을 개별 수신국들에서 측정함으로써, 개별 수신국들의 쌍들의 상대적인 클럭 거동을 모델링하고, 이를 절대 공지 도달 시간차와 함께 이용하여, 각각의 기지국들 또는 무선 액세스 포인트들에 의해 사용자의 이동 디바이스로부터 수신되는 신호에 대한 교정 값을 계산하여, 사용자 신호에 대한 대응하는 도달 시간차를 교정할 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 방법은 단지 액세스 포인트들 및 기지국들 각각에서의 적절한 측정들의 적절한 계산들을 관련시킴으로써 추가적인 하드웨어를 사용하지 않고도 본 발명의 과제를 해결한다.
이롭게도, 본 발명에 따른 방법의 일례의 추가 개발에 따르면, 복수의 신호의 전송 및 타임스탬핑이 분석되며, 이는 이롭게도 모델 곡선에서 더 높은 정밀도를 제공한다.
이롭게도, 본 발명의 방법의 추가 개발에 따르면, 신호들은 무선으로 전송되며, 이는 이롭게도 케이블 및 와이어가 배치될 필요가 없으므로 매우 간단한 기반 구조를 제공한다.
이롭게도, 본 발명의 방법의 추가 개발에 따르면, 신호는 비컨 신호로서 구현되는데, 그 이유는 이것이 본 발명과 관련하여 사용될 비컨 신호들을 이미 전송한 정상 무선 액세스 포인트들 또는 기지국들의 사용을 가능하게 하기 때문이다.
이롭게도, 본 발명에 따른 방법의 추가 개발에 따르면, 신호는 프레임인데, 그 이유는 사실상 프레임들은 그들의 프레임 번호 내에 고유 식별 특성을 소유하는 장점을 제공하며, 따라서 현재 사용되는 송신 시스템들에서 본 발명의 방법의 구현을 더 용이하게 하기 때문이다.
더 이롭게도, 본 발명의 개발에 따르면, 프레임은 IEEE 802.11 표준과 같은 근거리 네트워크 프로토콜에 따르는 프레임으로서 구현될 수 있는데, 그 이유는 이러한 방식으로 표준들이 본 발명에 의해 쉽게 적응될 수 있고, 일반적으로 사용되는 송신 표준들이 본 발명에 따른 방법 내의 통합에 적합하기 때문이다.
이롭게도, 일 실시예에 따른 본 발명에 따른 방법의 도달 시간차의 모델링을 위해, 최소 제곱들을 갖는 다항식이 사용될 수 있는데, 그 이유는 그러한 다항식이 그의 수학적 구조에 있어서 간단하면서도, 모델링 프로세스에서의 정밀도를 희생시키지 않고 본 발명의 방법에 따른 2개의 클럭의 의존성의 묘사의 필요성을 충족시키기 때문이다.
이롭게도, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 추가 개발에 따르면, 적어도 하나의 신호는 임의의 시점 전에 전송되고, 하나는 임의의 시점 후에 전송되어, 본 발명의 방법에 따른 임의의 시점에서의 클럭킹의 정밀도를 향상시킨다.
이롭게도, 본 발명에 따른 방법의 추가 개발에 따르면, 동일 수의 신호들이 임의의 시점 전에 그리고 임의의 시점 후에 전송되어, 본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에 따른 클럭킹의 결정의 최고 정밀도를 제공하는 것이 보증된다.
이롭게도, 본 발명의 방법의 추가 개발에 따르면, 수신국들의 상이한 쌍에서의 도달 시간차는 도달 시간차 기반 위치 결정 방법에 의해 이동국의 위치를 정밀하게 결정하는 데 사용된다. 이것은 2개의 쌍곡선 및 이들의 대응하는 교점의 이동 디바이스의 위치로서의 결정을 가능하게 한다.
본 발명은 클럭킹을 위한 구성으로서,
적어도 제1, 제2 및 제3 디바이스 - 상기 제1 디바이스는 고유 식별자를 갖는 적어도 제1 및 제2 신호를 전송하기 위한 송신 수단을 구비하고, 상기 제2 및 제3 디바이스들은 상기 적어도 제1 및 제2 신호들을 수신하기 위한 수신 수단 및 클럭, 및 각각의 신호의 수신 시에 각각의 측정된 제2 및 제3 로컬 클럭을 각각의 신호에 연관시켜, 상기 제2 및 제3 디바이스의 로컬 클럭들의 적어도 2개의 값 쌍들을 생성하기 위한 처리 수단을 구비함 -;
로컬 클럭들의 상기 값 쌍들에 기초하여, 시간에 따른 상기 제2 및 제3 로컬 클럭의 의존성의 시간 함수를 제1 모델 곡선으로서 모델링하기 위한 모델링 수단 - 상기 제2 및 제3 디바이스는 임의의 시점에 상기 제2 및 제3 디바이스에서 사용자 디바이스로부터 사용자 신호를 수신하고, 그의 수신 시에 상기 제2 및 제3 디바이스의 각각의 제2 및 제3 로컬 클럭에 의해 측정되는 수신 시간을 상기 사용자 신호에 연관시켜, 상기 제2 및 제3 디바이스의 로컬 클럭들의 사용자 값 쌍을 생성하도록 더 구성됨 -;
상기 제1 및 제2 디바이스와 상기 제1 및 제3 디바이스 간의 각각의 거리 및 공지된 신호 전파 속도에 기초하여, 고정 위치 관계로부터 상기 제2 및 제3 디바이스에서 수신되는 상기 제1 디바이스로부터의 신호에 대한 기준 도달 시간차(RTDOA)를 계산하고, 상기 사용자 값 쌍으로부터 사용자 도달 시간차(UTDOA)를 계산하기 위한 처리 수단;
상기 임의의 시점에 상기 제1 모델 곡선으로부터 값을 결정하고, 이 값에 기초하여, 결정된 도달 시간차(DTDOA)를 계산하기 위한 수단
을 포함하고,
상기 처리 수단은 상기 RTDOA와 DTDOA를 관련시켜 현재 교정 팩터를 결정하고,
클럭킹을 위해 상기 현재 교정 팩터를 이용하여 상기 UTDOA를 교정하도록 구성되는 구성을 제공한다.
이롭게도, 본 발명에 따른 구성은 본 발명에 따른 클럭킹을 달성하기 위해 최소 수의 수신 디바이스를 포함하며, 이는 본 발명의 과제를 해결할 수 있는 경쟁력 있는 방식으로 간단한 기반 구조를 제공한다.
이롭게도, 본 발명에 따른 구성의 추가 개발은 수행되어야 하는 계산 집약적인 작업들을 위해 서버를 사용하는 것을 가능하게 하며, 이는 다른 한편으로는 수신국들의 추가적인 간소화를 가능하게 하며, 이동 디바이스의 위치를 계산하기 위해 수신 신호들의 각각의 식별자와 이들의 관련 시간 정보의 계산 서버로의 대응하는 통신만을 필요로 한다.
이롭게도, 본 발명의 컴퓨터 프로그램 제품은 저장 및 운반의 수단을 제공함으로써 각각의 기지국들 및 액세스 포인트들에서 본 발명의 방법을 구현하기 위한 간단한 수단을 제공한다.
이어서, 본 발명은 도면들에 도시된 예들 및 실시예들에 의해 더 설명된다. 도면들에서:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 간단한 송신기 및 수신기 구성을 나타낸다.
도 2는 2개의 수신국의 상대적인 클럭 거동의 일례를 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 전송의 일례를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도달 시간차에 기초하는 사용자 위치의 추정을 설명하는 흐름도를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램 제품의 일례를 제공한다.
도 6은 본 발명에 따른 구성의 디바이스의 일례를 제공한다.
본 발명은 특정 실시예들과 관련하여 그리고 소정의 도면들을 참조하여 설명되지만, 본 발명은 그에 한정되는 것이 아니라 청구항들에 의해서만 한정된다. 설명되는 도면들은 개략적일 뿐, 한정적이 아니다. 도면들에서, 요소들 중 일부 요소들의 크기는 예시의 목적을 위해 과장될 수 있고, 축척으로 도시되지 않을 수 있다. 본 설명 및 청구항들에서 "포함하는"이라는 용어가 사용되는 경우, 이것은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않는다. 단수 명사를 지칭할 때 부정관사 및 정관사, 예로서 "a" 또는 "an", "the"가 사용되는 경우, 이것은 구체적으로 달리 언급되지 않는 한 그 명사를 복수 개 포함한다.
청구항들에서 사용되는 "포함하는"이라는 용어는 그 뒤에 나열된 수단들로 한정되는 것으로 해석되지 않아야 하며, 이는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않는다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 디바이스"라는 표현의 범위는 컴포넌트 A 및 B로만 구성되는 디바이스들로 한정되지 않아야 한다. 이것은 본 발명과 관련하여 디바이스의 관련 컴포넌트들이 A와 B뿐이라는 것을 의미한다.
더욱이, 설명 및 청구항들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어들은 유사한 요소들을 구별하는 데 사용되며, 반드시 순차적 또는 연대학적 순서를 나타내지는 않는다. 그렇게 사용되는 용어들은 적절한 상황들에서 교환 가능하며, 본 명세서에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 본 명세서에서 설명되거나 예시되는 것들과 다른 순서들로 동작할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
더욱이, 설명 및 청구항들에서 상, 하, 위 및 아래 등의 용어들은 설명의 목적으로 사용되며, 반드시 상대적인 위치들을 나타내는 것은 아니다. 그렇게 사용되는 용어들은 적절한 상황들에서 교환 가능하며, 본 명세서에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 본 명세서에서 설명되거나 예시되는 것들과 다른 배향들에서 동작할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1에 제공된 예로서, 본 발명의 방법을 이용하기 위한 기본 구성은 3개의 액세스 포인트(AP1, AP2, AP4)를 포함하거나 그들로 구성된다. 본 발명을 한정하지 않고, 이들 액세스 포인트는 각각 신호들, 예로서 무선 신호들을 송신 및 수신할 수 있는 임의의 국들일 수 있다. 송수신기, 즉 송신기는 물론, 수신기일 가능성은 별개의 송신 및 수신 국들을 가질 필요가 없고, 따라서 자원들의 최적 이용을 제공한다는 점에서 소정의 장점들을 갖는다. 이 경우, 액세스 포인트들은 예를 들어 IEEE 표준 802.11에 따른 무선 LAN의 액세스 포인트들일 수 있다. 그러나, 어떠한 제한도 없이, 액세스 포인트들은 각각 신호, 각각 다수의 신호, 특히 신호가 고유 신호로서 식별될 수 있게 하는 고유 식별자 또는 적어도 하나의 요소를 가질 수 있는 무선 신호들을 송신 및 수신할 수 있는 국들일 수 있다. 예를 들어, 각각의 신호는 상이한 포맷을 가지며, 따라서 고유 신호일 신호의 고유 식별자는 포맷인 것을 생각할 수 있다.
이 경우, 국(AP4)은 고유 신호, 각각 국들(AP2, AP1)에 의해 수신되는 고유 신호들의 시퀀스를 전송한다. 각각의 국들(AP1, AP2)은 그들의 로컬 클럭에 의해 고유 신호 또는 신호들의 수신시에 고유 신호를 그들의 로컬 클럭에 의해 고유 신호의 수신시에 측정된 시간과 연관시킨다. 어떠한 제한도 없이, 그러한 연관은 국(AP4)으로부터의 동일 개별 고유 신호의 공동 수신과 관련하여 국들(AP2, AP1)의 로컬 클럭들의 의존성을 프로토콜화하기 위하여 하나, 둘 또는 복수의 고유 신호에 대해 수행될 수 있다.
종종, 국들(AP1, AP2, AP4)과 같은 무선 액세스 포인트들에서, 이들은 간단한 구조를 갖고, 따라서 저가의 클럭킹 디바이스들만이 사용되며, 이는 이러한 클럭들이 온도 드리프트 내지 클럭 부정확 드리프트, 예로서 위상 드리프트 및/또는 클럭의 주파수 드리프트를 겪어서 개별 국들(AP1 내지 AP4)의 클럭킹의 소정의 부정확을 유발한다는 점에서 단점을 갖는다. 국들(AP1 내지 AP4)의 다양한 클럭들의 절대 오프셋들 및 레이트 차이들은 초당 드리프트의 마이크로초들 또는 등가적으로 PPM(parts per million)으로 정량화될 수 있다. 이러한 오프셋들은 이들이 측정될 때 많은 초 또는 분의 장기간에 걸쳐 누적 또는 축적될 수 있다. 이것은 정확한 측정을 제공한다. 누적된 오프셋들 또는 이들에 대한 임의의 관련 값이 예를 들어 옵션인 위치 결정 엔진 내에 저장될 수 있다. 위치 결정 엔진은 다양한 국들에서 도달 시간차의 계산을 수행하는 서버의 형태로 구현될 수 있다.
도달 시간차 측정을 위해, 이동 디바이스로서 구현될 수 있는 사용자 디바이스(도시되지 않음)와 둘 이상의 수신국, 예로서 AP2, AP1 및 AP4 사이의 신호 이동 시간들의 시간차가 계산될 수 있다.
도 1에서, 2410 내지 2480으로 표시된 쌍곡선들은 AP2와 AP4 사이의 일정한 지연 차이들의 라인들을 나타내는 반면, 1410 내지 1480으로 표시된 쌍곡선들은 국들 AP1과 AP4 사이의 일정한 지연 차이들의 라인들을 나타낸다. 주어진 예에서 110으로 표시되는 바와 같이, 사용자의 위치는 쌍곡선 120 상의 어딘가에 있어야 한다. 한편, 140으로 또한 표시되는 바와 같이, 사용자의 위치는 또한 참조 부호 130으로 표시된 쌍곡선 상의 어딘가에 있어야 한다. 따라서, 쌍곡선들(110, 130)의 교점에서, 참조 부호 140으로 또한 지시되는 사용자의 위치, 각각 사용자의 이동 디바이스의 위치가 식별될 수 있다.
본 발명의 실시예는, 공지된 국들(AP1 내지 AP4)이 고정 위치 관계에 있으므로 이들 간의 거리들이 공지되고, 서로 간의 국들의 분리 거리들에 기초하여, 거리 및 전파 속도를 취하여 대응 전송 신호의 정확한 전파 시간이 계산될 수 있다는 사실을 이용한다. 정확한 계산에 기초하여 도달 시간차를 결정함으로써 이 정확한 도달 시간차와 2개의 관련 국들의 부정확한 클럭들에 의해 측정된 도달 시간차의 관계의 확립이 가능하게 된다. 2개의 수신국에서의 도달 시간차의 시간 의존성의 모델에 기초하여, 2개의 수신국의 부정확한 클럭들에 의해 측정되는 도달 시간차에서의 대응 에러 값을 식별하기 위한 분석이 수행될 수 있다. 게다가, 정확한 계산에 기초하여, 시스템은 교정 값을 계산하고, 따라서 이러한 2개의 수신국에 관한 임의 시점에서의 정확한 도달 시간차를 도출할 수 있다. 예를 들어, 이것은 임의 시점에서의 교정 값들을 이 시점에서의 모델링된 값과 관련시켜 현재 교정 값을 계산함으로써 달성될 수 있다. 이와 관련된 수학 연산들은 바람직하게는 값들을 관련시키기 위한 제산 및 현재 교정 값을 이용하여 사용자 디바이스로부터 수신된 신호에 대한 교정된 도달 시간차를 계산하기 위한 승산이다.
그러한 프로세스는 도 1의 실시예에 도시된 구성의 일부인 임의의 2개의 수신국에 대해 수행될 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따르면, 절대값이 결정될 필요가 없고, 대신에 임의의 2개의 수신국 사이의 상대적인 클럭 거동만이 결정되면 된다. 물론, 사용자 디바이스에 의해 도달 시간차도 결정될 수 있으며, 이는 다른 한편으로는 사용자 디바이스로의 그리고/또는 그로부터의 대응 데이터의 수신 및 전송을 위한 다수의 추가적인 준비를 필요로 한다. 사용자 디바이스의 정확한 위치 추정을 수행하기 위해, 1/3 미터에 대응하는 1 ns 정도의 타이밍 정확도가 바람직하게 요구된다.
도 2는 참조 부호 290으로 표시되는 2개의 국(AP1, AP2)에서의 클럭 거동의 일례를 제공한다. 수직축 상에서 국(AP2)에서의 클럭의 로컬 시간은 275로 표시되고, 수평축 상에서 국(AP1)에서의 시간은 265로 표시된다. 참조 부호 215, 220, 230, 235, 240, 245 및 255로 지시되는 도면 내의 삼각형들은 국 AP1 및 AP2 각각에서의 고유 신호들의 수신 시간들을 나타낸다. AP1 및 AP2의 클럭들이 정확하게 그리고 매우 정밀하게 동작하는 경우, 삼각형들을 연결하는 곡선은 존재하지 않고, 이들은 모두 직선 상에 위치할 것이다.
이 예에서는, 신호 전파 속도 및 각각 AP4와 AP2 및 AP4와 AP1 사이의 거리의 계산에 기초하는 신호의 공지 전파 시간이 AP4로부터의 비컨 신호일 수 있는 신호의 수신 시간들로부터 감산되었다. 국의 위치들이 공지되어 있으므로, 그러한 계산은 기술자에 의해 쉽게 수행될 수 있다. 다양한 삼각형들을 연결하는 참조 부호 210으로 표시되는 곡선은 임의의 적절한 회귀 또는 보간 방법에 의해, 예로서 간단한 다항식에 의해 모델링될 수 있다는 것도 상상 가능하다. 그러나, 측정된 로컬 클럭들의 값 쌍들로 훈련된 신경망에 의한 값 근사화와 같은 다른 적절한 모델링 기술들도 상상 가능하다. 참조 부호 250은 사용자의 이동 디바이스로부터의 신호가 각각의 국들(AP1, AP2)에서 수신되는 임의의 시점으로서의 시간을 나타낸다. 측정들 간의 매끄러운 곡선은 사용자 관찰 시에 AP1과 AP2 사이의 시간차를 산출하는 다항식 곡선 피팅에 의해 얻어질 수 있다.
그러한 부정확한 로컬 클럭들의 의존성은 예를 들어 도 3에 도시된 구성에서 더 설명된다. 특히, 이 도면에는 321로 참조되는 국(AP2)의 로컬 클럭 및 311로 참조되는 국(AP1)의 로컬 클럭이 도시되어 있다. 참조 부호 Tp4 ,2로 표시되는 AP4와 AP2 사이의 신호 전파 시간이 거리 및 전파 속도의 계산에 기초하여 알려지며, 이는 Tp4 ,1로 표시되는 AP4와 AP1 사이에 전송되는 신호의 전파 시간에 대해서도 그러하다는 것이 더 지시된다. 국(AP4)으로부터 전송되는 신호에 대한 행해진 측정들 및 관련 타이밍은 예를 들어 필요한 계산들은 물론, 다항식 곡선 피팅이 그 일례인 회귀 분석과 같은 적절한 모델링 기능을 수행하는 참조 부호 380으로 표시되는 서버로 전송될 수 있는 반면, 전송은 참조 부호 350으로 표시된 화살표에 의해 예시된다. 예를 들어, 무선 측정들에 의해 상대적인 클럭 거동이 얻어질 수 있다.
예를 들어, 다음과 같은 방식으로 전파 시간 교정이 수행될 수 있다. 공지 위치들에 2개의 수신국(AP1, AP2)이 존재하는 것으로 가정할 수 있다. AP1 및 AP2의 클럭들은 나노초 단위로 시간을 지시하고 있으며, 서로 동기화되지 않는다. 따라서, 이들은 서로에 대해 시간적으로 드리프트하고 있다. 한편, AP1 및 AP2 양자 각각은 예를 들어 단일 송신국(AP4)으로부터의 프레임 형태의 동일 수신 신호를 정확하게 타임스탬핑할 수 있다. 신호 전파 속도 및 국들 간의 거리에 기초하여, AP4에 의해 전송되는 프레임이 1 ns에 0.3 m 전파하고, 따라서 AP4가 AP1로부터 30 m 그리고 AP2로부터 18 m 떨어져 있는 것은 AP4로부터 AP1까지의 30 m/0.3 m/ns = 100 ns의 전파 지연을 유발하는 반면, AP4로부터 AP2까지의 전파 지연은 18 m/0.3 m/ns = 60 nm이라는 것이 알려진다. 예를 들어, AP1은 AP4로부터 수신된 프레임을 629,154,927 ns의 판독치로 타임스탬핑하는 반면, AP2는 AP4로부터 수신된 동일 프레임을 402,549,572 ns의 판독치로 타임스탬핑한다. 이 예에서, AP1은 예를 들어 AP4가 프레임을 전송한 것과 동일한 시간에서의 그의 클럭 판독치가 629,154,927 - 100 = 629,154,827 ns인 것으로 계산하는 반면, AP2는 AP4가 프레임을 전송한 것과 동일한 시간에서의 그의 클럭 판독치가 402,549,572 - 60 = 402,549,512 ns인 것으로 계산한다. 이것은 AP1의 클럭이 629,154,827 ns를 판독하는 순간에 AP2의 클럭이 402,549,512 ns를 판독하고, 그 반대도 마찬가지라는 결과를 낳는다. 그러나, 공지 전파 지연의 계산은 계산 프로세스에서 임의의 시간에 제외될 수 있는데, 그 이유는 이것이 선행 조건으로서 국들의 위치가 일정하게 유지되는 경우에 공지 상수로 유지되기 때문이다. 따라서, 계산들의 시퀀스에서의 상이한 순서가 항상 가능하다. 다항식 곡선과 같은 회귀 곡선의 관찰된 상대적 AP 클럭 거동에의 피팅은 아래의 방식으로 수행될 수 있다. 바람직하게는, 사용자 관찰의 상대적 타이밍이 결정되는 것이 필요한 순간에 걸치는 n개의 관찰을 포함하는 시간의 세그먼트에 걸쳐 상대적 클럭 거동이 모니터링된다. 예를 들어, 결국에는 동일 비컨 전송들의 공지 전파 시간들에 대해 교정되는 것이 필요한 n개의 기록된 관찰 시간들이 TAP1 ,i 및 TAP2 ,i로 표시되는 경우, 다항식 곡선은 관찰 데이터에 피팅될 수 있으며, 이는 예로서 아래의 형태에서의 관찰 데이터에 대한 최소 제곱 피팅이다.
Figure pct00001
이어서, 아래의 식에 의한 최소 제곱 행렬 기술을 이용하여 관찰 데이터로부터 계수들 a0, a1 및 a2가 쉽게 얻어질 수 있다.
Figure pct00002
여기서, a는 a0, a1 및 a2로 구성되는 열 벡터이고, Y는 TAP2 ,1 내지 TAP2 ,n의 n개의 AP2 관찰의 열 벡터이며, X는 AP1 관찰들로부터 형성된 n x 3 행렬, 예로서 아래의 행렬이다.
Figure pct00003
http://mathworld.wolfram.com/LeastSquaresFittingPolynomial.html로부터 추가 상세들이 얻어질 수 있다.
이 예에서는 2차 다항식이 사용되며, 여기서 a0은 고정 시간 오프셋을 나타내고, a1은 고정 주파수 오프셋을 나타내며, a2는 시간에 따른 선형 주파수 드리프트를 나타낸다. 2차 솔루션이 복잡한 곡선이 아닌 도 2에 도시된 곡선의 형상을 제공하기에 충분히 양호할 수 있지만, 본 발명의 한정 없이 더 높은 차수의 다항식들을 사용하는 것도 가능하다. 그러나, 다항식의 차수와, 적어도 J+1번의 측정 관찰이 요구되는 J차 다항식에 대한 그의 결정에 필요한 측정 관찰들의 수 사이에는 의존성이 존재한다. 바람직하게는, 실제로는, 측정 잡음의 영향의 감소가 필요한 경우에 더 많은 측정 관찰이 필요하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 결정 프로세스의 일례를 흐름도로 나타낸다.
405에서 프로세스가 시작된다. 410에서, 각각의 국은 그가 수신하는 모든 신호에 대해 그 자신의 클럭에 대한 그의 부정확한 신호 도달 시간을 측정한다. 이 실시예의 415에서, 국들은 예를 들어 개별 신호의 도달 시간 및 관련 신호 식별자를 의미하는 관찰들을 위치 계산에 사용될 수 있는 위치 결정 서버로 전송한다. 이 예의 420에서, 서버는 소정 기간 동안의, 예를 들어 수십 초의 기간 동안의 모든 측정치들을 저장한다. 425에서, 위치 결정 요청의 경우에(또는 대안으로서 주기적으로), 적절한 신호, 예를 들어 사용자 프레임을 수신하는 각각의 국은 그의 로컬 클럭을 이용하여 사용자 신호를 나타내는 각각의 특정 사용자 프레임의 도달 시간을 측정하고, 430에서, 관찰된 사용자 신호 측정치 및 관련 식별자는 물론, 시간을 위치 결정 서버로 전송한다. 435에서, 서버는 사용자 신호를 수신한 무선국들에 대응하는 무선국들 간의 신호 전송을 위해 저장된 값들을 검색하고, 440에서 전파 속도 및 위치 관계, 각각의 공지된 거리들에 기초하여 공지 전파 지연들을 감산함으로써 무선국들 간의 검색된 통신에 관한 관찰을 교정한다. 이어서, 440에서, 무선국들 사이의 공동 상호통신을 수신한 무선국들의 각 쌍에 대한 교정된 값 쌍들에 대해 다항식 피팅과 같은 회귀 분석이 수행된다. 450에서, 서버는 예를 들어 사용자 신호가 수신된 시간에 대응하는 시간들에 다항식들을 이용하여 무선국들의 클럭 오프셋들을 추정한다. 455에서 무선국들의 각 쌍에 대해, 460에서 사용자 신호에 대한 도달 시간차가 계산되며, 무선국들의 대응 쌍으로부터의 저장된 값들 및 클럭 오프셋의 계산된 다항식 추정치에 기초하여 결정된 팩터에 대해 교정된다. 465에서, 교정된 도달 시간차 정보가 위치 결정 알고리즘으로 전송되고, 470에서, 도 1에 도시되고 참조 부호 120 및 130으로 표시된 바와 같은 2개의 쌍곡선을 교차시켜 추정 사용자 위치를 계산하여, 495에서 검색되는 화살표 140으로 표시되는 사용자 위치를 결정한다. 475에 의해 표시되는 바와 같이, 이러한 프로세스는 다양한 사용자 위치들을 결정하기 위해 반복될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램 제품의 일례를 나타낸다. 참조 부호 500은 본 발명에 따른 임의의 방법 단계들을 나타내는 프로그램 코드(520)를 포함하는 데이터 캐리어를 지시한다. 그러한 컴퓨터 프로그램 제품은 본 발명의 방법을 운반하고, 본 발명의 송신 및 수신 국들(AP1 내지 AP4)이 네트워크 인터페이스 또는 대응 데이터 판독기를 구비하는 경우에 이들 상에서 본 발명의 방법을 구현하기 위한 간단한 엔티티를 구성한다. 본 발명의 데이터 캐리어는 자기 또는 광학 매체 또는 플래시 저장 디바이스와 같은 하드웨어 저장 매체 등의 적절한 데이터 캐리어일 수 있다. 이것은 하나의 컴퓨터로부터 다른 컴퓨터로 프로그램 코드를 다운로드하기 위해 유선 네트워크 또는 무선 네트워크 상에서 구현되는 소정의 네트워크 프로토콜에 따라 네트워크 상에서 전송되는 신호에 의해서도 표현될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 구성에서 사용될 수 있는 국의 일례를 나타낸다. 참조 부호 600은 예를 들어 프레임 번호와 같은 고유 식별자에 의해 바람직하게 식별 가능한 고유 신호들을 송신 및/또는 수신할 수 있는 무선국, 예로서 액세스 포인트 또는 임의의 다른 무선 또는 유선 바운드(bound) 디바이스를 나타낸다. 이것은 데이터 입력 및 표시를 위해 기계적인, 전기적인 또는 사용자에 고유한 임의 종류의 입출력 인터페이스(610)를 갖는다. 게다가, 국은 예를 들어 GSM, 블루투스 또는 WLAN 범위의 주파수들에서 송신 및 수신할 수 있거나 유선 또는 광학 매체를 통해 표준 패킷 통신을 처리하기 위한 수신기(615) 및 송신기(620)를 포함한다. 제어기 또는 프로세서(625)가 국(600)의 기능들을 제어할 수 있으며, 필요한 계산들을 수행하기 위한 전력을 갖는다. 게다가, 통신 및 연산 데이터를 저장하기 위한 임의의 광학, 반도체 또는 자기 디바이스일 수 있는 메모리(630)가 존재한다. 참조 부호 635는 배터리 또는 벽 콘센트에 접속되는 변압기일 수 있는 전력 공급 디바이스를 나타낸다. 모든 내부 컴포넌트들은 적절한 시스템 버스(650)에 의해 접속되어, 국(600)의 적절한 동작을 보증한다. 국(600)과 유사한 방식으로, 계산 서버(380)가 사용자 디바이스의 위치 결정 및 필요한 통신을 수행하도록 대응하는 방식으로 치수가 정해진 컴포넌트들(610, 615, 620, 625, 630, 650) 중 하나 또는 모두를 구비할 수 있다.

Claims (17)

  1. 고정 위치 관계의 적어도 제1 디바이스(AP4), 제2 디바이스(AP2) 및 제3 디바이스(AP1)를 포함하는 클럭킹을 위한 방법으로서,
    - 적어도 상기 제1 디바이스(AP4)가 고유 식별자를 갖는 적어도 제1 및 제2 신호를 전송하는 단계;
    - 적어도 상기 제2(AP2) 및 제3 디바이스(AP1)가 신호의 수신 시에 상기 제2 및 제3 디바이스의 각각의 제2 및 제3 로컬 클럭(321, 311)에 의해 측정되는 수신 시간을 상기 제1 및 제2 신호 각각에 연관시켜, 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스의 로컬 클럭들의 적어도 2개의 값 쌍들을 생성하는 단계;
    - 로컬 클럭들의 상기 값 쌍들에 기초하여, 시간에 따른 상기 제2 및 제3 로컬 클럭의 의존성의 시간 함수를 제1 모델 곡선으로서 모델링하는 단계;
    - 임의의 시점에 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스에서 사용자 디바이스로부터 사용자 신호를 수신하고, 그의 수신 시에 상기 제2 및 제3 디바이스의 상기 각각의 제2 및 제3 로컬 클럭(321, 311)에 의해 측정되는 수신 시간을 상기 사용자 신호에 연관시켜, 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스의 로컬 클럭들의 사용자 값 쌍을 생성하는 단계;
    - 상기 제1(AP4) 및 제2(AP2) 디바이스와 상기 제1(AP4) 및 제3(AP1) 디바이스 간의 각각의 거리 및 공지된 신호 전파 속도에 기초하여, 상기 고정 위치 관계로부터 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스에서 수신되는 상기 제1 디바이스(AP4)로부터의 신호에 대한 기준 도달 시간차(RTDOA)를 계산하는 단계;
    - 상기 사용자 값 쌍으로부터 사용자 도달 시간차(UTDOA)를 계산하는 단계;
    - 상기 임의의 시점에 상기 제1 모델 곡선으로부터 값을 결정하고, 이 값에 기초하여, 결정된 도달 시간차(DTDOA)를 계산하는 단계;
    - 상기 RTDOA를 상기 DTDOA와 관련시켜 현재 교정 팩터를 결정하는 단계; 및
    - 클럭킹을 위해 상기 현재 교정 팩터를 이용하여 상기 UTDOA를 교정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 2개보다 많은 신호가 전송되며, 모든 신호들에 대해 각각의 모델 곡선이 모델링되는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 신호들은 무선으로 전송되는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호는 비컨 신호인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 신호는 프레임인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고유 식별자는 프레임 번호인 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 프레임은 표준 IEEE 802.11에 따르는 프레임인 방법.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시간 함수의 모델링은 다항식의 최소 제곱 피트(least squares fit)를 포함하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임의의 시점 전에 적어도 하나의 신호가 전송되고, 그 이후에 적어도 하나의 신호가 전송되는 방법.
  10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임의의 시점 전과 후에 동일한 수의 신호가 전송되는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 디바이스들(AP4, AP2, AP1)과 고정 위치 관계의 제2의 제3 디바이스를 포함하고, 상기 제2의 제3 디바이스 및 상기 제2 디바이스(AP2) 또는 상기 제3 디바이스(AP1)의 성상도(constellation)에 관하여 제2 모델 곡선을 모델링하고 제2 사용자 TDOA를 계산하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 사용자 TDOA에 기초하여 사용자 디바이스의 위치를 결정하는 방법.
  13. 클럭킹을 위한 구성(arrangement)으로서,
    적어도 제1(AP4), 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스 - 상기 제1 디바이스(AP4)는 고유 식별자를 갖는 적어도 제1 및 제2 신호를 전송하기 위한 송신기(620)를 구비하고, 상기 제2 및 제3 디바이스들(AP2, AP1)은 상기 적어도 제1 및 제2 신호들을 수신하기 위한 수신기(615) 및 클럭, 및 각각의 신호의 수신 시에 각각의 측정된 제2 및 제3 로컬 클럭(321, 311)을 각각의 신호에 연관시켜, 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스의 로컬 클럭들의 적어도 2개의 값 쌍들을 생성하기 위한 제어기(625)를 구비함 -;
    로컬 클럭들의 상기 값 쌍들에 기초하여, 시간에 따른 상기 제2 및 제3 로컬 클럭의 의존성의 시간 함수를 제1 모델 곡선으로서 모델링하기 위한 프로세서(625)
    를 포함하고,
    상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스는 임의의 시점에 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스에서 사용자 디바이스로부터 사용자 신호를 수신하고, 그의 수신 시에 상기 제2 및 제3 디바이스의 상기 각각의 제2 및 제3 로컬 클럭(321, 311)에 의해 측정되는 수신 시간을 상기 사용자 신호에 연관시켜, 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스의 로컬 클럭들의 사용자 값 쌍을 생성하도록 더 구성되고;
    상기 프로세서(625)는 상기 제1(AP4) 및 제2(AP2) 디바이스와 상기 제1(AP4) 및 제3(AP1) 디바이스 간의 각각의 거리 및 공지된 신호 전파 속도에 기초하여, 고정 위치 관계로부터 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스에서 수신되는 상기 제1 디바이스(AP4)로부터의 신호에 대한 기준 도달 시간차(RTDOA)를 계산하고, 상기 사용자 값 쌍으로부터 사용자 도달 시간차(UTDOA)를 계산하도록 구성되고;
    상기 프로세서(625)는 상기 임의의 시점에 상기 제1 모델 곡선으로부터 값을 결정하고, 이 값에 기초하여, 결정된 도달 시간차(DTDOA)를 계산하도록 더 구성되고;
    상기 프로세서(625)는 상기 RTDOA와 DTDOA를 관련시켜 현재 교정 팩터를 결정하고,
    클럭킹을 위해 상기 현재 교정 팩터를 이용하여 상기 UTDOA를 교정하도록 더 구성되는 구성.
  14. 제13항에 있어서, 계산들 및 모델링을 수행하는 상기 프로세서(625)를 구비하고, 상기 디바이스들(AP1, AP2, AP4)에 접속되는 서버(380)를 포함하는 구성.
  15. 클럭킹을 위한 구성으로서,
    적어도 제1(AP4), 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스 - 상기 제1 디바이스(AP4)는 고유 식별자를 갖는 적어도 제1 및 제2 신호를 전송하기 위한 송신 수단을 구비하고, 상기 제2 및 제3 디바이스들(AP2, AP1)은 상기 적어도 제1 및 제2 신호들을 수신하기 위한 수신 수단 및 클럭, 및 각각의 신호의 수신 시에 각각의 측정된 제2 및 제3 로컬 클럭(321, 311)을 각각의 신호에 연관시켜, 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스의 로컬 클럭들의 적어도 2개의 값 쌍들을 생성하기 위한 처리 수단을 구비함 -;
    로컬 클럭들의 상기 값 쌍들에 기초하여, 시간에 따른 상기 제2 및 제3 로컬 클럭의 의존성의 시간 함수를 제1 모델 곡선으로서 모델링하기 위한 모델링 수단 - 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스는 임의의 시점에 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스에서 사용자 디바이스로부터 사용자 신호를 수신하고, 그의 수신 시에 상기 제2 및 제3 디바이스의 상기 각각의 제2 및 제3 로컬 클럭(321, 311)에 의해 측정되는 수신 시간을 상기 사용자 신호에 연관시켜, 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스의 로컬 클럭들의 사용자 값 쌍을 생성하도록 더 구성됨 -;
    상기 제1(AP4) 및 제2(AP2) 디바이스와 상기 제1(AP4) 및 제3(AP1) 디바이스 간의 각각의 거리 및 공지된 신호 전파 속도에 기초하여, 고정 위치 관계로부터 상기 제2(AP2) 및 제3(AP1) 디바이스에서 수신되는 상기 제1 디바이스(AP4)로부터의 신호에 대한 기준 도달 시간차(RTDOA)를 계산하고, 상기 사용자 값 쌍으로부터 사용자 도달 시간차(UTDOA)를 계산하기 위한 처리 수단(380);
    상기 임의의 시점에 상기 제1 모델 곡선으로부터 값을 결정하고, 이 값에 기초하여, 결정된 도달 시간차(DTDOA)를 계산하기 위한 수단
    을 포함하고,
    상기 처리 수단(380)은 상기 RTDOA와 DTDOA를 관련시켜 현재 교정 팩터를 결정하고,
    클럭킹을 위해 상기 현재 교정 팩터를 이용하여 상기 UTDOA를 교정하도록 구성되는 구성.
  16. 제15항에 있어서, 상기 디바이스들(AP1, AP2, AP4)에 접속되어 계산들 및 모델링을 수행하는 서버(380)를 포함하는 구성.
  17. 컴퓨터에 의해 판독되고 실행될 때 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법을 프로세스 단계들로서 수행하는 프로그램 코드를 저장한 저장 매체(500)를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품(500).
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