KR20140063651A - 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치 및 위치추정방법 - Google Patents

상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치 및 위치추정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치 및 위치추정방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 사용자 단말에서 송신하는 신호를 둘 이상의 안테나를 포함하는 상향링크 액세스 포인트에서 수신하고 그 수신신호의 위상 차이를 이용하여 사용자 단말의 위치를 추정할 수 있는 위치추정장치 및 위치추정방법에 관한 것이다.

Description

상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치 및 위치추정방법{SYSEM AND METHOD FOR POSITION ESTIMATION USING UPLINK ACCESS POINT}
본 발명은 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치 및 위치추정방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 사용자 단말에서 송신하는 신호를 둘 이상의 안테나를 포함하는 상향링크 액세스 포인트에서 수신하고 그 수신신호의 위상 차이를 이용하여 사용자 단말의 위치를 추정할 수 있는 위치추정장치 및 위치추정방법에 관한 것이다.
무선 기반 위치 시스템은 이미 보편적으로 사용 중인 무선랜(WLAN: Wireless LAN), 와이파이(Wi-Fi: Wireless Fidelity), 와이브로(Wireless Broadband Internet), 와이맥스(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth), UWB(Ultra-wideband), IrDA(Infrared Data Association), 초광대역(Ultra Wild Band), SWAP(Shared Wireless Access Protocol), LTE(Long Term Evolution) 등을 이용하므로 비용측면에서 상당히 효과적이다.
통신 인프라의 한 부분인 무선 네트워크는 노트북 컴퓨터, PDA, 스마트폰 또는 다른 무선 모바일 장치를 통해, 위치 시스템을 구현할 수 있고 이러한 소프트 웨어 기반 위치 솔루션은 실내 전용 위치 추적 구조보다 현저하게 저렴하다.
종래에는 일반적으로 무선에 기반을 둔 측위기술들은 상대적으로 위치를 삼각측량하기 위해 다양한 방법을 사용한다. 현재 무선 위치 솔루션들에 대한 표준이 없으며, 또한 각 솔루션은 벤더(Vendor)에 특화되어 독자적인 특허기술을 사용하고 있으며, 사용자의 위치를 결정하는 것에 대한 세부적인 사항들은 공개하지 않고 있다.
종래의 일반적인 실내 위치추정에 관한 기술은 액세스 포인트의 셀 아이디(Cell Identification)를 인식하는 셀 아이디 방식, 기지국 간 신호세기의 차에 의해 위치를 계산하는 RSSI(Received Sigmal Strength Indicator)를 이용한 다변측위 방식 및 위치별 전파강도를 이용한 RF(Radio Frequency) 핑거프린트(Fingerprint) 방식 등으로 분류할 수 있다.
셀 아이디 방식은 오차가 크고, RSSI를 이용한 다변측위 방식은 여러 액세스 포인트 신호 간의 간섭에 의해 스루풋(Throughput)이 나빠지고 인프라 비용 부담이 증가하며, RF핑거프린트방식은 계산량이 많고 환경 변화에 민감한 문제점이 있다.
한국 등록특허 제10-0775858호(출원번호:10-2006-109443호, 출원일:2006.11.07.)에는 실내 무선 측위용 환경 분석 시스템 및 그 방법이 개시되어 있다.
그러나 상기 방법들은 비용에 비해 효율적인 위치측정이 되지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 비교적 적은 비용으로 효율적인 실내 위치 측정이 가능하도록 하는 것이다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치는 사용자 단말(300); 및 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고 제1 안테나 또는 제2 안테나를 통해 사용자 단말(300)로부터 송신되는 상향링크 신호를 수신할 수 있는 상향링크 액세스 포인트(400);를 포함하고, 상기 사용자 단말(300)로부터 제1 안테나와 제2 안테나에 도달하는 반송파의 위상 차이를 이용하여 사용자 단말(300)의 위치를 추정하는 것을 특징으로 한다.
상향링크 신호를 송수신함에 있어서, 와이파이 방식 또는 블루투스 방식을 사용할 수 있다.
상기 다수의 상향링크 액세스 포인트(400) 중 하나 이상의 액세스 포인트(300)는 데이터 통신을 위한 유선 연결이 없는 것일 수 있다.
상기 2개의 안테나 사이의 거리는 상기 반송파 파장의 0.5배 이하일 수 있다.
상기 2개의 안테나 사이의 거리는 상기 반송파 파장의 0.25배 이상이고 상기 반송파 파장의 0.5배 이하일 수 있다.
상기 2개의 안테나 사이의 거리는 상기 반송파 파장의 0.5배일 수 있다.
상기 2개의 안테나 사이의 거리는 상기 반송파 파장의 0.5배 이상이고 상기 반송파 파장 이하이며, 상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 2개 이상일 수 있다.
상기 2개의 안테나 사이의 거리는 상기 반송파 파장의 0.5배 이상이고 상기 반송파 파장 이하이며, 상기 사용자 단말(300)은 관성센서 또는 지자기센서를 추가적으로 더 구비하는 것일 수 있다.
상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 보조 안테나를 더 포함하고, 상기 제1 안테나, 제2 안테나, 보조 안테나는 일직선 상에 위치하는 것일 수 있다.
상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 제3 안테나를 더 포함하고, 제1 안테나, 제2 안테나, 제3 안테나는 일직선 상에 위치하지 않고, 제1 안테나와 제2 안테나의 위상차를 측정하여 사용자 단말(300)의 특정한 한 방향으로의 입사각을 측정하고 제1 안테나와 제3 안테나의 위상차를 측정하여 다른 방향으로의 입사각을 측정함으로써 2차원 평면상의 위치를 추정하는 것일 수 있다.
상기 상향링크 신호에는 사용자 단말(300)의 고유 식별자가 포함된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 상향링크 신호의 강도를 측정하여 상기 사용자 단말(300)과 상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나까지의 거리를 추정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나의 높이 정보와 상기 사용자 단말(300)의 높이 정보를 추가적으로 더 이용하여 사용자 단말(300)의 위치를 추정할 수 있다.
사용자 단말(300)에 주변의 지도정보, 점포정보, 각 점포의 상품 할인 정보 중 하나 이상을 포함하는 기타 정보를 사용자 단말(300)에 전송하는 측위서버(500)를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 위치추정방법은, 사용자 단말(300), 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고 제1 안테나 또는 제2 안테나를 통해 사용자 단말(300)로부터 송신되는 상향링크 신호를 수신할 수 할 수 있는 상향링크 액세스 포인트(400)를 포함하는 위치추정장치를 이용한 위치추정방법으로서, 전체 통신주기 중 경쟁구간 동안에는, 상향링크 액세스 포인트(400)가 통신이 가능한 사용자 단말(300)들과 통신을 하여 각 사용자단말(300)에게 단독 주파수 사용 시간을 할당하는 단계; 전체 통신주기 중 경쟁제한구간 동안에는, 각 사용자 단말(300)이 자신에게 주어진 단독 주사수 사용 시간 동안 반송파를 발신하고, 상향링크 액세스 포인트(400)는 제1 안테나와 제2 안테나에 수신된 반송파의 위상차를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 상향링크 액세스 포인트는, 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고 제1 안테나 또는 제2 안테나를 통해 사용자 단말(300)로부터 송신되는 상향링크 신호를 수신하고 그 수신되는 신호의 위상 차이를 이용하여 사용자 단말(300)의 위치를 추정하는 상향링크 액세스 포인트(400)에 있어서, 보조 안테나를 더 포함하고, 상기 제1 안테나, 제2 안테나, 보조 안테나는 일직선 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 위치추정 장치는 고유 식별자를 포함하는 위치식별용 정보를 무선으로 송신하는 적어도 하나의 사용자 단말(300); 및 고유 식별자, 신호의 생성 시각, 주기적으로 신호가 송신되는 시간 간격, 통신속도, 기능 및 액세스 포인트(AP) 타입 중 선택되는 적어도 하나의 위치식별용 정보를 무선으로 송신하고, 상기 사용자 단말(300)의 위치식별용 정보를 무선으로 수신하며, 상향링크 신호를 이용하여 신호 도달각도를 측정하고 RSSI(Received Signal Strength Indication)를 이용하여 거리를 측정하여 위치를 추정하는 상향링크 액세스 포인트(400);를 포함하여 구성되되, 여기서 상향링크는 상기 사용자 단말(300)에서 상기 상향링크 액세스 포인트(400)로 신호를 송신하는데 사용되는 통신링크인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 상향링크 액세스 포인트(400)는, 상기 사용자 단말로부터 위치정보를 무선으로 수신 받는 적어도 두개의 안테나(410); 상기 안테나(410)와 연결되며, 상기 안테나에 입력된 정보 중 사용자 단말 정보 및 시간 구간의 신호를 저장하는 신호획득 제어부(420); 상기 신호획득 제어부(420)와 연결되며, 안테나에 도달하는 신호의 도달시간 차를 측정하고, 안테나에 도달하는 신호의 RSSI를 측정하는 신호 처리부(430); 및 상기 신호 처리부(430)와 연결되며, 상기 안테나에 도달하는 정보의 도달시간 차이를 이용하여 도달각도를 계산하고, 상기 RSSI 정보를 이용하여 도달 거리를 계산하는 정보 처리부(440);를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 위치추정 장치는, 상기 상향링크 액세스 포인트(400)에서 추정된 위치정보 및 상기 사용자 단말(300)의 고유 식별자를 포함한 정보를 상기 상향링크 액세스 포인트로부터 전달받아 상기 사용자 단말(300)로 위치정보를 전송하는 측위서버(500)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
비교적 적은 비용으로 효율적인 실내 위치 측정이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정 장치의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정 장치의 상향링크 액세스 포인트의 블럭도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정 장치의 안테나가 2개일 경우의 위치추정 예시도.
도 4는 도 3에 보조 안테나를 추가한 예시도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정 장치의 안테나가 3개일 경우의 도달각도 추정 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정 장치의 측위서버를 이용한 블록도.
(부호의 설명)
300: 사용자 단말
400: 상향링크 액세스 포인트
410: 안테나
411: 제1 안테나
412: 제2 안테나
414: 보조 안테나
420: 신호획득 제어부
430: 신호처리부
440: 정보처리부
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 위치추정 장치 및 방법은 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정 장치의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정 장치의 상향링크 액세스 포인트의 블록도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정 장치의 안테나가 2개일 경우의 위치추정 예시도이고, 도 4는 도 3에 보조 안테나를 추가한 예시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정 장치의 안테나가 3개일 경우의 도달각도 추정 예시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정 장치의 측위서버를 이용한 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정 장치는 사용자 단말(300), 및 상향링크 액세스 포인트(400)로 구성된다.
사용자 단말(300)는 고유 식별자(예를 들면, 사용자 단말의 전화번호나 사용자 단말 기기 장치의 고유번호)와 같은 위치식별용 정보를 무선으로 송신하는 장치로 구성될 수 있다. 이때, 상기 사용자 단말(300)는 스마트폰, 모바일 기기, 위치추정 전용 단말기 등이 될 수 있다.
즉, 스마트폰은 액세스 포인트로부터 무선신호를 수신할 수 있는 장치, 가속도 센서, 자이로 센서 등과 같은 관성 센서들, 기타 제어장치를 포함하고 있으므로 사용자 단말(300)로 이용될 수 있다.
기존의 스마트폰에는 관성센서 외에 지자기센서도 포함하고 있는 것이 일반적이므로, 사용자 단말(200)은 관성센싱부 외에 지자기센서를 이용하여 좀 더 정확한 위치추정을 할 수 있다. 위치추정장치(예를 들면 GPS장치)에서 위치정보가 수신되지 않을 때, 관성센싱부 또는 지자기센서 등의 DR센서를 이용하여 현재 위치를 추정하는 기술은 공지의 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
또한 기존의 스마트폰은 와이파이 통신 기능과 블루투스 통신 기능을 갖고 있으므로, 본원발명의 무선통신방식을 와이파이 방식 또는 블루투스 통신 방식으로 하면, 기존의 스마트폰을 본원발명의 사용자 단말(300)로 이용할 수 있다. 와이파이 방식의 상향링크 액세스 포인트나 블루투스 방식의 상향링크 액세스 포인트는 종래 기술을 이용하여 건물 내에 쉽게 설치할 수 있다. 즉 상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 위치 측위에 적합한 장소를 최소한으로 선정하여 선정된 장소에 설치할 수 있다.
이때 상향링크 액세스 포인트는 외부 통신망(예를 들면, 인터넷망)과 연결되어 와이파이방식이나 블루투스 방식을 이용하여 사용자 단말(300)이 외부 통신망과 데이터 통신이 가능하도록 구현할 수도 있으며, 외부 통신망과 연결되지 않고 오직 사용자 단말(300)에서 송신하는 상향신호를 수신하여 그 정보를 사용하여 사용자 단말(300)의 위치를 추정하는 용도만으로 사용되도록 구현할 수도 있다.
본 발명에서의 액세스 포인트(400)를 상향링크 액세스 포인트라고 부르는 이유는 사용자 단말(300)에서 액세스 포인트(400) 방향으로의 신호, 즉 상향신호를 보내는 구성을 필수적으로 포함하기 때문이다. 종래의 액세스 포인트는 사용자 단말로부터 송수신한 데이터를 다시 외부의 장치로 송수신하기 위해 액세스 포인트가 외부의 장치와 유선으로 연결되어 있는 것이 일반적이나, 본 발명에서의 상향링크 액세스 포인트(400)에서는 단말기의 위치를 파악하는데 필요한 상향신호를 받고 그 정보를 다시 사용자 단말(300)로 보낼 수 있으면 되기 때문에 다른 외부의 장치와 데이터 통신을 하기 위한 유선 연결이 필요없다. 따라서 본 발명의 상향링크 액세스 포인트(400)는 설치할 때 전원선만 연결하면 되고 외부의 다른 장치와 데이터 통신을 하기 위한 유선 연결이 필요 없어 설치가 간편한 장점이 있다.
따라서 본 발명은, 다수의 상향링크 액세스 포인트(400)를 포함하고, 그 중 하나 이상의 상향링크 액세스 포인트(400)는 데이터 통신을 위한 유선 연결이 없는 것을 특징으로 할 수 있다.
상향링크 액세스 포인트(400)는 고유 식별자, 신호의 생성 시각, 주기적으로 신호가 송신되는 시간 간격, 통신속도 및 기능 중 선택되는 적어도 하나의 위치식별용 정보를 무선으로 송신하고, 상기 사용자 단말(300)의 위치식별용 정보를 무선으로 수신하며, 상향링크 신호를 이용하여 신호 도달각도를 측정하고 RSSI(Received Signal Strength Indication)를 이용하여 거리를 측정하여 위치를 추정한다. 여기서 상향링크는 상기 사용자 단말(300)에서 상기 상향링크 액세스 포인트(400)로 신호를 송신하는데 사용되는 통신링크를 말한다.
상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 다수의 사용자 단말(300)과 통신하므로, 사용자 단말은 상향링크 신호에 사용자 단말의 고유식별자(예를 들면, 사용자 단말의 전화번호, 사용자 단말기기의 제품 번호 등)을 포함시켜 보내는 것이 바람직하다.
상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 다수의 사용자 단말(300)과 통신하므로, 다수의 신호가 충돌하지 않도록 하기 위한 방법이 필요하다. 보다 상세하게 설명하자면, 여러 개의 사용자 단말(300)에서 동시에 상향링크 신호를 발송하면, 상향링크 신호 간의 간섭으로 상향링크 액세스 포인트(400)는 신호 도달각도를 측정할 수 없으므로, 전체 통신 주기 중 경쟁제한 구간을 설정하여 각 사용자 단말(300)은 경쟁제한 구간 중 상향링크 신호를 발생할 수 있는 시간대(단독 주파수 사용 시간)에 반송파를 발생시킨다. 상향링크 액세스 포인트(400)는 2개의 안테나로 그 반송파의 위상차를 측정하면 그 사용자 단말(300)의 위치를 추정할 수 있다. 전체 통신 주기 중에서 경쟁구간 동안에는 각 사용자 단말(300)이 경쟁적으로 상향링크 액세스 포인트(400)와 통신하여 각 사용자 단말(300)이 상향링크 액세스 포인트(400)와 통신 가능 범위 내에 있음을 알리고 상향링크 액세스 포인트(400)로부터 단독 주파수 사용 시간을 할당받는다.
전체 통신 주기 중 경쟁제한 구간 동안 상기 상향링크 액세스 포인트(400)가 사용자 단말(300)에 필요한 정보를 무선으로 송신하고, 경쟁구간 동안 상기 사용자 단말(300)이 필요한 정보를 무선으로 송신하여 상기 사용자 단말(300)과 상기 상향링크 액세스 포인트(400) 간의 충돌을 방지할 수도 있다. 즉 경쟁제한구간 동안에 상향링크 액세스 포인트(400)에서 추정한 사용자 단말(300)의 위치 정보를 사용자 단말(300)에 보낼 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 안테나(410), 신호획득 제어부(420), 신호 처리부(430) 및 정보 처리부(430)를 포함하여 구성될 수 있으며,
안테나(410)는 상기 사용자 단말로부터 위치정보를 무선으로 수신받는데, 제1 안테나(411)과 제2 안테나(412)를 포함한다.
안테나(410)는 설치 방법에 따라 상기 사용자 단말(300)의 위치정보 송신 범위를 결정할 수 있다.
신호획득 제어부(420)는 상기 안테나(410)와 연결되며, 상기 안테나에 입력된 정보 및 시간 구간의 신호를 저장한다. 이때 시간 구간 정보는 저장하려는 신호의 크기와 신호가 발생할 수 있는 시간 지연을 고려한 만큼의 길이로 잡아야 한다. 즉, 도착 신호의 최대 지연 차이, 신호의 길이 정보를 미리 고려하여 결정해야 한다.
신호 처리부(430)는 상기 신호획득 제어부(420)와 연결되며, 안테나에 도달하는 신호의 도달시간 차를 측정하고, 안테나에 도달하는 신호의 RSSI를 측정한다. 이때, RSSI는 안테나에서 수신전력을 측정하여 획득할 수 있다.
정보 처리부(440)는 상기 신호 처리부(430)와 연결되며, 상기 안테나에 도달하는 정보의 도달시간 차이를 이용하여 도달각도를 계산하고, RSSI 정보를 이용하여 거리를 계산한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 정보 입력부(420)에 입력된 시간 구간의 정보를 이용하여 정보의 도달시간 차이를 구할 수 있고, 이를 이용하여 도달각도를 계산할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 상기 안테나(410)가 2개로 구성될 경우, 두 개의 안테나에서 획득한 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)한 결과를 R1(f), R2(f)라 할때,
다음식
Figure pct00001
을 이용하여 위상차를 구하고,
다음식
Figure pct00002
을 이용하여 도달 각도를 구하며,
다음식
Figure pct00003
을 이용하여 거리를 구할 수 있다. 다시 말해, 복도와 같이 단순하고 좁은 구조의 지형에서는 두 개의 안테나로 구성된 하나의 상향링크 액세스 포인트(400)를 이용하여 2D 형태로 거리와 도달 각도를 구함으로 사용자 단말(300)의 위치를 추정할 수 있다.
여기서, 상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 상기 두 개의 안테나의 거리보다 신호의 파장이 짧을 경우 파장의 배수 길이마다 발생하는 모호성(ambiguity)을 방지하기 위해 안테나 사이의 거리(제1 안테나와 제2 안테나 사이의 거리)는 신호(반송파)의 파장보다 길어서는 안 된다. 그러나 안테나 사이의 거리가 짧아질수록 도달각도 변화에 따른 위상각 차이가 적어지므로, 정확한 도달각도 측정이 어려워진다. 즉 안테나 사이의 거리가 짧을수록 도달각도 측정의 정확도가 낮아진다.
따라서 모호성이 없으면서도 도달각도 변화에 따른 위상각 차이가 최대로 되도록 하기 위해, 안테나 거리는 신호(반송파) 파장의 절반(0.5배)로 하는 것이 바람직하다. 안테나 사이의 거리가 짧을수록 도달각도 측정의 정확도가 낮아지지만, 상기 안테나 거리의 절반까지는 도달각도 측정의 정확도가 신뢰할 만한 수준이다. 따라서 바람직한 안테나 사이의 거리는 신호(반송파) 파장의 0.25배 이상, 신호(반송파) 파장의 0.5배 이하라고 할 수 있다.
만일 여러 개의 상향링크 액세스 포인트(400)를 사용하거나 사용자 단말(300)이 PDR센서를 이용하는 방법 등에 의해 사용자 단말(300)의 접근방향을 미리 알고 있다면(즉 도 1의 그림에서 사용자 단말(300)이 오른쪽에서 접근 중인지 또는 왼쪽에서 접근 중인지를 미리 알고 있다면), 안테나 거리를 신호(반송파)의 파장과 같게 설정하더라도 모호성이 없을 수 있다. 이때에는 모호성이 없으면서도 도달각도 변화에 따른 위상각 차이가 최대로 되도록 하기 위해, 안테나 거리는 신호(반송파) 파장과 같게 하는 것이 바람직하다. 안테나 사이의 거리가 짧을수록 도달각도 측정의 정확도가 낮아지지만, 상기 안테나 거리의 절반까지는 도달각도 측정의 정확도가 신뢰할 만한 수준이다. 따라서 바람직한 안테나 사이의 거리는 신호(반송파) 파장의 0.5배 이상, 신호(반송파) 파장 이하라고 할 수 있다. 다만 이때에는 2개 이상의 상향링크 액세스 포인트(400)를 사용하거나 사용자 단말(300)이 PDR센서를 이용하는 방법 등에 의해 사용자 단말(300)의 접근방향을 미리 알고 있어야 한다.
2개 이상의 상향링크 액세스 포인트(400)를 사용하는 경우, 첫 번째 상향링크 액세스 포인트(400)에서 신호 수신이 중지되고 두 번째 상향링크 액세스 포인트(400)에 신호 수신이 시작되면 첫 번째 상향링크 액세스 포인트(400)에서 두 번째 상향링크 액세스 포인트(400) 방향으로 사용자 단말(300)이 이동했음을 알 수 있다.
또 PDR센서(pedestrian dead reckoning sensor)란 보행자 DR센서를 의미하고, DR센서(dead reckoning sensor)란 위치정보 수신이 중지되었을 때 장치내부의 관성센서(가속도 센서, 각가속도 센서 등)을 이용하여 현재 위치를 추정하는 장치를 의미한다. 따라서 사용자 단말(300)이 PDR센서를 이용하여 접근방향을 추정하기 위해서는 내부에 관성센서를 추가적으로 더 구비해야 한다. 스마트폰을 사용자 단말(300)로 사용한다면, 스마트폰 내부의 관성센서를 이용하여 PDR센서를 구현할 수 있다.
도 4와 같이, 제1 안테나(411), 제2 안테나(412) 외에 모호성을 방지하기 위한 보조 안테나(414)를 설치할 수 있는데, 제1 안테나(411), 제2 안테나(412), 보조 안테나(414)는 일직선 상에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.
예를 들어 제1 안테나(411)과 제2 안테나(412)의 거리를 신호(반송파)의 파장만큼 띄우고, 제2 안테나(414)와 보조 안테나(414)를 신호(반송파) 파장의 0.5배 만큼 띄우면, 제2 안테나(414)와 보조 안테나(414)가 수신하는 신호(반송파)의 위상 차이로는 사용자 단말(300)이 어느 방향에서 접근하는지를 파악할 수 있고, 제1 안테나(411)과 제2 안테나(412)의 위상 차이를 이용해서 정확한 도달각도를 측정할 수 있다.
보조 안테나(414)를 이용하여 모호성 문제를 해결하면 제1 안테나와 제2 안테나 사이를 무척 길게 할 수 있으므로, 보다 정확한 입사각 측정이 가능하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 상기 안테나(410)가 적어도 3개 이상으로 구성되며 각각의 안테나가 일직선상에 위치하지 않을 경우,
다음식
Figure pct00004
을 이용하여 각각의 고도 각과 방위 각(α, β)을 구할 수 있고,
만일 상향링크 액세스 포인트(400)의 안테나의 좌표(xs , ys , zs )를 알고, 상향링크 액세스 포인트(400)의 안테나로부터 사용자 단말(300)까지의 거리 r을 안다면, 다음의 식을 이용하여 사용자 단말(300)의 좌표(xu , yu , zu )를 알 수 있다.
다음식
Figure pct00005
다시 말해, 넓은 광장과 같은 복잡한 구조의 지형에서는 세 개 이상의 안테나(제1 안테나, 제2 안테나, 제3 안테나를 포함하는 안테나)로 구성된 하나의 상향링크 액세스 포인트(400)를 이용하여 3D 형태로 거리, 고도 각 및 방위각을 구함으로 사용자 단말(300)의 위치를 추정할 수 있다. 이때 제1 안테나와 제2 안테나를 이용하여 측정하는 위상 차이로 x방향의 도달각도를 측정하고, 제2 안테나와 제3 안테나를 이용하여 측정하는 위상 차이로 y방향의 도달각도를 측정한다고 하면, 사용자 단말(300)의 xy좌표를 최대한 정확하게 측정하기 위해 제1 안테나와 제2 안테나를 잇는 선과 제2 안테나와 제3 안테나를 잇는 선은 수직이 되는 것이 바람직하다. 또한 신호(반송파)는 동일 주파수를 사용하므로, 제1 안테나, 제2 안테나 사이의 거리와 제2 안테나 제3 안테나 사이의 거리는 같은 것이 바람직하다. 따라서 제1안테나, 제2 안테나, 제3 안테나는 이등변직각삼각형의 꼭지점 위치에 위치하는 것이 바람직하다.
그러나 제1 안테나, 제2 안테나, 제3 안테나는 이등변직각삼각형의 꼭지점 위치에 위치하지 않더라도 일직선 상에 xy방향으로의 위치측정이 가능하다. 즉 제1 안테나, 제2 안테나, 제3 안테나는 일직선 상에 위치하지 않으면 제1 안테나와 제2 안테나의 위상차를 측정하여 사용자 단말(300)의 특정한 한 방향으로의 입사각을 측정하고 제1 안테나와 제3 안테나의 위상차를 측정하여 다른 방향으로의 입사각을 측정함으로써 2차원 평면상의 위치를 추정할 수 있다.
상향링크 액세스 포인트(400)의 안테나로부터 사용자 단말(300)까지의 거리 r은 사용자 단말(300)에서 상향링크 액세스 포인트(400)의 안테나에 도달하는 신호의 강도로부터 추정할 수도 있다. 즉 거리가 멀수록 안테나에 도달하는 신호의 강도가 약해지므로 신호의 강도를 측정하면 거리를 추정할 수 있다.
또한 사용자 단말(300)의 높이를 미리 알고 있다면, 고도 각과 방위 각(α, β) 만으로도 사용자 단말(300)의 좌표(xu , yu , zu )를 위치를 알 수 있다. 사용자 단말(300)의 높이는 각 사용자 단말(300)의 사용자가 미리 입력하도록 할 수도 있고(예를 들어, 사용자가 자신은 사용자 단말을 1m40cm 높이로 들고 다닌다고 생각하면, 사용자 단말의 높이를 1m40cm로 입력할 수 있다.), 사용자 단말(300)의 사용자 나이와 성별이 입력되어 있으면 그 정보로부터 사용자 단말(300)의 높이를 추정할 수도 있다(즉 그 나이와 그 성별을 갖는 사람들의 평균 키를 구하고 그 키의 사용자가 들고 다닐 것으로 예상되는 사용자 단말의 높이를 추정할 수 있다).
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 위치추정 장치는 상기 상향링크 액세스 포인트(400)에서 추정된 위치정보 및 상기 사용자 단말(300)의 고유 식별자를 포함한 정보를 상기 상향링크 액세스 포인트(400)로부터 전달받아 상기 사용자 단말(300)로 위치정보를 전송하는 측위서버(500)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
상기 측위서버(500)는 상향링크 액세스 포인트(400)에서 계산한 사용자 단말(300)의 위치정보를 전송받은 후 그 위치정보를 사용자 단말(300)로 보낼 수도 있지만, 상향링크 액세스 포인트(400)로부터 측정결과만 전달받고 측위서버(500)에서 사용자 단말(300)의 위치를 계산하여 그 위치정보를 사용자 단말(300)로 보낼 수도 있다. 또는 상향링크 액세스 포인트(400)로에서 계산한 입사각 정보만 전달받고 측위서버(500)에서 사용자 단말(300)의 위치를 계산하여 그 위치정보를 사용자 단말(300)로 보낼 수도 있다.
사용자 단말(300)에 위치정보를 보낼 때는 사용자 단말(300) 주변의 지도정보, 점포정보, 각 점포의 상품 할인 정보 등의 기타 정보를 함께 사용자 단말(300)로 전송할 수도 있다.
또는 상기 상향링크 액세스 포인트(400)에서 사용자 단말(300)로 직접 위치정보, 측정결과 정보, 입사각 정보 등을 전송하고(만일 측정결과 정보나 입사각 정보만을 사용자 단말(300)로 전송하면, 위치 계산은 사용자 단말(300)에서 하여야 한다) 상기 측위서버(500)는 사용자 단말(300)에 위치정보를 제외한 주변의 지도정보, 점포정보, 각 점포의 상품 할인 정보 등의 기타 정보만을 전송하도록 구성할 수도 있다.
상향링크 액세스 포인트(400)에서 계산된 정보를 사용자 단말(300)로 보내는 방법은 사용자 단말(300)를 이용하여 직접 보내는 방법, 일반 상용 WiFi 액세스 포인트를 사용하여 일반 정보를 보내는 방법 및 외부 3G, 4G망을 통해서 정보를 보내는 방법 등 3가지 정도로 예를 들 수 있다.
사용자 단말(300)를 이용하여 직접 보내는 방법의 경우는 바로 정보를 보낼 수 있다.
일반 상용 WiFi 액세스 포인트를 사용하여 일반 정보를 보내는 방법과 외부 3G, 4G망을 통해서 정보를 보내는 방법의 경우 사용자 단말(300)가 계속 위치추정을 수행하는 동안 계산된 정보는 측위서버(500)를 통해 전달하기 때문에 사용자 단말(300)에 부담이 적으나 측위서버(500)를 통해 정보 전달하려는 상향링크 액세스 포인트(400)를 모르기 때문에 상향링크 액세스 포인트(400)에 대한 정보를 관리하고 있는 상향링크 액세스 포인트(400)를 통해 고유 식별자를 확인한 다음 보내야 한다. 이를 위해 상향링크 액세스 포인트(400)는 사용자 단말(300)를 이용하기 전에 서버에 사용자 단말(300)에 대한 정보가 등록 되어 있어야 한다.
측위 서버가 구성되지 않을 경우 계산된 도달각도와 거리는 상향링크 액세스 포인트(400)가 직접 무선통신망(WLAN)으로 신호를 경쟁 제한 구간에 사용자 단말(300)로 보낼 수 있다. 측위 서버를 구성할 경우 계산된 도달각도와 거리는 와이브로, 와이맥스, LTE 등의 다른 통신을 통하여 측위서버(500)를 경유하고 사용자 단말(300)로 보내질 수 있다.
다시 말해, 측위서버(500)가 구성되지 않을 경우는 상향링크 액세스 포인트(400)가 직접 계산된 도달각도와 거리를 무선통신망(WLAN)을 통해서 보낼 수 있고, 사용자 단말(300)가 계산된 정보를 획득할 수 있다. 측위서버(500)가 구성될 경우는 측위서버(500)에 사용자 단말(300)의 관련 정보를 사전에 등록한 후 상향링크 액세스 포인트(400)가 외부 통신망(와이브로, LTE, 상용 WiFi 등)을 통해 측위서버(500)로 계산된 도달각도와 거리를 보내고, 측위서버(500)는 외부 통신망으로부터 계산된 도달 각도와 거리를 전송 받아 측위서버(500)는 해당 계산 정보를 필요로 하는 사용자 단말(300)의 단말기를 확인하여 고유 식별자로 계산된 도달 각도와 거리를 전송하며, 사용자 단말(300)가 계산된 정보를 전송받을 수 있다.
본 발명은 측위를 목적으로 하는 전용 상향링크 액세스 포인트(400)를 이용하여 측위를 함으로써, 설치비 및 유지 관리 비용을 감축하고, 하나의 상향링크 액세스 포인트(400)만으로도 사용자 단말(300)의 위치추정이 가능한 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
상기 위치추정장치는 보행자 경로 안내에 이용될 수 있다. 즉 사용자 단말(300)에 지도 정보와 위치 정보가 주어지면 주변 지리 안내 및 경로 안내 등에 이용될 수 있다. 사용자 단말(300)에 지도 정보를 제공하기 위해 별도의 서버가 설치될 수도 있으며, 그 별도의 서버는 상기 측위서버(500)가 될 수도 있다.

Claims (21)

  1. 사용자 단말(300); 및
    제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고 제1 안테나 또는 제2 안테나를 통해 사용자 단말(300)로부터 송신되는 상향링크 신호를 수신할 수 있는 상향링크 액세스 포인트(400);
    를 포함하고,
    상기 사용자 단말(300)로부터 제1 안테나와 제2 안테나에 도달하는 반송파의 위상 차이를 이용하여 사용자 단말(300)의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상향링크 신호를 송수신함에 있어서, 와이파이 방식 또는 블루투스 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용하는 위치추정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 상향링크 액세스 포인트(400) 중 하나 이상의 액세스 포인트(300)는 데이터 통신을 위한 유선 연결이 없는 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용하는 위치추정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 안테나 사이의 거리는 상기 반송파 파장의 0.5배 이하인 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 안테나 사이의 거리는 상기 반송파 파장의 0.25배 이상이고 상기 반송파 파장의 0.5배 이하인 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 안테나 사이의 거리는 상기 반송파 파장의 0.5배인 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 안테나 사이의 거리는 상기 반송파 파장의 0.5배 이상이고 상기 반송파 파장 이하이며, 상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 2개 이상인 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 안테나 사이의 거리는 상기 반송파 파장의 0.5배 이상이고 상기 반송파 파장 이하이며, 상기 사용자 단말(300)은 관성센서 또는 지자기센서를 추가적으로 더 구비하는 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 보조 안테나를 더 포함하고,
    상기 제1 안테나, 제2 안테나, 보조 안테나는 일직선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 상향링크 액세스 포인트(400)는 제3 안테나를 더 포함하고,
    제1 안테나, 제2 안테나, 제3 안테나는 일직선 상에 위치하지 않고,
    제1 안테나와 제2 안테나의 위상차를 측정하여 사용자 단말(300)의 특정한 한 방향으로의 입사각을 측정하고 제1 안테나와 제3 안테나의 위상차를 측정하여 다른 방향으로의 입사각을 측정함으로써 2차원 평면상의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 상향링크 신호에는 사용자 단말(300)의 고유 식별자가 포함된 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 상향링크 신호의 강도를 측정하여 상기 사용자 단말(300)과 상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나까지의 거리를 추정하는 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나의 높이 정보와 상기 사용자 단말(300)의 높이 정보를 추가적으로 더 이용하여 사용자 단말(300)의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  14. 제1항에 있어서,
    사용자 단말(300)에 주변의 지도정보, 점포정보, 각 점포의 상품 할인 정보 중 하나 이상을 포함하는 기타 정보를 사용자 단말(300)에 전송하는 측위서버(500)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치.
  15. 사용자 단말(300), 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고 제1 안테나 또는 제2 안테나를 통해 사용자 단말(300)로부터 송신되는 상향링크 신호를 수신할 수 할 수 있는 상향링크 액세스 포인트(400)를 포함하는 위치추정장치를 이용한 위치추정방법에 있어서,
    전체 통신주기 중 경쟁구간 동안에는, 상향링크 액세스 포인트(400)가 통신이 가능한 사용자 단말(300)들과 통신을 하여 각 사용자단말(300)에게 단독 주파수 사용 시간을 할당하는 단계;
    전체 통신주기 중 경쟁제한구간 동안에는, 각 사용자 단말(300)이 자신에게 주어진 단독 주사수 사용 시간 동안 반송파를 발신하고, 상향링크 액세스 포인트(400)는 제1 안테나와 제2 안테나에 수신된 반송파의 위상차를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치추정방법.
  16. 제1 안테나와 제2 안테나를 포함하고 제1 안테나 또는 제2 안테나를 통해 사용자 단말(300)로부터 송신되는 상향링크 신호를 수신하고 그 수신되는 신호의 위상 차이를 이용하여 사용자 단말(300)의 위치를 추정하는 상향링크 액세스 포인트(400)에 있어서,
    보조 안테나를 더 포함하고,
    상기 제1 안테나, 제2 안테나, 보조 안테나는 일직선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 상향링크 액세스 포인트(400).
  17. 고유 식별자를 포함하는 위치식별용 정보를 무선으로 송신하는 적어도 하나의 사용자 단말(300); 및
    고유 식별자, 신호의 생성 시각, 주기적으로 신호가 송신되는 시간 간격, 통신속도, 기능 및 액세스 포인트(AP) 타입 중 선택되는 적어도 하나의 위치식별용 정보를 무선으로 송신하고, 상기 사용자 단말(300)의 위치식별용 정보를 무선으로 수신하며, 상향링크 신호를 이용하여 신호 도달각도를 측정하고 RSSI(Received Signal Strength Indication)를 이용하여 거리를 측정하여 위치를 추정하는 상향링크 액세스 포인트(400);
    를 포함하여 구성되되, 여기서 상향링크는 상기 사용자 단말(300)에서 상기 상향링크 액세스 포인트(400)로 신호를 송신하는데 사용되는 통신링크인 것을 특징으로 하는 위치추정 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 상향링크 액세스 포인트(400)는
    상기 사용자 단말로부터 위치정보를 무선으로 수신 받는 적어도 두개의 안테나(410);
    상기 안테나(410)와 연결되며, 상기 안테나에 입력된 정보 중 사용자 단말 정보 및 시간 구간의 신호를 저장하는 신호획득 제어부(420);
    상기 신호획득 제어부(420)와 연결되며, 안테나에 도달하는 신호의 도달시간 차를 측정하고, 안테나에 도달하는 신호의 RSSI를 측정하는 신호 처리부(430); 및
    상기 신호 처리부(430)와 연결되며, 상기 안테나에 도달하는 정보의 도달시간 차이를 이용하여 도달각도를 계산하고, 상기 RSSI 정보를 이용하여 도달 거리를 계산하는 정보 처리부(440);
    를 포함하여 구성되는 위치추정 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 상향링크 액세스 포인트(400)는
    상기 안테나(410)가 2개로 구성될 경우, 다음식
    두 개의 안테나에서 획득한 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)한 결과를 R1(f), R2(f)라 할때,
    다음식
    Figure pct00006

    을 이용하여 위상차를 구하고,
    다음식
    Figure pct00007

    을 이용하여 도달 각도를 구하며,
    다음식
    Figure pct00008

    을 이용하여 거리를 구하는 것을 특징으로 하는 위치추정 장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 상향링크 액세스 포인트(400)는
    상기 안테나(410)가 적어도 3개 이상으로 구성되며 각각의 안테나가 일직선 상에 위치하지 않을 경우,
    다음식
    Figure pct00009

    을 이용하여 각각의 고도 각과 방위 각(α, β)을 구하고,
    다음식
    Figure pct00010

    을 이용하여 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 위치추정 장치.
  21. 제17항에 있어서, 상기 위치추정 장치는
    상기 상향링크 액세스 포인트(400)에서 추정된 위치정보 및 상기 사용자 단말(300)의 고유 식별자를 포함한 정보를 상기 상향링크 액세스 포인트로부터 전달받아 상기 사용자 단말(300)로 위치정보를 전송하는 측위서버(500);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치추정 장치.
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