KR20150052753A

KR20150052753A - 무선 통신시스템의 위치 추정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20150052753A
Application number: KR1020140057396A
Authority: KR
Inventors: 오종호; 윤정민; 장상현; 윤성록; 조오현; 권창열; 하길식
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2015-05-14
Also published as: EP3067712A4; KR102129265B1; US20160274229A1; EP3067712A1; EP3067712B1; US10353048B2

Abstract

본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 위치를 추정하는 장치 및 방법을 제공한다. 위치 추정을 위한 제1 무선 기기의 장치는: 제2 무선 기기와의 신호 송수신을 위한 송수신기; 및 상기 송수신기를 통해 송수신되는 신호를 이용하여 상기 제2 무선 기기의 위치를 추정하는 위치 추정기를 포함한다. 상기 위치 추정기는 상기 제2 무선 기기로 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 상기 제2 무선 기기로부터 송신된 응답 레인지 패킷에 대한 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이와, 상기 제2 무선 기기에 의해 상기 요청 레인지 패킷에 대한 수신이 감지된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이에 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 레인지 추정기를 포함한다.

Description

무선 통신시스템의 위치 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR LOCATION ESTIMATION IN A WIRELESS COMMUNICATIONSYSTEM}

본 발명은 무선 통신시스템의 무선 기기를 통한 신호 송수신에 관한 것이다.

최근에 무선 통신기술들이 발전함에 따라 무선 기기를 통한 신호의 송수신이 증가하고 있다. 사용자들은 스마트폰과 같이 무선 접속 가능한 무선 기기를 통해 신호를 송수신하면서 각종 데이터(예; 동영상, 음악, 사진, 문서 등의 멀티미디어 데이터)를 송신 및 수신함으로써 여러 서비스를 제공받을 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기의 위치를 추정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리 및 방향을 고해상도로 측정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리 및 방향을 빠르게 측정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리를 측정할 시 다중경로 채널의 영향으로 인한 부정확도에 대한 정보를 제공하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기들 사이의 거리 및 방향을 측정할 시 전력 소모를 최소화하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기들 사이에서 송수신되는 신호를 이용하여 무선 기기의 위치를 추정하고, 이를 바탕으로 무선 기기들 사이의 핸드오버와 송수신되는 신호의 파워를 조절하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 통신시스템에서 제1 무선 기기의 장치는: 제2 무선 기기와의 신호 송수신을 위한 송수신기; 및 상기 송수신기를 통해 송수신되는 신호를 이용하여 상기 제2 무선 기기의 위치를 추정하는 위치 추정기를 포함한다. 상기 위치 추정기는, 상기 제2 무선 기기로 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 상기 제2 무선 기기로부터 송신된 응답 레인지 패킷에 대한 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이와, 상기 제2 무선 기기에 의해 상기 요청 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이에 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 레인지 추정기를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 무선 통신시스템에서 제1 무선 기기의 동작 방법은: 송수신기를 통해 제2 무선 기기와의 신호를 송수신하는 과정; 및 상기 송수신기를 통해 송수신되는 신호를 이용하여 상기 제2 무선 기기의 위치를 추정하는 과정을 포함한다. 상기 위치를 추정하는 과정은, 상기 제2 무선 기기로 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 상기 제2 무선 기기로부터 송신된 응답 레인지 패킷에 대한 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이와, 상기 제2 무선 기기에 의해 상기 요청 레인지 패킷에 대한 수신이 감지된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이에 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 과정을 포함한다.

본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기를 통하여 신호를 주고 받는 것을 이용하여 수 cm 해상도를 가지는 거리 추정을 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 추정된 거리를 바탕으로 무선 기기의 위치를 추정하고, 이를 바탕으로 무선 기기들 사이의 핸드오버와 송수신되는 신호의 파워를 조절할 수 있게 한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 레인지 패킷을 사용함으로써 무선 기기들 사이의 거리를 빠르게 추정할 수 있고, 다중경로 채널의 영향으로 생길 수 있는 거리 추정의 부정확도(신뢰도)를 사용자에게 제공할 수 있고, 기존 모뎀에서 사용되는 신호들을 이용함으로써 레인지 추정기의 전력 소모를 최소화할 수 있게 한다.

본 발명 및 그의 효과에 대한 보다 완벽한 이해를 위해, 첨부되는 도면들을 참조하여 하기의 설명들이 이루어질 것이고, 여기서 동일한 참조 부호들은 동일한 부분들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 무선 기기들 사이의 위치 추정 동작을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 무선 기기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 무선 기기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 본 발명의 실시예들에 따른 무선 기기에 의한 거리 추정 동작의 처리 흐름들을 보여주는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 멀티기가비트레인지 엘레멘트의 구성을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레인지 능력 정보 필드의 구성을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 요청 레인지 패킷의 구성을 보여주는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 레인지 추정기에 의한 무선 기기들 사이의 거리 추정 동작을 보여주는 도면들이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예들에 따른 거리 추정을 위해 수신 심볼을 감지하는 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 방향 추정 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 추정 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 위치 추정 동작을 위한 제1 무선 기기의 블록 다이아그램이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 실시예들에 따라 추정된 제2 무선 기기의 위치를 지도에 디스플레이하는 예들을 보여주는 도면이다.

본 특허 명세서에서 본 발명의 원리들을 설명하기 위해 사용되어지는 도 1 내지 도 14b는 단지 예시를 위한 것인 바, 발명의 범위를 제한하는 어떠한 것으로도 해석되어져서는 아니된다. 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 원리들이 적절하게 배치된 임의의 무선 통신시스템에서도 구현되어질 수 있음을 이해할 것이다.

하기에서 설명될 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기를 통하여 신호를 주고 받는 것을 이용하여 수 센티미터(cm) 해상도를 가지는 거리를 추정하고, 추정된 거리를 바탕으로 무선 기기의 위치를 추정하는 장치 및 방법을 제안한다. 이렇게 추정된 위치 정보는 무선 기기들 사이의 핸드오버와 송수신되는 신호의 파워를 조절하는 데 이용될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예들은 고해상도를 가지는 거리 측정을 위한 신호처리 방법과 무선 기기들 사이의 빠른 거리 측정을 위한 신호 처리 방법을 제안한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 다중경로 채널의 영향으로 생길 수 있는 거리 측정의 부정확도를 해결하면서 전력 소모를 최소화하는 장치도 제안한다.

일 예로, 본 발명의 실시예에 있어서 무선 기기는 스마트폰(smart phone)과 같이 무선 접속 기능을 가지는 휴대용 전자 장치(portable electronic device)일 수 있다. 다른 예로, 무선 기기는 휴대용 단말기(portable terminal), 이동 전화(mobile phone), 이동 패드(mobile pad), 미디어 플레이어(media player), 태블릿 컴퓨터(tablet computer), 핸드헬드 컴퓨터(handheld computer), 무선 접속 가능한 카메라, 스마트 텔레비전(smart television) 또는 PDA(Personal Digital Assistant)중 하나일 수 있다. 또 다른 예로, 무선 기기는 상술한 장치들 중 둘 이상의 기능들을 결합한 장치일 수 있다.

일 실시예에서, 무선 통신시스템은 디바이스간직접통신(Device-to-Device, D2D) 네트워크가 될 수 있다. 다른 실시예에서, 무선 통신시스템은 무선 랜(Local Area Network, LAN) 네트워크가 될 수 있다. 또다른 실시예에서, 무선 통신시스템은 디바이스들 사이의 그룹 플레이(Group Play) 기능을 지원하는 무선 네트워크가 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 무선 기기들 사이의 위치 추정 동작을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 제1 무선기기 100은 위치 추정을 주체하는 무선 기기로 정의되는 개시기(Initiator)로, 위치 추정기 110과 송수신기 120을 포함한다. 제2 무선기기 200은 제1 무선기기 100이 주체하는 위치 추정의 객체가 되는 무선 기기로 정의되는 응답기(Responder)로, 위치 추정기 210과 송수신기 220을 포함한다. 이하에서는 제1 무선기기 100이 제2 무선기기 200의 위치, 즉 거리와 방향을 추정하는 예로 설명될 것이지만, 역으로 제2 무선기기 200이 제1 무선기기 100의 위치, 즉 거리와 방향을 추정할 수도 있음은 당연하다.

송수신기 120은 위치 추정을 위한 요청 신호(예; 요청 레인지 패킷)를 제 2 무선 기기 200으로 송신하고, 제 2 무선 기기 200으로부터 요청 신호에 대응하는 응답 신호(예; 응답 레인지 패킷)를 수신한다. 송수신기 220은 요청 신호를 제 1 무선 기기 100으로부터 수신하고, 제 1 무선 기기 100으로 응답 신호를 송신한다.

위치 추정기 110은 제 1 무선 기기 100과 제 2 무선 기기 200 사이의 거리 및 방향을 추정함으로써 제2 무선 기기 200의 위치를 추정한다. 일 실시예에서, 위치 추정기 110은 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 응답 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이(Ti)와, 제2 무선 기기 200의 레인지 추정기 210에서 구한 요청 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점부터 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이(Tr)와, 제1 무선 기기 100와 제 2 무선 기기 200의 내부 회로 지연에 기반하여 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정한다.

또한, 위치 추정기 100은 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정할 시 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200에서의 송신 회로 지연, 수신 회로 지연 및 레인지 패킷의 수신 감지 추정을 위한 처리 지연을 더 고려할 수 있다. 또한, 위치 추정기 110과 위치 추정기 210은 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정할 시 미리 정의된 샘플 타이밍 오프셋(sample timing offset, STO)을 더 고려할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 무선 기기 100 및 제2 무선 기기 200에서의 송신 회로 지연은 각각의 송신기에 포함된 디지털/아날로그 변환기와 안테나 사이의 지연을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 무선 기기 100 및 제2 무선 기기 200에서의 수신 회로 지연은 각각의 수신기에 포함된 안테나와 아날로그/디지털 변환기 사이의 지연을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 무선 기기 100 및 제2 무선 기기 200에서의 레인지 패킷의 수신 감지 추정을 위한 처리 지연은 각각의 수신기에 포함된 아날로그/디지털 변환기와 레인지 추정기 사이의 지연을 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 무선 기기 100의 구성을 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 제1 무선 기기 100은 매체접근제어(Medium Access Control, MAC) 처리기 105, 베이스밴드(baseband) 처리기 115, 디지털/아날로그 변환기(Digital to Analog Converter, DAC) 125A, 아날로그/디지털 변환기(Analog to Digital Converter, ADC) 125B, 안테나 130을 포함한다. 베이스밴드 처리기 115는 레인지 추정기 110A 및 방향 추정기 110B를 포함한다. MAC처리기 105, DAC 125A, ADC 125B 및 안테나 130은 도 1의 송수신기 120을 구성한다.

MAC 처리기 105는 거리 추정 및 방향 추정을 위한 정보를 생성한다. 예를 들어, 거리 추정을 위하여, MAC 처리기 105는 레인지 추정 구간에서 레인지 시작 신호를 생성한다. 다른 예로, 거리 추정을 위하여, MAC 처리기 105는 능력 협상 구간에서 지향성 멀티기가비트(Directional Multigigabit, DMG) 레인지 엘레멘트(Range Element)를 포함하는 DMG 비콘(Beacon), 프로브 요청(Probe Request), 프로브 응답(Probe Response), 정보 요청(Information Request) 또는 정보 응답(Information Response)을 생성한다. 베이스밴드 처리기 115는 MAC 처리기 105에 의해 생성된 정보를 입력하여 기저대역에서 처리한다. 예를 들어, 베이스밴드 처리기 115는 레인지 시작 신호를 수신하여 처리한 후 요청 레인지 패킷을 생성한다. DAC 125A는 베이스밴드 처리기 115로부터 제공되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 안테나 130은 DAC 125A에 의해 변환된 아날로그 신호를 제2 무선 기기 200으로 송신한다.

안테나 130은 제2 무선 기기 200으로부터 신호를 수신한다. ADC 125B는 안테나 130을 통해 수신된 제2 무선 기기 200으로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 베이스밴드 처리기 115는 ADC 125B에 의해 변환된 디지털 신호를 기저대역에서 처리한다. 예를 들어, 베이스밴드 처리기 115는 수신된 응답 레인지 패킷을 처리하여 MAC 처리기 105로 출력한다.

레인지 추정기 110A는 제 1 무선 기기 100과 제 2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정한다. 일 실시예에서, 레인지 추정기 110A는 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 응답 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이(Ti)와, 제2 무선 기기 200의 레인지 추정기 210에서 구한 요청 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점부터 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이(Tr)와, 제1 무선 기기 100와 제 2 무선 기기 200의 내부 회로 지연에 기반하여 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정한다. 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정할 시, 레인지 추정기 100은 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200에서의 DAC 지연(A), 송신 회로 지연(B), 수신 회로 지연(D), ADC 지연(E) 및 요청 레인지 패킷 또는 응답 레인지 패킷의 수신 감지 추정을 위한 처리 지연(F)을 더 고려할 수 있다. 또한, 레인지 추정기 100은 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정할 시 미리 정의된 샘플 타이밍 오프셋(sample timing offset, STO)을 더 고려할 수 있다.

방향 추정기 110B는 제 2 무선 기기 200의 방향을 추정하기 위한 요청 신호를 제2 무선 기기 200으로 송신하고, 제2 무선 기기 200으로부터 수신된 방향 추정을 응답 신호를 수신하여 제2 무선 기기 200의 방향을 추정한다. 일 실시예에서, 방향 추정기 110B는 하나 이상의 빔 방향에서 제2 무선 기기 200과의 사이에 송수신되는 신호의 세기를 측정하고, 상기 측정된 신호 세기를 기반으로 하여 제2 무선 기기 200의 방향 정보를 추정한다. 여기서는, 제1 무선 기기 100의 방향 추정기 110B가 제2 무선 기기 200의 방향을 추정하는 예로 설명된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 무선 기기 200의 구성을 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면, 제2 무선 기기 200은 MAC 처리기 205, 베이스밴드 처리기 215, DAC 225A, ADC 225B, 안테나 230을 포함한다. 베이스밴드 처리기 215는 레인지 추정기 210A 및 방향 추정기 210B를 포함한다. MAC 처리기 205, DAC 225A, ADC 225B 및 안테나 230은 도 1의 송수신기 220을 구성한다.

안테나 230은 제1 무선 기기 100으로부터의 신호를 수신한다. 예를 들어, 안테나 230은 제1 무선 기기 100으로부터 위치 추정을 위한 신호, 즉 거리 추정을 위한 요청 레인지 패킷 및 방향 추정을 위한 신호를 수신한다. ADC 225B는 안테나 230을 통해 수신된 제1 무선 기기 100으로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 베이스밴드 처리기 215는 ADC 225B에 의해 변환된 디지털 신호를 기저대역에서 처리한다. 예를 들어, 베이스밴드 처리기 215는 수신된 요청 레인지 패킷을 처리하여 MAC 처리기 205로 출력한다.

MAC 처리기 205는 거리 추정 및 방향 추정을 위한 정보를 수신한다. 예를 들어, 거리 추정을 위하여, MAC 처리기 205는 베이스밴드 처리기 215로부터 DMG 레인지 엘레멘트를 포함하는 DMG 비콘, 프로브 요청, 프로브 응답, 정보 요청 또는 정보 응답 을 수신한다.

또한, MAC 처리기 205는 거리 추정을 위한 응답 정보를 생성한다. 예를 들어, 거리 추정을 위하여, MAC 처리기 205는 수신된 DMG 레인지 엘레멘트에 대응하는 DMG 레인지 엘레멘트를 포함하는 DMG 비콘, 프로브 요청, 프로브 응답, 정보 요청 또는 정보 응답을 생성한다.

베이스밴드 처리기 215는 MAC 처리기 205에 의해 생성된 정보를 입력하여 기저대역에서 처리한다. 예를 들어, 거리 추정을 위하여, 베이스밴드 처리기 215는 수신된 요청 레인지 패킷에 대응하는 응답 레인지 패킷을 생성한다. DAC 225A는 베이스밴드 처리기 215로부터 제공되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 안테나 230은 DAC 225A로부터 제공되는 아날로그 신호를 제1 무선 기기 100으로 송신한다.

레인지 추정기 210A는 수신한 요청 레인지 패킷의 수신이 감지된 시점부터 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이(Tr)를 구한다. 이렇게 구해진 제2 시간차이(Tr)에 대한 정보는 제1 무선 기기 100으로 송신되어 레인지 추정기 110A에 의한 거리 추정시 이용된다.

방향 추정기 210B는 방향 추정을 위하여 제1 무선 기기 100으로부터 송신된 신호를 수신하고, 이 수신 신호에 대한 응답 신호를 제1 무선 기기 100으로 송신한다. 여기서는, 제1 무선 기기 100의 방향 추정기 110B가 제2 무선 기기 200의 방향을 추정하는 예로 설명되고 있지만, 동일한 방식으로 제2 무선 기기 200의 방향 추정기 210B가 제1 무선 기기 100의 방향을 추정할 수도 있다.

도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 본 발명의 실시예들에 따른 무선 기기에 의한 거리 측정 동작의 처리 흐름들을 보여주는 도면들이다. 도 4a와 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기기에 의한 거리 측정 동작의 처리 흐름으로, 하나의 구간, 즉 거리를 측정하는 레인징 추정 구간(Range Estimation Period) T100을 포함한다. 도 4c와 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 기기에 의한 거리 측정 동작의 처리 흐름으로, 2개의 구간, 즉 거리 측정을 할 수 있는 능력을 서로 교환하는 능력 협상 구간(Capability Negotiation Period) T10과, 거리를 측정하는 레인징 추정 구간(Range Estimation Period) T100을 포함한다. 이때, 도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같이 능력 측정 구간 T10은 수행하지 않고 레인징 추정 구간(Range Estimation Period) T100이 수행될 수도 있음에 유의하여야 한다.

도 4a를 참조하면, 레인지 시작 신호를 바탕으로 개시기 100이 요청 레인지 패킷을 응답기 200으로 송신하고(S110), 요청 레인지 패킷을 수신한 응답기 200은 개시기 100로 응답 레인지 패킷을 송신한다(S130). 요청 레인지 패킷으로 목적지 정보 데이터가 있는 패킷을 사용할 때 이 방법을 이용할 수 있다. 이때, 개시기 100에서 레인지 추정을 하고(S140), 응답기 200에서 레인지 추정을 한다(S120).

도 4b를 참조하면, 레인지 시작 신호를 바탕으로 개시기 100이 응답기 200으로 송신요구(Request To Send, RTS) 신호를 송신하고(S140), RTS 신호를 수신한 응답기 200은 개시기 100으로 DMG 송신확인(Clear To Send, CTS) 신호를 송신(S150)하면서 개시기 100이 송신할 요청 레인지 패킷의 목적지가 응답기 200임을 확인한다. 요청 레인지 패킷으로 도 7에 도시된 바와 같은 널 데이터 패킷(Null Data Packet, NDP)를 사용할 때 이 방법을 이용할 수 있다.

이어서, 개시기 100은 요청 레인지 패킷을 확인된 목적지 응답기 200으로 송신하고(S110), 요청 레인지 패킷을 수신한 응답기 200은 개시기 100으로 응답 레인지 패킷을 송신한다(S130). 이때, 개시기 100에서 레인지 추정을 하고(S140), 응답기 200에서 레인지 추정을 한다(S120).

도 4c와 도 4d를 참조하면, 거리 측정 동작은 거리 측정을 할 수 있는 능력을 제1 무선 기기 100 및 제2 무선 기기 200이 서로 교환하는 능력 협상 구간 T10과, 거리를 측정하는 거리 추정 구간 T100으로 구분된다.

도 4c 및 도 4d에 도시된 흐름은 도 4a에 도시된 처리 흐름을 동일하게 포함하는 바, 이하에서는 도 4c 및 도 4d에 추가적으로 포함되는 능력 협상 구간 T10만을 참조하여 거리 측정 동작을 설명하기로 한다. 도 4c 및 도 4d를 참조하면, 능력 협상 구간 T10에서, 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200은 자신의 거리 측정 능력을 교환한다. 예를 들어, 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200은 자신의 거리 측정 능력을 도 5에 정의한 DMG 레인지 엘레멘트를 포함하는 DMG 비콘(Beacon), 프로브 요청(Probe Request) 또는 프로브 응답(Probe Response), 정보 요청(Information Request) 또는 정보 응답 (Information Response)을 통하여 주고 받는다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 DMG 레인지 엘레멘트의 구성을 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, DMG 레인지 엘레멘트는 엘레멘트 식별자(Element ID) 필드 10과, 길이(Length) 필드 20과, 레인지 능력 정보(Range Capability Information) 필드 30을 포함한다. 예를 들어, 엘레멘트 식별자 필드 10, 길이 필드 20 및 레인지 능력 정보 필드 30은 각각 1, 1 및 2 옥텟(Octets)으로 구성될 수 있다. 이 DMG 레인지 엘레멘트는 DMG 비콘, 프로브 요청, 프로브 응답, 정보 요청 또는 정보 응답에 포함되어 레인지 능력을 광고하는 엘레멘트로 정의될 수 있다. 다른 예로, DMG 레인지 엘레멘트는 결합 요청/응답(Association Request/Response)와 재결합 요청/응답(Reassociation Request/Response) 등에서도 레인지 능력을 광고하는 엘레멘트로 정의될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레인지 능력 정보 필드의 구성을 보여주는 도면이다. 예를 들어, 이 레인지 능력 정보 필드는 도 5에 도시된 레인지 능력 정보(Range Capability Information) 필드 30가 될 수 있다.

도 6을 참조하면, 도 5에 도시된 레인지 능력 정보 필드 30은 레인지 개시기 동작여부(Range Initiator Capable) 서브필드 31, 레인지 응답기 동작여부(Range Responder Capable) 서브필드 32, 널 데이터 패킷 송신 가능여부(Transmit Null Data Packet (NDP) Capable) 서브필드 33, 널 데이터 패킷 수신 가능여부(Receive NDP Capable) 서브필드 34, 레인지 피드백 요청 프레임 동작여부(Range Feedback Request Frame Capable) 서브필드 35, 레인지 피드백 응답 프레임 동작여부(Range Feedback Response Frame Capable) 서브필드 36, 예상 정확도(Expected Accuracy) 서브필드 37 및 추가 동작을 위해 유보된 서브필드(Reserved Subfield) 38로 구성된다. 일 실시예에서, 레인지 개시기 동작여부 서브필드 31, 레인지 응답기 동작여부 서브필드 32, 널 데이터 패킷 송신 가능여부 서브필드 33, 널 데이터 패킷 수신 가능여부 서브필드 34, 레인지 피드백 요청 프레임 동작여부 서브필드 35, 그리 레인지 피드백 응답 프레임 동작여부 서브필드 36은 각각 1비트로 구성될 수 있고, 예상 정확도 서브필드 37은 2비트로 구성될 수 있고, 유보된 서브필드 38은 8비트로 구성될 수 있다. 각 서브필드의 정의와 인코딩은 아래 [표 1]과 같이 정의된다.

Subfield	Definition	Encoding
Range Initiator Capable	STA가 Initiator로 동작할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Range Responder Capable	STA가 Responder로 동작할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Transmit NDP Capable	STA가 Null Data Packet을 송신할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Receive NDP Capable	STA가 Null Data Packet을 수신할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Range Feedback Request Frame Capable	STA가 Range Feedback Request Frame을 사용할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Range Feedback Response Frame Capable	STA가 Range Feedback Response Frame을 사용할 수 있는지 여부	0: 불가능 1: 가능
Expected Accuracy	거리 측정의 예상 정확도	0: 지원안함 1: 1cm 2:10cm 3: 1m

예를 들어, Range Initiator Capable 서브 필드 31의 값이 0인 경우는 무선 기기 또는 스테이션(station, STA)가 거리 측정을 위한 개시기로서 동작할 수 없음을 나타내고, 1인 경우는 개시기로서 동작할 수 있음을 나타낸다. Range Responder Capable 서브 필드 32의 값이 0인 경우는 무선 기기가 거리 측정을 위한 응답기로서 동작할 수 없음을 나타내고, 1인 경우는 무선 기기가 거리 측정을 위한 응답기로서 동작할 수 있음을 나타낸다. Transmit NDP Capable 서브 필드 33의 값이 1인 경우는 무선 기기가 널 데이터 패킷을 송신할 수 있음을 나타내고, 0인 경우는 무선 기기가 널 데이터 패킷을 송신할 수 없음을 나타낸다. Receive NDP Capable 서브 필드 34의 값이 1인 경우는 무선 기기가 널 데이터 패킷을 수신할 수 있음을 나타내고, 0인 경우는 무선 기기가 널 데이터 패킷을 수신할 수 없음을 나타낸다. Range Feedback Request Frame Capable 서브필드 35의 값이 1인 경우는 무선 기기가 레인지 피드백 요청 프레임을 사용할 수 있음을 나타내고, 0인 경우는 무선 기기가 레인지 피드백 요청 프레임을 사용할 수 없음을 나타낸다. Range Feedback Response Frame Capable 서브필드 36의 값이 1인 경우는 무선 기기가 레인지 피드백 응답 프레임을 사용할 수 있음을 나타내고, 0인 경우는 무선 기기가 레인지 피드백 응답 프레임을 사용할 수 없음을 나타낸다. Expected Accuracy 서브필드 37의 값이 1인 경우는 무선 기기가 제공할 수 있는 거리 측정의 예상 정확도가 1cm임을 나타내고, 2인 경우는 무선 기기가 제공할 수 있는 거리 측정의 예상 정확도가 10cm임을 나타내고, 3인 경우는 무선 기기가 제공할 수 있는 거리 측정의 예상 정확도가 1m임을 나타내고, 0인 경우 무선 기기가 거리 측정을 지원하지 않음을 나타낸다.

다시 도 4c를 참조하면, 개시기로서 제1 무선 기기 100과 응답기로서 제2 무선 기기 200은 능력 협상 구간 T10에서 스캐닝(Scanning)을 위한 DMG 비콘 및 프로브 요청 신호를 주고 받으면서 DMG 레인지 엘레멘트 안의 레인지 능력 정보 필드를 통하여 스테이션이 개시기/응답기로 동작할 수 있는지 여부, 스테이션이 NDP를 받을 수 있는지/보낼 수 있는지 여부, 스테이션이 레인지 피드백 요청/응답 프레임을 사용할 수 있는지 여부를 서로 교환한다.

개시기 100은 자신의 능력 정보를 포함하는 DMG 레인지 엘레멘트를 DMG 비콘에 포함하여 응답기 200으로 보낸다(S10단계에서). 응답기 200은 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 DMG 비콘이 수신됨에 응답하여 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 프로브 요청을 개시기 100으로 송신한다(S20단계). 개시기 100은 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 프로브 요청이 수신됨에 응답하여 긍정 응답(acknowledgement, ACK) 신호를 응답기 200으로 송신한다(S30단계).

도 4d를 참조하면, 개시기로서 제1 무선 기기 100과 응답기로서 제2 무선 기기 200은 능력 협상 구간 T10에서 정보 요청 및 정보 응답 신호를 주고 받으면서 DMG 레인지 엘레멘트 안의 레인지 능력 정보 필드를 통하여 스테이션이 개시기/응답기로 동작할 수 있는지 여부, 스테이션이 NDP를 받을 수 있는지/보낼 수 있는지 여부, 스테이션이 레인지 피드백 요청/응답 프레임을 사용할 수 있는지 여부를 서로 교환한다.

개시기 100은 자신의 능력 정보를 포함하는 DMG 레인지 엘레멘트를 정보 요청에 포함하여 응답기 200으로 보낸다(S40단계). 응답기 200은 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 정보 요청이 수신됨에 응답하여 ACK을 개시기 100으로 송신한다(S50단계). 응답기 200은 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 정보 요청이 수신됨에 응답하여 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 정보 응답을 개시기 100으로 송신한다(S60단계). 개시기 100은 DMG 레인지 엘레멘트를 포함한 정보 응답이 수신됨에 응답하여 ACK을 응답기 200으로 송신한다(S70단계).

이와 같이 능력 협상 구간 T10에서 개시기 100과 응답기 200은 자신들의 능력 정보를 서로 교환할 수 있기 때문에 별다른 동작없이 개시기 100과 응답기 200의 능력에 알맞게 레인지 추정 구간 T100으로 빨리 넘어갈 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 요청 레인지 패킷의 구성을 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면, 요청 레인지 패킷은 거리를 측정하는 목적으로 스테이션(또는 무선 기기)에서 송신하는 패킷이다. 요청 레인지 패킷은 도 7에 도시된 형태일 수 있다. 요청 레인지 패킷은 짧은 트레이닝 필드(Short Training Field, STF) 40, 채널 추정(Channel Estimation, CE) 필드 50만을 포함하는 모든 패킷을 나타낸다.

개시기 100과 응답기 200 사이의 발진기 에러(oscillator error)로 인하여 데이터의 길이가 긴 패킷을 통한 신호 처리로는 수 cm의 정확도를 가지기 어려울 수 있다. 이러한 경우 고해상도의 정확도를 가지는 거리 측정을 위해서 도 7에 도시된 바와 같이 헤더(Header) 60을 비롯해서 데이터가 없는 널 데이터 패킷을 요청 레인지 패킷으로 이용하는 것이 적합하다.

한편 모든 무선 기기들이 NDP를 송수신할 수 있는 것이 아니기 때문에, 기기별로 [표 1]에서 정의한 레인지 능력 정보에 따라 NDP 레인지 패킷을 쓸 수 있는지 여부를 판단할 수 있다. 또한, NDP 레인지 패킷을 쓸 수 없다 하더라도, 도 7에 도시된 바와 같이 헤더 60에 [표 2]와 같은 레인지 필드를 두어 데이터의 길이가 긴 패킷을 통한 신호처리 시간을 단축하여 정확도를 높일 수도 있다.

Field	Definition	Encoding
Range	Range Packet인지 여부	0: No Range Packet 1: Range Packet

예를 들어, 도 7에 도시된 또한 헤더 60이 레인지(Range) 필드 65을 포함하는 경우 헤더 60의 레인지 필드 65의 값이 1인 경우는 레인지 패킷을 나타내고, 0인 경우는 레인지 패킷이 아닌 경우를 나타낸다.

다시 도 4a를 참조하면, 레인징 추정 구간 T100에서 레인지 시작(Range Start) 신호에 의해 거리 측정 동작이 시작된다. 개시기로서 제 1 무선 기기 100은 제 2 무선 기기 200으로 요청 레인지 패킷을 송신하고(S110), 제 2 무선 기기 200은 요청 레인지 패킷의 응답으로 응답 레인지 패킷을 제 1 무선 기기 100으로 송신한다(S130). 이는 제 1 무선 기기 100에서 요청 레인지 패킷으로 널 데이터 패킷을 이용하지 않고 데이터가 있는 패킷을 이용할 때이고, 제 2 무선 기기 200이 미리 설정된 시간 간격, 예를 들어 싶스(Short Interframe Space, SIFS) 간격이 지난 후 응답할 수 있도록 하는 패킷은 모두 요청 레인지 패킷으로 사용할 수 있다. 예를 들어, RTS, 프로브 응답, 요청 액션 프레임 등을 요청 레인지 패킷으로 사용할 수 있고, 그때 각각 DMG CTS, ACK, 응답 액션 프레임을 응답 레인지 패킷으로 사용할 수 있다.

다시 도 4b를 참조하면, 레인징 추정 구간 T100에서 레인지 시작(Range Start) 신호에 의해 거리 측정 동작이 시작된다. 개시기로서 제 1 무선 기기 100과 제 2 무선 기기 200은 RTS와 DMG CTS를 주고 받으며 제 1 무선 기기 100이 송신할 요청 레인지 패킷의 목적지가 응답기 200임을 확인하고 (S140, S150), 요청 레인지 패킷으로 널 데이터 패킷을 제 1 무선기기 100에서 제 2 무선기기 200으로 송신할 수 있다(S110). 널 데이터 패킷은 그 패킷의 목적지가 불분명하기 때문에 S140과 S150단계를 수행할 필요가 있다. 제 2 무선기기 200은 널 데이터 패킷의 응답으로 응답 레인지 패킷을 제 1 무선기기 100으로 송신한다. 이때, 응답 레인지 패킷으로 ACK 또는 응답 액션 프레임을 사용할 수 있다(S130).

도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 레인지 추정기에 의한 무선 기기들 사이의 거리 추정 동작을 보여주는 도면이다. 이러한 거리 추정 동작은 도 2의 레인지 추정기 110A 및 도 3의 레인지 추정기 210A에 의해 수행될 수 있다.

도 8a를 참조하면, 제1 무선 기기 100의 레인지 추정기 110A는 DAC 125를 통하여 요청 레인지 패킷을 송신할 때부터 베이스밴드 처리기 115에서 수신한 응답 레인지 패킷의 수신을 감지할 때까지 카운팅을 한다. 이 시간이 Ti이다. 제2 무선 기기 200의 레인지 추정기 210A는 베이스밴드 처리기 215에서 수신한 요청 레인지 패킷의 수신을 감지할 때부터 DAC 225를 통하여 응답 레인지 패킷을 송신할 때까지 카운팅을 한다. 이 시간이 Tr이다.

하기 [표 3]에서, A는 개시기 100의 DAC 125A의 지연 및 응답기 200의 DAC 225A의 지연이다. B는 개시기 100의 DAC 125A와 안테나 130 사이의 송신 회로 지연(Transmit Circuit Delay) 및 응답기 200의 DAC 225A와 안테나 230 사이의 송신 회로 지연이다. C는 개시기 100과 응답기 200 사이의 전파 지연(Propagation Delay)이다. D는 응답기 200의 안테나 230과 ADC 225B 사이의 수신 회로 지연(Receive Circuit Delay) 및 개시기 100의 안테나 130과 ADC 125B 사이의 수신 회로 지연이다. E는 응답기 200의 ADC 225B의 지연 및 개시기 100의 ADC 125B의 지연이다. F는 응답기 200의 베이스밴드 처리기 215의 수신 감지 처리 지연(Processing Delay of BB) 및 개시기 100의 베이스밴드 처리기 115의 수신 감지 처리 지연이다.

Symbol	Description
Ti	Time for Clock Counter of Initiator
Tr	Time for Clock Counter of Responder
A	DAC Delay
B	Transmit Circuit Delay
C	Propagation Delay
D	Receive Circuit Delay
E	ADC Delay
F	Processing Delay of BB

이와 같이 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200은 F를 식별할 수 있고, A, B, D, E도 식별할 수 있기 때문에 다음의 [수학식 1] 및 [수학식 2]가 도출될 수 있다.

[수학식 2]로부터 전파 지연(Propagation Delay) C를 얻을 수 있다. 이때 A,B,D,E,F는 상수이고, Ti 값은 측정을 통해 구할 수 있고, Tr 값은 제2 무선 기기 200에 의해 측정되어 제공받을 수 있으므로, 제1 무선 기기 100은 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200 사이의 거리를 추정할 수 있다.

도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레인지 추정기에 의한 무선 기기들 사이의 거리 추정 동작을 보여주는 도면이다. 이러한 거리 추정 동작은 도 2의 레인지 추정기 110A 및 도 3의 레인지 추정기 210A에 의해 수행될 수 있다.

도 8a와 대비할 때, 도 8b에 도시된 처리 흐름은 보다 정확한 거리 추정을 위하여 개시기 100과 응답기 200에서 샘플 타이밍 오프셋(Sample Timing Offset, STO)을 사용한다. 이는 수신 신호에 대한 샘플 단위의 상관 결과 값을 구하는 경우에 발생할 수 있는 오류 등을 후술될 [수학식 3]과 같이 보정함으로써 보다 정확한 거리 추정을 하기 위함이다.

도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예들에 따른 거리 추정을 위해 무선 기기들에 의해 수행되는 수신 심볼을 감지하는 동작을 설명하기 위한 도면들이다.

도 9a를 참조하면, 제1 무선 기기 100과 제2 무선 기기 200는 60GHz Wi-Fi 패킷의 프리앰블에서 이용되는 소위 골레이 시퀀스(Golay Sequence)를 이용하여 수신된 심볼을 감지한다. 거리 추정에서 중요한 것은 전파 지연 C를 구하는 것인데, 무선 기기들 100,200은 패킷이 안테나 130,230으로 들어오는 시점을 바로 알 수 없기 때문에, 개시기 100의 베이스밴드 처리기 115 또는 응답기 200의 베이스밴드 처리기 215에서 수신 감지 추정을 하고 이를 바탕으로 안테나 130,230으로 패킷이 들어오는 시점을 알아낸다. 프리앰블이 안테나 130,230로 들어와서 ADC 125B,225B로 전달되고(시간 지연 D) 베이스밴드 처리기 115,215로 프리앰블의 시작점이 전달된다(시간 지연 E). 베이스밴드 처리기 115,215는 베이스밴드 처리기 115,215로 프리앰블의 시작점이 들어오는 시점을 기반으로 수신 감지 추정을 할 수 있다. 하지만 좀 더 정확한 수신 감지를 위해서 프리앰블의 골레이 시퀀스의 특성을 이용하여 수신 감지 추정을 할 수도 있다(시간 지연 F).

도 9b 및 도 9c는 각각 60GHz Wi-Fi 패킷의 프리앰블에서 이용되는 골레이 시퀀스에 대한 수신 감지 추정 동작 및 골레이 시퀀스의 상관 특성을 나타낸다.

도 9b를 참조하면, 60GHz Wi-Fi 패킷의 프리앰블은 STF 40과 CE 필드 50으로 이루어 지고, STF 40과 CE 필드 50은 샘플 길이 128의 Ga128 및 Gb128과 그것들의 조합으로 Gu256 70, Gv512 80 및 Gu512 90으로 이루어 진다.

도 9c에 도시된 Gu256 70의 상관 특성을 참조하면, 도 9b와 같이 STF 40의 끝 지점에서 Peak P2를 기대할 수 있고, P2 를 미리 정해진 문턱값과 비교하여 수신 감지를 할 수 있다. 또한, 도 9c의 (a)에 도시된 Gv256 80의 상관 특성의 P1과 P2의 위상차를 이용하여 수신 감지를 할 수 있다. 도 9c의 (b)에 도시된 Gv512 80의 상관과 Gu512 90의 상관의 합의 특성을 참조하면, 도 9b와 같이 Gu512 90이 끝나는 지점에서 Peak P3을 기대할 수 있고, P3을 미리 정해진 문턱값과 비교하여 수신 감지할 수도 있다. 여기서는 일 실시예로 골레이 시퀀스의 특정 상관 특성을 이용한 수신 감지 추정 동작을 나타내고 있지만, 유사한 변형 실시예가 가능하다. 예를 들어, 수신 감지 추정 동작을 위해 Ga128 또는 Gb128의 상관 특성을 이용할 수도 있고, 자동상관 성질이 우수한 신호, 예를 들어 의사랜덤(pseudo random) 코드를 이용할 수도 있다.

한편, 개시기 100의 베이스밴드 처리기 115 또는 응답기 200의 베이스밴드 215에서 수신 감지 추정시 측정 단위는 디지털 샘플링의 단위이기 때문에 수신 감지 추정 오차가 존재할 수 있다. 이에, 아래 [수학식 3]과 같이 STO를 활용하여 더 정확한 응답기 200의 베이스밴드 처리기 215의 수신 감지 처리 지연 및 개시기 100의 베이스밴드 처리기 115의 수신 감지 처리 지연 F'을 얻을 수 있다.

여기서, F는 샘플 단위로 수신 감지를 했을 때의 응답기 200의 베이스밴드 처리기 215의 처리 지연 및 개시기 100의 베이스밴드 처리기 115의 처리 지연이고, S는 STO로 한 샘플보다 작은 지연을 갖는다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 응답기 200의 방향을 탐색하는 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 본 발명의 실시예들에 따라 응답기 200의 방향을 탐색하는 방법은 도 10에 도시된 바와 같은 전기적 빔 스위프(electric beam-sweep) 방법과 도 11에 도시된 바와 같은 수동적 빔 스위프(manual beam-sweep) 방법이 있다. 이러한 방향 추정 동작은 도 2의 방향 추정기 110B에 의해 수행될 수 있다. 여기서는 개시기로서 제1 무선 기기 100이 응답기로서 제2 무선 기기 200의 방향을 추정하는 예가 설명되고 있다. 그러나, 동일한 방식으로 도 3에 도시된 제2 무선 기기 200의 방향 추정기 210B가 제1 무선 기기 100의 방향을 추정할 수도 있다.

도 10을 참조하면, 전기적 빔 스위프 방법을 위해 개시기 100의 방향 추정기 110B는 다수의 섹터 측정기들 170-10, 다수의 채널 추정기들 170-12, 다수의 가시구간(Line-of-Sight, LOS) 경로 선택기들 170-14, 빔 패턴 저장부 170-16 및 도달각도(Angle of Arrival, AOA) 추정기 170-18을 포함한다. 다수의 섹터 측정기들 170-10은 안테나 빔포밍(antenna beamforming)을 통해 안테나 빔 방향을 바꿔가면서 수신 디바이스와 신호를 교신했을 때의 신호의 세기를 측정한다. 다수의 채널 추정기들 170-12 각각은 다수의 섹터 측정기들 170-10에 대응하며, 해당 채널을 추정한다. 다수의 LOS 경로 선택기들 170-14 각각은 다수의 채널 추정기들 170-12에 대응하며, 추정된 채널에서의 피크를 검색함으로써 LOS 경로를 선택한다. AOA 추정기 170-18은 다수의 LOS 경로 선택기들 170-14로부터 출력되는 LOS 경로 변이 패턴(variation pattern)과 빔 패턴 저장부 170-16에 미리 저장되어 있는 빔 패턴을 비교하고, 비교 결과에 따라 AOA를 추정한다. 이에 따라 응답기 200의 방향이 추정된다.

도 11을 참조하면, 수동적 빔 스위프 방법을 위해 개시기 100의 방향 추정기 110B는 다수의 섹터 측정기들 170-20, 다수의 채널 추정기들 170-22, 다수의 LOS 경로 선택기들 170-24, 방향 변동 측정기 170-26 및 AOA 추정기 170-28을 포함한다. 다수의 섹터 측정기들 170-20은 송신 디바이스 100의 안테나 빔을 정면으로 고정시키고, 안테나 빔 방향을 사용자가 손으로 바꿔가면서 수신 디바이스와 신호를 교신했을 때의 신호의 세기를 측정한다. 다수의 채널 추정기들 170-22 각각은 다수의 섹터 측정기들 170-20에 대응하며, 해당 채널을 추정한다. 다수의 LOS 경로 선택기들 170-24 각각은 다수의 채널 추정기들 170-22에 대응하며, 추정된 채널에서의 피크를 검색함으로써 LOS 경로를 선택한다. AOA 추정기 170-28은 다수의 LOS 경로 선택기들 170-24로부터 출력되는 LOS 경로 변이 패턴(variation pattern)과, 자이로스코프(Gyroscope) 센서에 의해 구현될 수 있는 방향 변동 측정기 170-26에 의해 측정 빔 패턴을 비교하고, 비교 결과에 따라 AOA를 추정한다. 이에 따라 응답기 200의 방향이 추정된다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기기들 사이의 위치 추정 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다. 이러한 처리 흐름은 예를 들어 도 1에 도시된 개시기 100의 위치 추정기 110에 의해 수행될 수 있다. 개시기 100에 의한 응답기 200의 거리 및 방향 추정 동작은 도 2에 도시된 개시기 100의 베이스밴드 처리기 115에 포함되는 레인지 추정기 110A 및 방향 추정기 110B에 의해 수행될 수 있다. 레인지 추정기 110A에 의한 거리 추정 동작은 앞서서 설명한 도 4a 내지 도 8b에 도시된 흐름에 따라 수행될 수 있으며, 방향 추정기 110B에 의한 방향 추정 동작은 앞서서 설명한 도 10 또는 도 11에 도시된 흐름에 따라 수행될 수 있다.

도 12를 참조하면, 응답기 200의 위치를 추정하기 위해서 개시기 100의 방향 추정기 110B는 응답기 200의 방향, 즉 각도를 추정한다(S200 단계).

다음에, 개시기 100은 응답기 200 사이의 거리를 추정한다(S210단계 내지 S240단계). 이를 위해서는 요청 레인지 패킷 및 응답 레인지 패킷이 공기 중에 있는 시간을 알아야 한다. 즉, [표 3]에서 정의한 전파 지연 C를 알아야 한다. C를 얻기 위해서, S210단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110A는 요청 레인지 패킷을 생성하여 송신할 때부터 응답기 200에서 송신한 응답 레인지 패킷을 감지할 때까지의 시간 Ti를 계산한다. S220단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110A는 응답기 200의 레인지 추정기 210A에 의해 계산된 시간 Tr을 수신한다. S230 단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110A는 구해진 Ti와 Tr로부터 [수학식 2]를 통해 전파 지연 C를 계산한다. S240 단계에서 개시기 100의 레인지 추정기 110A는 [수학식 2]에 의해 구해진 C를 [수학식 4]에 적용함으로써 개시기 100과 응답기 200 사이의 거리를 추정한다.

여기서는 1회에 걸쳐 개시기 100과 응답기 200 사이의 거리를 추정하는 예로 설명하고 있지만, 다른 실시예로서 여러 번에 걸쳐 거리를 추정하고 그 평균을 이용하거나 필터링 처리를 해서 더 정확한 거리를 추정할 수 있다.

S250 단계에서 개시기 100의 위치 추정기 110은 개시기 100의 위치 정보를 수신한다. 예를 들어, GPS(Global Positioning System) 정보나 억세스포인트(Access Point, AP)를 이용하여 개시기 100의 위치를 인식할 수 있다. S260 단계에서 개시기 100의 위치 추정기 110은 개시기 100의 위치 정보를 바탕으로 응답기 200의 위치를 수 cm 해상도로 추정할 수 있다.

이와 같이 개시기 100에 의해 추정된 응답기 200의 위치는 사용자가 식별 가능하도록 외부적으로 디스플레이될 수 있다. 예를 들어, 후술될 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이 개시기 100의 위치와 응답기 200의 위치가 지도상에 디스플레이될 수 있다.

또한, 개시기 100은 추정된 응답기 200의 위치를 바탕으로 핸드오버 및 신호 파워 조절 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 개시기 100은 거리가 가까울수록 신호 파워가 작아도 원활한 통신을 할 확률이 높기 때문에, 이 성질을 이용하여 거리와 신호 파워의 관계식을 이용하여 신호 파워를 조절할 수 있다. 다른 예로, 개시기 100은 무선 기기의 위치와 기지국들의 위치를 비교하여 가까운 곳의 기지국과 통신을 하도록 핸드오버에 사용할 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 위치 추정 동작을 위한 제1 무선 기기의 구성을 보여주는 블록 다이아그램이다. 이러한 구성은 도 1 및 도 2에 도시된 제1 무선 기기 100에 대한 예시적인 구성으로 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 유사한 구성이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용되어질 수 있을 것이다.

도 13을 참조하면, 제1 무선 기기 100은 안테나부 130, 빔포밍 송수신기 140, 프로세서 150, 메모리부 160, 사용자 인터페이스 모듈 170 및 거리 추정기 110A 및 방향 추정기 110B를 포함한다. 프로세서 150, 거리 추정기 110A 및 방향 추정기 110B는 도 1에 도시된 위치 추정기 110을 구성할 수 있다.

안테나부 130은 다수의 안테나 어레이들을 포함하여 구성되며, 신호 송수신을 담당한다. 예를 들어, 안테나부 130은 mmWave 기술을 이용하여 60GHz 대역의 신호를 송수신한다. 빔포밍 송수신기 140은 하나 이상의 빔을 형성하고, 형성된 빔을 통해 신호가 송수신되도록 처리한다. 예를 들어, 빔포밍 송수신기 140은 부호기, 변조기, 역다중화기, 빔형성기, 빔포밍 벡터 형성기, 직교주파수분할다중 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 변조기, 고주파(radio frequency, RF) 처리기 등을 포함하여 구성될 수 있다.

프로세서 150은 무선 기기의 전반적인 동작을 제어한다. 특히, 프로세서 150은 레인지 추정기 110A 및 방향 추정기 110B를 제어하여 본 발명의 실시예들에 따른 거리 추정 및 방향 추정 동작들을 수행한다. 예를 들어, 개시기 100의 프로세서 150은 도 12에 도시된 흐름에 따라 응답기 200의 방향 및 거리를 추정함으로써 응답기 200의 위치를 추정한다. 또한, 프로세서 150은 GPS 정보 또는 AP를 이용하여 개시기 100의 위치 정보를 수신함으로써 개시기 100의 위치를 파악하고, 이렇게 파악된 개시기 100의 위치를 기준으로 응답기 200의 추정 위치를 지도 등을 이용하여 사용자 인터페이스 모듈 170상에 디스플레이하는 동작을 수행할 수 있다. GPS 정보는 GPS 수신기(도시하지 않음)를 통해 수신될 수 있으며, AP와의 통신은 안테나부 130을 통해 이루어질 수 있다. 또한, 프로세서 150은 위치 추정 결과를 이용하여 핸드오버 동작이나 신호의 전력 조절 동작을 수행할 수 있다.

메모리부 160은 무선 기기의 동작 수행을 위한 프로그램, 동작 수행에 따른 데이터 등을 저장한다. 또한, 메모리부 160은 본 발명의 실시예들에 따른 위치 추정 결과의 디스플레이시 사용되는 지도 정보를 저장한다. 사용자 인터페이스 모듈 170은 무선 기기와 사용자 사이의 인터페이스를 위한 것으로, 입력 모듈과 디스플레이 모듈을 포함할 수 있다. 이 디스플레이 모듈에 본 발명의 실시예들에 따른 위치 추정 결과가 지도와 함께 디스플레이될 수 있다. 이러한 위치 추정 결과의 디스플레이를 통해 사용자는 제1 무선 기기 100의 위치와 제2 무선 기기 200의 위치를 식별할 수 있게 된다.

레인지 추정기 110A는 본 발명의 실시예들에 따라 주변 무선 기기들의 거리를 추정한다. 예를 들어, 레인지 추정기 110A는 도 4a 내지 도 9c에 도시된 흐름들에 따라 응답기 200의 거리를 추정할 수 있다. 방향 추정기 110B는 본 발명의 실시예들에 따라 주변 무선 기기들의 방향을 추정한다. 예를 들어, 방향 추정기 110B는 도 10 및 도 11에 도시된 흐름에 따라 응답기 200의 방향을 추정할 수 있다.

전술한 본 발명의 실시예들은 레인지 추정기 110A 및 레인지 추정기 210ㅁ의 전력 소모를 최소화하기 위하여 기존 모뎀(Modem)에 꼭 있어야 하는 신호들을 이용하여 구현한다. DAC를 통하여 레인지 패킷을 송신하는 시점을 찾기 위하여 베이스밴드 처리기의 Tx를 제어하는 신호를 이용하고, 각종 오프셋을 통하여 조절한다.

한편, 본 발명의 실시예들에 따른 거리 추정 동작시 얻어지는 CIR 피크 값의 분포는 다중경로 채널이 LOS(Line of Sight) 채널 또는 NLOS(Non-LOS) 채널에 따라 구분될 수 있다. 그렇기 때문에 거리 측정의 개시기에서 응답 레인지 패킷을 수신하였을 때, CIR의 피크 값을 특정 문턱값과 비교함으로써 LOS와 NLOS로 구분하여 나타낼 수도 있고, CIR 피크 값으로부터 추정된 거리에 대한 신뢰도를 나타낼 수도 있다. 이로부터 사용자는 다중경로 채널의 영향으로 생길 수 있는 거리 측정의 부 정확도를 알 수 있을 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명의 실시예들은 무선 통신시스템에서 무선 기기를 통하여 신호를 주고 받는 것을 이용하여 수 cm 해상도를 가지는 거리 추정을 가능하게 한다. 본 발명의 실시예들은 추정된 거리를 바탕으로 무선 기기의 위치를 추정하고 이 추정된 위치 정보를 이용하여 무선 기기들 사이의 핸드오버와 송수신되는 신호의 파워를 조절할 수 있게 한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 요청/응답 레인지 패킷을 사용함으로써 무선 기기들 사이의 거리를 빠르게 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 다중경로 채널의 영향으로 생길 수 있는 거리 측정의 부정확도(신뢰도)를 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 기존 모뎀에서 사용되는 신호들을 이용함으로써 레인지 추정기의 전력 소모를 최소화할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 일 예로, 본 발명의 실시예들에서는 무선 기기가 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 구성되고, 도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d에 도시된 흐름에 따라 동작하고, 무선 기기의 레인지 추정기가 도 8a 및 도 8b에 도시된 흐름에 따라 거리를 측정하는 경우로 설명하였으나 본 발명의 보호범위는 반드시 이에 한정되지는 않을 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 동작들은 단일의 프로세서에 의해 그 동작이 구현될 수 있을 것이다. 이러한 경우 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령이 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판단 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM이나 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드 뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 본 발명에서 설명된 기지국 또는 릴레이의 전부 또는 일부가 컴퓨터 프로그램으로 구현된 경우 상기 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체도 본 발명에 포함된다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

100,200: 무선 기기
105,205: MAC 처리기
110A,210A: 레인지 추정기
110B,210B: 방향 추정기
115,215: 베이스밴드 처리기
125A,225A: 디지털/아날로그 변환기(DAC)
125B,225B: 아날로그/디지털변환기(ADC)
130: 안테나

Claims

무선 통신시스템에서 제1 무선 기기의 장치에 있어서:
제2 무선 기기와의 신호 송수신을 위한 송수신기; 및
상기 송수신기를 통해 송수신되는 신호를 이용하여 상기 제2 무선 기기의 위치를 추정하는 위치 추정기를 포함하고,
상기 위치 추정기는,
상기 제2 무선 기기로 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 상기 제2 무선 기기로부터 송신된 응답 레인지 패킷에 대한 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이와, 상기 제2 무선 기기에 의해 상기 요청 레인지 패킷에 대한 수신이 감지된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이에 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 레인지 추정기를 포함하는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 위치 추정기는,
상기 제1 무선 기기에서 상기 제2 무선 기기의 방향을 추정하는 방향 추정기를 더 포함하는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 레인지 추정기는,
상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기에서의 송신 회로 지연, 수신 회로 지연 및 레인지 패킷의 수신 감지 추정을 위한 처리 지연에 더 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 레인지 추정기는,
미리 정의된 샘플 타이밍 오프셋에 더 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 무선 기기 및 상기 제2 무선 기기에서의 송신 회로 지연은,
각각의 송신기에 포함된 디지털/아날로그 변환기와 안테나 사이의 지연을 포함하고,
상기 제1 무선 기기 및 상기 제2 무선 기기에서의 수신 회로 지연은,
각각의 수신기에 포함된 안테나와 아날로그/디지털 변환기 사이의 지연을 포함하고,
상기 제1 무선 기기 및 상기 제2 무선 기기에서의 레인지 패킷의 수신 감지 추정을 위한 처리 지연은,
각각의 수신기에 포함된 아날로그/디지털 변환기와 레인지 추정기 사이의 지연을 포함하는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 요청 레인지 패킷 및 상기 응답 레인지 패킷은,
60GHz Wi-Fi 패킷의 프리앰블 또는 골레이 시퀀스를 포함하는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 요청 레인지 패킷은,
상기 제2 무선 기기가 상기 응답 레인지 패킷을 송신할 수 있도록 하는 데이터 패킷을 포함하는 장치.
청구항 7에 있어서, 상기 요청 레인지 패킷 및 상기 응답 레인지 패킷은,
레인지 패킷인지 여부를 나타내는 레인지 필드를 더 포함하는 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 요청 레인지 패킷 및 상기 응답 레인지 패킷은,
채널 추정을 위한 필드를 더 포함하는 장치.
청구항 9에 있어서, 상기 요청 레인지 패킷 및 상기 응답 레인지 패킷은,
널 데이터 패킷을 더 포함하는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 송수신기는,
상기 제1 무선 기기의 거리 측정 능력을 나타내는 레인지 엘레멘트를 상기 제2 무선 기기로 송신하고,
상기 제2 무선 기기의 거리 측정 능력을 나타내는 레인지 엘레멘트를 상기 제2 무선 기기로부터 수신하는 장치.
청구항 11에 있어서, 상기 레인지 엘레멘트는,
무선 기기가 거리 측정을 요청하는 개시기로서 동작할 수 있는지 여부,
무선 기기가 거리 측정 요청에 응답하는 응답기로서 동작할 수 있는지 여부,
무선 기기가 널 데이터 패킷을 수신할 수 있는지 여부,
무선 기기가 널 데이터 패킷을 송신할 수 있는지 여부,
무선 기기가 레인지 피드백 요청 프레임을 사용할 수 있는지 여부,
무선 기기가 레인지 피드백 응답 프레임을 사용할 수 있는지 여부, 및
거리 측정 예상 정확도를 나타내는 레인지 능력 정보 필드를 포함하는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 위치 추정기는,
상기 제1 무선 기기의 위치 정보를 수신하고,
상기 제1 무선 기기의 위치와 상기 제2 무선 기기의 위치를 지도상에 디스플레이하는 동작을 더 수행하는 장치.
무선 통신시스템에서 제1 무선 기기의 동작 방법에 있어서:
송수신기를 통해 제2 무선 기기와의 신호를 송수신하는 과정; 및
상기 송수신기를 통해 송수신되는 신호를 이용하여 상기 제2 무선 기기의 위치를 추정하는 과정을 포함하고,
상기 위치를 추정하는 과정은,
상기 제2 무선 기기로 요청 레인지 패킷이 송신된 시점부터 상기 제2 무선 기기로부터 송신된 응답 레인지 패킷에 대한 수신이 감지된 시점까지의 제1 시간차이와, 상기 제2 무선 기기에 의해 상기 요청 레인지 패킷에 대한 수신이 감지된 시점부터 상기 응답 레인지 패킷이 송신된 시점까지의 제2 시간차이에 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 과정을 포함하는 방법.
청구항 14에 있어서, 상기 위치를 추정하는 과정은,
상기 제1 무선 기기에서 상기 제2 무선 기기의 방향을 추정하는 과정을 더 포함하는 방법.
청구항 14에 있어서, 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 과정은,
상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기에서의 송신 회로 지연, 수신 회로 지연 및 레인지 패킷의 수신 감지 추정을 위한 처리 지연에 더 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 과정을 포함하는 방법.
청구항 16에 있어서, 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 과정은,
미리 정의된 샘플 타이밍 오프셋에 더 기반하여 상기 제1 무선 기기와 상기 제2 무선 기기 사이의 거리를 추정하는 과정을 포함하는 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 제1 무선 기기 및 상기 제2 무선 기기에서의 송신 회로 지연은,
각각의 송신기에 포함된 디지털/아날로그 변환기와 안테나 사이의 지연을 포함하고,
상기 제1 무선 기기 및 상기 제2 무선 기기에서의 수신 회로 지연은,
각각의 수신기에 포함된 안테나와 아날로그/디지털 변환기 사이의 지연을 포함하고,
상기 제1 무선 기기 및 상기 제2 무선 기기에서의 레인지 패킷의 수신 감지 추정을 위한 처리 지연은,
각각의 수신기에 포함된 아날로그/디지털 변환기와 레인지 추정기 사이의 지연을 포함하는 방법.
청구항 14에 있어서, 상기 요청 레인지 패킷 및 상기 응답 레인지 패킷은,
60GHz Wi-Fi 패킷의 프리앰블 또는 골레이 시퀀스를 포함하는 방법.
청구항 14에 있어서, 상기 요청 레인지 패킷 및 상기 응답 레인지 패킷은,
상기 제2 무선 기기가 응답 레인지 패킷을 송신할 수 있도록 하는 데이터 패킷을 포함하는 방법.
청구항 20에 있어서, 상기 요청 레인지 패킷 및 상기 응답 레인지 패킷은,
레인지 패킷인지 여부를 나타내는 레인지 필드를 더 포함하는 방법.
청구항 21에 있어서, 상기 요청 레인지 패킷 및 상기 응답 레인지 패킷은,
채널 추정을 위한 필드를 더 포함하는 방법.
청구항 22에 있어서, 상기 요청 레인지 패킷 및 상기 응답 레인지 패킷은,
널 데이터 패킷을 더 포함하는 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 무선 기기의 거리 측정 능력을 나타내는 레인지 엘레멘트를 상기 제2 무선 기기로 송신하는 과정; 및
상기 제2 무선 기기의 거리 측정 능력을 나타내는 레인지 엘레멘트를 상기 제2 무선 기기로부터 수신하는 과정을 더 포함하는 방법.
청구항 24에 있어서, 상기 레인지 엘레멘트는,
무선 기기가 거리 측정을 요청하는 개시기로서 동작할 수 있는지 여부,
무선 기기가 거리 측정 요청에 응답하는 응답기로서 동작할 수 있는지 여부,
무선 기기가 널 데이터 패킷을 수신할 수 있는지 여부,
무선 기기가 널 데이터 패킷을 송신할 수 있는지 여부,
무선 기기가 레인지 피드백 요청 프레임을 사용할 수 있는지 여부,
무선 기기가 레인지 피드백 응답 프레임을 사용할 수 있는지 여부, 및
거리 측정 예상 정확도를 나타내는 레인지 능력 정보 필드를 포함하는 방법.
청구항 14에 있어서, 상기 위치를 추정하는 과정은,
상기 제1 무선 기기의 위치 정보를 수신하는 과정, 및
상기 제1 무선 기기의 위치와 상기 제2 무선 기기의 위치를 지도상에 디스플레이하는 과정을 더 포함하는 방법.