KR20160105441A

KR20160105441A - 비동기 방사와 다중경로 송신으로 위치 추정

Info

Publication number: KR20160105441A
Application number: KR1020167020330A
Authority: KR
Inventors: 스웨런 수레시 쿠마; 디나 카타비
Original assignee: 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-09-06
Also published as: EP3087407A2; US20150301152A1; WO2015100237A3; CN106062580A; US20150304979A1; US9958526B2; CN106062580B; US10838035B2; WO2015156847A2; WO2015100237A2; WO2015156847A3

Abstract

목표 디바이스의 위치의 방향 특성화는 상기 목표 디바이스로부터 수신된 여러 무선 송신들을 사용한다. 일부 예에서, 각각의 무선 송신은 고정 위치의 제1 안테나에서 수신되고, 또한 제2 이동 안테나에서 수신된다. 상기 수신된 송신들은 예를 들어, 방향 함수로서 전력의 분포로 상기 방향 특성화를 결정하도록 결합된다. 일부 예에서, 상기 수신된 무선 송신들은 상기 무선 송신들의 복수의 도착 방향들 각각에 대해 예를 들어, 상기 목표로부터의 반사 경로와 직접 경로를 구별하기 위해 가장 직접적인 도착 방향을 결정하도록 처리된다.

Description

비동기 방사와 다중경로 송신으로 위치 추정{LOCALIZATION WITH NON-SYNCHRONOUS EMISSION AND MULTIPATH TRANSMISSION}

본 출원은 2013년 12월 27일에 출원된“독립적인 무선 노드들 간 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar Between Independent Wireless Nodes)”라는 타이틀의 미국 가출원 번호 61/921,127과 2013년 12월 27일에 출원된 “안테나 배열 및 합성 개구 레이더 시스템의 다중경로 지연 특성화(Characterizing Multipath Delays in Antenna Array and Synthetic Aperture Radar Systems)”라는 타이틀의 미국 가출원 번호 61/921,190에 대해 우선권을 주장한다. 이 출원들의 내용은 본원에서 참조로 원용된다.

본 출원은 또한 본 출원과 동시에 출원된“안테나 배열 및 합성 개구 레이더 시스템의 다중경로 지연 특성화(Characterizing Multipath Delays in Antenna Array and Synthetic Aperture Radar Systems)”(대리인 문서 70009-D37001) 타이틀의 미국 출원번호 __/___,___에 관한 것이다. 이 출원은 본원에서 참조로 원용된다.

연방 스폰서 연구에 관한 성명서

본 발명은 미국 공군에 의해 수여된 계약 번호 FA8721-05-C-0002 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 특정 권리들을 가진다.

본 발명은 합성 개구 기법들을 사용하는 일부 실시 예에서 무선 주파수 위치 추정(radio frequency localization)에 관한 것으로, 특히 목표가 된 물체들로부터 방사가 반드시 수신기와 동기적이지 않고/않거나 목표가 된 물체들로부터 수신기로의 방사들이 직접 경로 및 하나 이상의 반사 경로들 같은, 여러 분리된 경로들을 따르는 기법들의 사용에 관한 것이다.

합성 개구 레이더(SAR)는 일반적으로 전파(radio waves)의 연속적인 펄스들이 목표 현장을 “비추기(illuminate)” 위해 송수신기로부터 송신되고, 각각의 펄스의 에코가 송수신기에서 수신되고 기록된다. 목표에 대한 안테나의 위치가 시간에 따라 변하도록 상기 송수신기의 안테나는 일반적으로 이동 항공기 같은 이동 운송 수단(moving vehicle)에 장착된다. 기록된 레이더 에코의 신호 처리는 다중 안테나 위치들로부터의 기록들의 조합을 할 수 있어, 그렇게 함으로써 합성 안테나 개구를 형성하고 단일 위치에서 주어진 물리적 안테나로 가능할 수 있는 것보다 비춰진 목표 장면의 더 좋은 해상도 이미지를 제공한다. 이러한 시스템들에서, 안테나로부터 송신된 신호는 예를 들어, 공통의 비교적 안정된(즉, 반사된 신호의 왕복 시간의 시간 규모에서 안정적인) 발진기(oscillator)의 형태로 공통 시간 기준을 가지는 시스템의 송신 및 수신부 덕분에 수신된 에코와 동기화된다.

무선 주파수 리플렉터(reflector) 또는 송신기(이하 “방사기(emitter)”)의 위치 추정은 목표 물체로부터 수신기로의 다중 경로가 있게 하는 반사 구조들의 존재에 의해 복잡할 수 있다. 예를 들어, 실내 위치 추정에서, 벽들로부터의 반사는 이러한 다중경로 효과를 초래할 수 있다. 또 다른 예로, 도시 환경에서의 실외 위치 추정에서, 신호들은 다중경로 효과들을 야기하는 빌딩들로부터 반사될 수 있다. 일부 상황에서, 반사된 신호들은 목표로부터 수신기로의 직접 경로보다 더 높은 에너지를 가질 수 있다.

본 발명의 목적은 목표 디바이스의 위치의 특성화를 결정하는 데 사용되는 방법, 무선 신호들의 가장 직접적인 도착 방향을 결정하는 방법, 이를 이용한 위치 추정 시스템, 및 위치 추정 시스템의 프로세서가 상기 방법들 중 임의의 것의 모든 단계들을 수행하도록 하기 위한 명령들을 포함하는 비 일시적 기계 판독 가능한 매체상에 구현된 소프트웨어를 제공하기 위한 것이다.

일 측면에서, 일반적으로, 방법이 목표 디바이스의 위치의 특성화(예를 들어, 방위각과 앙각 특성화 방향)를 결정하는 데 사용된다. 이 방법에 따라, 복수의 무선 송신들이 목표 디바이스로부터의 수신된다. 각각의 무선 송신은 고정 위치의 제1 안테나에서 수신되고, 또한 상기 복수의 송신들이 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 여러 위치들에서 수신되도록 상기 제1 안테나의 상기 고정 위치 외에 위치의 안테나에서 수신된다. 각각의 무선 송신에 대해, 상기 목표 디바이스로부터 상기 제1 안테나로의 무선 채널에 대해 제1채널 특성이 결정되고, 상기 목표 디바이스로부터 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 위치의 상기 안테나로의 무선 채널에 대해 제2채널 특성이 또한 결정된다. 상기 무선 송신들 각각과 관련된 상대적인 채널 특성을 결정하기 위해 상기 제1채널 특성들과 상기 제2채널 특성들이 결합된다. 상기 목표 디바이스의 위치의 방향 특성화(directional characterization)를 결정하기 위해 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 대응하는 위치들과 이러한 상대적인 무선 특성들이 결합된다.

측면들은 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 위치에서 상기 무선 송신을 수신하는 것은 제2 이동 안테나에서 상기 송신을 수신하는 단계를 포함한다. 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 복수의 위치들이 그때 상기 제2 안테나의 복수의 위치들을 포함한다.

상기 방법은 상기 제2 안테나가 공간 경로(예를 들어, 원형, 선형, 또는 불규칙 경로)를 따라 움직이도록 하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 안테나의 복수의 위치들이 상기 공간 경로 상에 해당한다. 일부 예에서, 상기 공간 경로는 반복되는 경로(예를 들어, 원형 경로의 반복되는 순회(traversals))를 포함한다.

상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 위치에서 상기 무선 송신을 수신하는 것은 안테나들의 세트로부터 제2 안테나를 선택하는 단계를 포함한다. 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 복수의 위치들은 그때 상기 선택된 제2 안테나들의 위치들을 포함한다.

각각의 무선 송신은 서로 다른 송신 주파수들에서 복수의 요소들(components)을 포함한다. 상기 제1채널 특성, 상기 제2채널 특성, 및 상기 상대적인 채널 특성 각각은 상기 서로 다른 송신 주파수들에 대응하는 채널 특성들을 포함한다. 일부 예에서, 상기 무선 송신들은 송신 데이터의 주파수 분할 다중 인코딩들(frequency division multiplexed encodings)을 포함한다. 예를 들어, 상기 무선 송신들은 송신 데이터의 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 인코딩들을 포함한다.

상기 방법은 복수의 무선 송신들의 복수의 도착 방향들을 식별하는 단계- 도착 방향들 중 적어도 하나가 상기 목표 디바이스로부터 상기 제2 안테나의 위치들로의 반사 경로에 대응함- 를 더 포함한다.

상기 방법은 상기 복수의 도착 방향들로부터 가장 직접적인 도착 방향을 식별하는 단계를 더 포함한다.

가장 직접적인 도착 방향을 식별하는 단계는 상기 복수의 도착 방향들 각각에 대응하는 채널 특성을 결정하기 위해 상기 제2 안테나의 대응하는 위치들과 상기 상대적인 무선 특성들을 결합하는 단계-상기 채널 특성은 상기 서로 다른 송신 주파수들의 차이에 걸친 위상 특성 변화를 나타냄-를 포함한다.

상기 방법은 상기 복수의 도착 방향들로부터 가장 직접적인 도착 방향을 식별하기 위해 상기 제2 안테나의 대응하는 위치들과 상기 상대적인 무선 특성들을 결합하는 단계를 더 포함한다.

상기 제1채널 특성과 상기 제2채널 특성 각각은 위상 특성을 포함하고, 상기 상대적인 채널 특성은 상대적인 위상 특성을 포함한다.

상기 위치의 방향 특성화를 결정하는 것은 도착 방향의 함수로서 전력 분포를 결정하는 단계를 포함한다. 일부 예에서, 상기 방향 특성화를 결정하는 것은 상기 전력 분포의 피크 전력의 하나 이상의 방향들의 세트를 식별하는 단계를 더 포함한다.

상기 목표 디바이스는 광역 셀룰러 통신(cellular communication) 디바이스와 무선 지역 네트워크 디바이스 중 적어도 하나를 포함한다.

또 다른 측면에서, 일반적으로, 방법이 무선 신호들의 가장 직접적인 도착 방향을 결정하는 것으로 향해진다. 복수의 무선 송신들이 목표 디바이스로부터 수신된다. 상기 복수의 무선 송신들의 각각의 무선 송신이 공지 위치들의 복수의 안테나들(그러나 반드시 각각의 송신에 대해 동일한 복수의 안테나들은 아님)에서 수신된다. 각각의 무선 송신은 서로 다른 전송 주파수들에서 복수의 요소들을 포함한다. 상기 수신된 무선 송신들을 상기 무선 송신들의 복수의 도착 방향들 각각에 대해 상기 목표 디바이스로부터 채널의 특성화를 결정하기 위해 처리된다. 상기 채널의 특성화는 상기 무선 송신들의 요소들의 서로 다른 송신 주파수들에서 상기 채널의 특성화들을 포함한다. 상기 도착 방향들 중 적어도 하나는 상기 목표 디바이스로부터 상기 안테나의 위치들로의 반사 경로에 대응한다. 가장 직접적인 도착 방향이 상기 복수의 도착 방향들로부터 결정된다. 이는 상기 서로 다른 송신 주파수들에서 상기 도착 방향에 대한 상기 채널의 특성화를 사용하여 상기 목표로부터 경로 길이(예를 들어, 하나 이상의 다른 도착 방향들과 비교하여 상대적인 경로 길이)를 나타내는 양을 각각의 도착 방향에 대해 계산하고, 상기 가장 직접적인 방향을 결정하기 위해 상기 계산된 양들을 비교하는 단계를 포함한다.

측면들은 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 무선 송신들은 송신 데이터의 주파수 분할 다중 인코딩들(frequency division multiplexed encodings)을 포함한다. 일부 예에서, 상기 무선 송신들은 송신 데이터의 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 인코딩들을 포함한다.

공지 위치들의 상기 복수의 안테나들에서 목표 디바이스로부터 상기 복수의 무선 송신들을 수신하는 것은 각각의 무선 송신들에 대해 고정 위치의 제1 안테나에서 그리고 제2 이동 안테나에서 상기 무선 송신을 수신하는 단계를 포함한다.

상기 복수의 도착 방향들 각각에 대해 상기 목표 디바이스로부터의 채널 특성화를 결정하기 위해 상기 수신된 무선 송신들을 처리하는 것은 상기 서로 다른 전송 주파수들 각각에서 상기 목표로부터 상기 제1 안테나로 그리고 상기 제2 이동 안테나로의 채널 추정치들을 결합하는 단계를 포함한다.

상기 복수의 도착 방향들 각각에 대해 상기 목표 디바이스로부터의 채널 특성화를 결정하기 위해 상기 수신된 무선 송신들을 처리하는 것은 상기 목표로부터 고정 안테나들의 배열의 각각의 안테나로의 채널 추정치들을 결합하는 단계를 포함한다.

또 다른 측면에서, 일반적으로, 위치 추정 시스템이 상기 방법들 중 임의의 것의 모든 단계들을 수행하도록 구성된다. 일부 예에서, 상기 시스템은 상기 고정 위치에서 상기 제1 고정 안테나, 및 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 복수의 위치들로 이동 가능한 제2 안테나를 포함한다.

또 다른 측면에서, 일반적으로, 비 일시적 기계 판독 가능한 매체상에 구현된 소프트웨어가 위치 추정 시스템의 프로세서가 상기 방법들 중 임의의 것의 모든 단계들을 수행하도록 하기 위한 명령들을 포함한다.

본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 다음 설명으로부터, 그리고 청구 범위로부터 명백하다.

본 발명의 목표 디바이스의 위치의 특성화를 결정하는 데 사용되는 방법, 무선 신호들의 가장 직접적인 도착 방향을 결정하는 방법, 이를 이용한 위치 추정 시스템, 및 소프트웨어로 대상 디바이스의 위치를 추정할 수 있다.

도 1은 이동 안테나를 사용하는 위치 추정 시스템의 도면이다.
도 2는 2차원 구현에서 신호 전파를 설명하는 다이어그램이다.
도 3은 단일 목표 디바이스를 가지는 예를 설명하는 다이어그램이다.
도 4는 도 3에 도시된 예에 대한 도착 방향의 함수로서 전력의 플롯(plot)이다.
도 5는 직접 및 반사 경로가 존재하는 단일 목표 디바이스를 가지는 예를 설명하는 다이어그램이다.
도 6은 도 5에 도시된 예에 대한 도착 방향의 함수로서 전력의 플롯이다.

많은 접근법들이 송신 디바이스들이 위치 추정 수신기에 독립적이고 일반적으로 송신 디바이스들로부터 수신기로의 다중 반사 경로들이 있는 실내 환경에서 무선 주파수 송신 디바이스들의 위치 추정 맥락에서 하기에 기술된다. 송신 디바이스들이 휴대 전화들(예를 들어, 700MHz-2.6GHz 범위의 LTE 송신)이거나 무선 지역 네트워크 디바이스들(예를 들어, 2.4GHz 또는 5GHz에서 IEEE 802.11 표준(“WiFi”) 송신)인 구체적인 실시 예가 기술된다. 송신 디바이스들과 위치 추정 수신기의 독립성을 다루는 접근법들 및 다중경로 효과를 다루는 접근법들이 다양한 어플리케이션들에서 독립적으로 사용될 수 있고 실내 위치 추정 같은 어플리케이션들에서 함께 높은 정확성을 제공하는 것에 유의한다. 참고로, 2.4Ghz와 5.0Ghz에서 무선 신호의 파장은 각각 약 12.5 cm와 6.0 cm이다.

제1 실시 예는 직접적으로 수신된 신호들을 사용하는 이차원 위치 추정에 대해 기술된다. 그런 다음 제2 관련 실시 예가 동일한 접근법들을 사용하여 3차원 위치 추정에 대해 기술된다. 그런 다음 다중경로 효과들을 다루는 추가 실시 예들이 기술된다.

상기 소개된 바와 같이, 종래 합성 개구 레이더(SAR)는 목표가 된 물체를 향해 송신하고 그런 다음 목표가 된 물체로부터 반사되는 무선 신호가 수신된 반사 신호의 처리에서 또한 사용되는 클록 신호(clock signal)에 의해 생성되는 특징을 이용한다. 특히, 송신 신호와 수신 신호의 상대적 위상이 범위 정보(range information)를 제공하는 데 사용될 수 있다. 이러한 의미에서, SAR 안테나로부터의 방사는 목표가 된 물체로부터의 에코의 수신과 동기화되고, 그렇게 함으로써 목표가 된 물체로 신호를 방사했을 때 송신기의 위치와 반사 신호를 수신했을 때 다시 수신기의 위치로의 사이에서 범위 정보를 제공한다. 독립 송신 디바이스들(예를 들어, LTE 또는 WiFi 디바이스들)의 위치 추정 어플리케이션에서, 송신 디바이스들로부터의 방사의 수신기가 공통 클록 또는 발진기를 공유하지 않고, 따라서 신호의 수신이 종래 SAR 기법들에서 유용했던 것과 동일한 방식으로 범위 정보를 제공하지 않는다.

도 1을 참조하면, 위치 추정 시스템(100)의 실시 예는 고정 안테나(112)뿐만 아니라 이동 안테나(111)를 사용한다. 이러한 안테나들은 상기 시스템(100)의 환경에서 하나 이상의 송신 목표 디바이스들(150)에 대응하는 위치 정보를 출력하는, 위치 추정 수신기(110)에 무선 신호를 제공한다. 목표 디바이스들(150)(예를 들어, LTE 또는 WiFi 디바이스들)은 경로들(151-152)로 직접적으로 안테나들(111-112)로 전달되고/되거나 하나 이상의 반사 물체들(160)(예를 들어, 벽들, 빌딩들, 등)에 반사되는 반사 경로들(153-154)로 전달되는 송신을 방사한다. 제1 실시 예에서, 직접 경로들(152-153)만 고려된다. 위치 추정 수신기(110)는 또한 이동 안테나(111)의 위치의 특징이 되는 정보를 수신한다. 이 실시 예에서, 이동 안테나는 원(132)으로 회전하고, 그 위치가 고정 기준 방향 (

)에 관한 안테나의 회전각

(130)에 의해 특징지어진다.

일반적으로, 각각의 목표 디바이스(150)는 예를 들어, 각각의 송신이 송신 프레임 운반 데이터(예를 들어, 음성 데이터를 포함할 수 있음)를 포함하는 일련의 송신들을 만든다. 예를 들어, LTE 어플리케이션에서, 각각의 프레임은 10 밀리세컨드 길이일 수 있고 WiFi 프레임들은 일반적으로 10 밀리세컨드보다 더 짧다. 이 실시 예에서, 이동 안테나(111)는 프레임 길이에 비해 상대적으로 느리게 이동하고 있고, 따라서 분석을 위한 프레임의 지속 기간 동안 고정된 것으로 간주된다. 예를 들어, 회전 안테나(111)는 10센티미터의 회전 반경과 0.5에서 2초(분당 30-120 회전)의 회전 주기를 가질 수 있고, 따라서 프레임 송신 시간 동안 밀리미터의 일부만 이동한다. LTE에서, 추정 절차는 별도 추정이 각각의 서브 프레임(예를 들어, 1 밀리세컨드) 동안 수행되도록 서브 프레임 레벨에서 수행될 수 있고 안테나는 서브 프레임 지속 기간 동안 고정된 것으로 간주된다.

도 2를 참조하면, 목표 디바이스들(150)과 안테나들(111-112)이 한 평면에 있는(또는 적어도 한 평면에 있는 것으로 가정되는) 이차원 실시 예에서, 목표 디바이스(150)로부터의 대표적인 직접 송신이 도시된다. 이 도면에서, 목표 디바이스는 각도

에 있고, 회전 안테나는 각도

에 있다. 첨자

은 이것이 목표로부터의

수신이라는 것을 나타낸다. 하기에 더 논의될 바와 같이, 서로 다른 각도들

에서의 수신 안테나(111)로 일련의 송신들

이 목표 디바이스(150)를 위치 추정하는 것에서 결합된다. 목표 디바이스(150)로부터의 직접 경로가 길이

의 이동 안테나(111)로의 경로(151)와 목표 디바이스(150)로부터 고정 안테나(112)로의

직접 경로(152)를 따른다. 이 도면에서, 이러한 경로 길이들의 차이는

이다. 상수 항

는

에 의해 변하지 않는다. 목표 디바이스가 안테나들로부터 먼 한계에서,

, 그러나 하기와 같이,

의 특정 값은 중요하지 않다. 목표 디바이스로부터의 송신은 복소 지수 함수

로 나타내어지는, 반송파에 의해 변조된 공지의 (복소수 값) 신호

를 포함하는 것으로 가정된다. 예를 들어, 공지 신호는 파일럿 신호 또는 에러 정정 데이터 신호이다. 수신기는 송신하는 송신기로부터

에 의해 위상에서 오프셋(offset)되는 발진기로 안테나들에서의 수신 신호를 복조한다. 첨자

은 목표 디바이스로부터의 송신들 사이에 고정 위상 오프셋을 가정하지 않는 사실을 나타낸다. 예를 들어, 주파수 차이는 하나의 프레임 동안 크게 변화하지 않을 수 있으나 그럼에도 불구하고 송신들 사이에 상당한 위상 드리프트(phase drift)를 나타낼 수 있다. 복조 후 이동 안테나(111)에서 수신 신호는 위상 차이

뿐만 아니라 거리

에 기인한 위상 오프셋을 가지고 고정 안테나(112)에서 복조 신호는 위상 차

뿐만 아니라 거리

에 기인한 위상 오프셋을 가진다. 특히,

,및

. 여기서

이고,

는 신호의 전파 속도이고,

와

은

에 의존하지 않는 복소량들(즉, 상수 감쇠와 위상 오프셋을 나타냄)이다. 수신기는 다음과 같이 이러한 복조된 값들을 사용하여 채널 추정치들을 형성한다.

,및

이러한 두 채널 추정치들,

과

은 알 수 없는 위상 오프셋

에 의해 영향을 받는다는 것에 유의한다. 그러나, 채널 차이들의 비는 거리들

에서 차이들의 차이에 의해서만 영향을 받는다.

이 비는 다음과 같이 나타내어질 수 있다.

여기서

는 복소량이고,

는

와

에 의존하나

또는

에 의존하지 않는다.

대응하는 수신 안테나 각도들

에서

채널 추정치들

의 조합은 그런 다음 SAR 수신기들에서 사용되는 것과 유사한 계산, 즉

를 사용한다. 여기서,

, 그리고

. 목표 디바이스로부터 N 수신들에 대한 합산이 그런 것처럼,

이

에서 최대 크기를 가지는 것이 명백해야만 하는 것에 유의한다. 그러므로 단일 송신 디바이스(150)와 함께, 도착 방향의 추정

이 계산된

의 최댓값을 찾음으로써 수행된다

상기 환경에서 여러 목표 디바이스들(150)이 있을 때, 일부 실시 예에서는, 각각의 수신 프레임의 내용이 송신원(the source of the transmission)을 식별한다. 그러므로 위치 추정 수신기(110)는 각각의 목표 디바이스에 대한 송신들을 수집하고 각각의 목표 디바이스에 대해 독립적으로

계산을 적용하여 별도로 그것들을 기록한다.

일반적으로, 이동 안테나는 예를 들어, 일정한 속도로 회전하여 수신되는 송신들에 독립적으로 움직인다. 위치 추정 수신기(110)는 각각의 수신 프레임에 대응하는 회전각

을 수신한다.

목표 디바이스로부터 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 송신의 경우에, 본질적으로 송신 주파수들(

로 인덱스 됨)의 세트가 목표 디바이스로부터의 각각의 송신된 프레임에 존재하고, 채널 추정치들

의 세트가 수신된 송신으로부터 획득되고, 별도의 방향 전력 추정치들(directional power estimates)

가 각각의 주파수에 대해 획득될 수 있다. 일부 구현에서, 별도의 방향 추정치들은 각각의 주파수로 만들어질 수 있고, 또는 대안적으로 상기 전력 추정치들이 단일의 전체 방향 추정치를 결정하도록 결합될 수 있다.

도 3을 참조하면, 단일 목표 디바이스의 시뮬레이션이 다음 상황에서 도시된다:

포인트에 대해 회전하는 안테나와

, 고정 안테나가 좌표

에 있도록

,

가 되도록 목표 디바이스(150)는 좌표

에 있음, 동작 주파수는 5GHz이고, 그래서

. 이동 안테나(111)의 한 회전 동안 동일한 간격의

관찰들이 도 4에 도시된 바와 같이

를 산출하는 시뮬레이션. 도 3에서 도시된 시뮬레이션 환경과 일치하는 약

에서

가 피크(peak)를 가지는 것에 유의한다.

제2 실시 예는 도 1에 도시된 바와 같이 고정 및 이동 안테나들의 동일한 배열을 사용한다. 그러나 목표 디바이스들(150)은 안테나들과 동일한 평면에 있는 것으로 가정되지 않고, 3차원 위치 추정이 수행된다. 특히, 단지 방위각(azimuth angle)

를 추정하기보다는, 앙각(elevation angle)

또한 추정된다. 이 실시 예에서,

는 이동 안테나의 회전 평면에 직교하는 방향이고,

는 회전 안테나의 평면에 있다. 목표가

방향에 있는 예에서, 2차원 실시 예에 대해 상기 제시된 것과 같은 유사한 분석을 사용하여, 목표 디바이스(150)로부터 이동 및 고정 안테나들로의 직접 송신 거리들에서 차이가 각각

이다.

상기 제1 실시 예에서와같이, 채널 추정치들의 비가 다음과 같이 나타내어질 수 있다.

여기서,

는

,

,및

에 의존하나

또는

에는 의존하지 않는 복소량임.

대응하는 수신 안테나 각도들

에서

채널 추정치들

의 조합은 그런 다음 SAR 수신기들에서 사용되는 것과 유사한 연산을 사용한다, 즉

, 여기서,

.

의 최댓값의 위치는 그런 다음

에 대한 방향 추정치를 제공한다.

상기의 방향 전력 분포

를 계산하는 접근법(종종 “바틀 추정 법칙(Bartlett estimator)”라 지칭됨)은 다른 절차들로 대체될 수 있다. 예를 들어, 공분산 기반(a covariance-based) 및/또는 고유분해(eigen-decomposition) 방법(예를 들어, MUSIC, “MUltiple SIgnal Classifier”, 알고리즘, 또는 ESPRIT, “Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique”알고리즘)이

으로부터

를 추정하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 추가로

를 처리하는 데 사용되는 절차가 그것을 추정하는데 어떤 방법이 사용되는지에 관계없이 수행될 수 있다.

상기 제1 및 제2 실시 예의 설명에서는, 직접 경로들(151-152)만이 고려된다. 제3 실시 예에서는, 다중 경로들이 가정된다. 다시 도 1을 참조하면, 직접 경로(151)와 반사 경로(153) 둘 다 목표 디바이스(150)로부터 이동 안테나(111)로 지나갈 수 있고, 유사하게 직접 경로(152)와 반사 경로(154) 둘 다 고정 안테나(112)로 지나간다. 도 5를 참조하면, 도 3에 도시된 것과 유사한 예가 추가로

에서 반사 면(160)을 가진다. 결과적으로, 목표 디바이스(150)로부터 이동 안테나로의 직접 경로가 경로(151)를 따라 대략

의 방위각을 가지고, 반사 경로(153)를 따라 대략

의 각도를 가진다. 제1 실시 예에서와 같이, 채널 추정치들의 비

가 상기 기술된 것처럼 계산되고,

가 상기 기술된 것처럼 계산된다.

도 6을 참조하면, 이 예에서,

는 시뮬레이션의 구조로부터 예상되는 바와 같이 두 개의 피크를 가진다. 또한, 이 시뮬레이션에서,

에서 직접 경로가

에서 간접 경로에 대응하는 피크보다 더 큰 크기를 가지는 피크에 대응한다. 그러나 일반적으로, 가장 큰 에너지가 직접 경로로부터 온다고 가정하는 것은 신뢰할 수 없다. 예를 들어, 직접 경로는 반사 경로가 그렇지 않은 반면 장애물에 의해 감쇠될 수 있다. 하기에 기술된 접근법은 각각의 경로를 따라 절대 지연의 추정치를 사용하고, 가장 짧은 지연 경로가 직접 경로인 것으로 가정된다.

특정 방향으로부터 도착하는 신호의 절대 지연을 추정하는 접근법은 서로 다른 주파수들에서 송신되는 요소들(components)을 가지는 신호를 사용한다. 이 제3 실시 예에서, 공지 신호들

의 세트가

에 의해 인덱스 된 주파수들의 세트에서 송신된다. 상기 소개된 바와 같이, 일 예에서, 예를 들어, 정수 인덱스들,

에 대해 파수

로 신호

가 송신되도록 OFDM 신호가 이러한 방식으로 송신된다.

서로 다른 방향들로부터 도착하는 경로들 사이의 상대적 지연을 결정하기 위해, 이 제3 실시 예에서, 각각의 도착 방향에 대한 (복소수)응답을 결정하는 데 SAR 접근법이 사용된다. 예를 들어, 도 5와 도 6에 도시된 예에서, 복소수 응답이 방위각

와

에 위치한 피크들에서 계산된다. 도 5에서, 목표 디바이스(150)에서 고정 안테나가

이고, 목표 디바이스(150)로부터 원(132)의 중심까지 직접 거리가

이고 디바이스(150)로부터 원의 중심까지 반사 경로를 따라 거리가

이다. 파수들의 벡터

가 이상적인 직접 채널들의 벡터

를 산출하고, 여기서

은 거리

에 의해 설명되지 않는 직접 채널의 부분이다. 유사하게,

와 고정 안테나로의 이상적인 직접 채널이

이다. 따라서, 모든

주파수들에 대해

수신들로부터 계산된 양

이 대략

이다.

의 요소들(elements)의 위상이 (그러나 반드시 크기는 아님) 동일하고,

의 요소들의 위상이 동일하다는 (그러나 반드시

에 대해 동일하지 않음) 가정하에,

의 위상은

를 만족한다. 따라서,

,이 위상 벡터

의 요소들은 (위상이 위상 요소들의 연속성을 제공하기 위해 “풀어질(unwrapped)” 필요가 있을 수 있다는 것을 인식하면서) 비례

에 따라 변한다. 유사하게, 이 위상 벡터

의 요소들은 기울기

에 따라 변한다. 따라서, 이 예의 경우와 같이,

라면,

에 대한 기울기가

에서 경로에 대한 기울기보다 크고, 따라서 수신기는

에서

피크가 직접 경로(또는 더 일반적으로, 아마도 반사 경로들 중 가장 직접적인 것)에 대응한다고 결정한다.

상기 제3 실시 예의 설명에서, 특정 방향에서 복소수 응답이 SAR 기법을 사용하여 계산된다. 그러나 동일한 신호를 동시에 수신하는 안테나들의 고정 배열로부터 방향 응답들(directional responses)을 결정하는 것을 포함하여, 대안적 접근법들이 여행 경로 길이(예를 들어, 직접 대 간접 경로 길이들)에 따라 차이를 허용하는 응답들을 결정하는 데 사용될 수 있다는 이해되어야 한다.

일부 예에서, 2차원(단일 방향 각도

)만이 사용된다는 것에 주목한다. 동일한 접근법이

에서 피크들이 먼저 식별되고, 그런 다음 가장 짧은 거리가 주파수들에 대한 위상 변화에서 가장 큰 기울기를 결정함으로써 결정되는 3차원 경우에 적용 가능하다. 또한, 주파수 요소들(components)이 주파수에서 균일하게 떨어져 있을 필요가 없고, 기울기 결정이 주파수와 함께 위상 변화의 기울기를 추정하는 데 이러한 불균일 간격을 고려할 수 있다.

따라서, 다시 도 1을 참조하면,

에서 피크들을 식별하고, 목표 디바이스(150)로의 직접 (또는 적어도 가장 짧은) 경로에 대응하는 이러한 피크들 중 어떤 것을 해결하면, 위치 추정 수신기(110)가 그 보고된 디바이스 위치들(140) 중 일부로서 목표에 대한 방향

를 출력으로 제공한다. 상기 소개된 바와 같이, 수신된 신호들이 (예를 들어, 수신된 프레임들에 인코딩되어 식별된 디바이스에 의해) 목표 디바이스를 식별하기 때문에, 위치 추정 수신기는 별도로 목표들(150)에 대한 방향을 계산하고, 보고된 디바이스 위치들(140)이 디바이스 식별자들과 관련하여 방향들을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 그래픽 디스플레이는 하나 이상의 위치 추정 수신기들(110)에 의해 모니터링 되는 영역에서 목표 디바이스들의 위치들을 나타낸다.

대안적 실시 예에서, 두 개의(또는 더 많은) 서로 다른 위치들에서 이동 안테나들과 각각의 이동 안테나에 대해 대응하는 고정 안테나, 또는 단일 고정 안테나가 각각의 목표에 대한 여러 서로 다른 방향들을 결정하는 데 사용되고, 삼각 측량 방법이 방향 추정치들을 결합하는데 사용된다. 또 다른 예에서, SAR 접근법이 직접적으로 분포

(여기서,

은 목표 디바이스의 범위임)을 결정하는 데 사용된다. 다른 실시 예에서, 이동 안테나의 이동의 반복하지 않는(예를 들어 불규칙) 패턴들의 다른 반복들이 사용될 수 있을 때 이동 안테나 또는 안테나들이 원형 경로들을 따를 필요는 없다. 예를 들어, 안테나는 선형 경로를 따를 수 있거나, (예를 들어, 그것이 부착되는 운송 수단의 경로를 따라) 불규칙 경로를 따를 수 있다. 또, 움직이는 안테나들 중 하나(또는 세트)를 사용하기보다, 서로 다른 고정 위치들에서 안테나들의 서로 다른 서브세트들의 연속적인 선택(예를 들어, 연속적인 단일의 선택)이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 이동 안테나의 기계적 요구사항들이 (예를 들어, 송신 주파수에서 또는 중간 또는 기저대역 주파수에서) 수신된 신호들을 전환(switch)하기 위한 전자적 요구사항들로 본질적으로 대체된다.

상기 기술된 접근법들의 구현은 하드웨어(예를 들어, 응용 주문형 집적 회로, ASICs), 또는 소프트웨어(예를 들어, 범용 프로세서, 전용 컨트롤러, 또는 GNU 라디오와 Ettus Research USRP N210 같은 소프트웨어 정의 라디오의 프로세서)에서 사용할 수 있거나, 소프트웨어와 하드웨어의 조합을 사용할 수 있다. 상기 소프트웨어는 비 일시적 기계 판독가능 매체(예를 들어, 반도체 메모리)에 저장된 명령들을 포함한다. 상기 하드웨어, 프로세서, 및/또는 명령 저장소는 위치 추정 수신기(110) 내에 포함될 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 기술된 바와 같이 안테나를 물리적으로 움직이는데 필요한 액추에이터(actuator)(예를 들어, 모터)와 기계적 링키지(linkage)를 포함할 수 있다. 이동 안테나의 위치(예를 들어, 각도)가 위치 표시 측정값들을 위치 추정 수신기에 제공하는 센서(예를 들어, 로터리 인코더(rotary encoder))를 사용하여 결정될 수 있거나, 안테나의 위치(예를 들어, 각도)가 액추에이터에 제공되는 명령들에 따라 추측될 수 있다.

상기 설명은 설명하기 위한 것이며, 첨부된 특허 청구 범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다른 실시 예들이 다음 청구 범위 내에 있다.

Claims

목표 디바이스로부터의 복수의 무선 송신들을 수신하는 단계 - 상기 복수의 무선 송신들 중 각각의 무선 송신은 고정 위치의 제1 안테나에서 수신되고, 상기 복수의 송신들이 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 대응하는 복수의 위치들에서 수신되도록 상기 제1 안테나의 상기 고정 위치 외에 위치의 안테나에서 수신됨-;
상기 복수의 무선 송신의 각각의 무선 송신에 대해, 상기 목표 디바이스로부터 상기 제1 안테나로의 무선 채널에 대해 제1채널 특성을 결정하고, 상기 목표 디바이스로부터 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 위치의 상기 안테나로의 무선 채널에 대해 제2채널 특성을 결정하는 단계;
상기 무선 송신들 각각과 관련된 상대적인 채널 특성을 결정하기 위해 상기 복수의 무선 송신들에 대해 상기 제1채널 특성들과 상기 제2채널 특성들을 결합하는 단계; 및
상기 목표 디바이스의 위치의 방향 특성화(directional characterization)를 결정하기 위해 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 대응하는 위치들과 상기 상대적인 무선 특성들을 결합하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 위치에서 상기 무선 송신을 수신하는 것은 제2 이동 안테나에서 상기 송신을 수신하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 복수의 위치들이 상기 제2 안테나의 복수의 위치들을 포함하는 방법.
제2항에 있어서,
상기 제2 안테나가 공간 경로를 따라 움직이도록 하는 단계- 상기 제2 안테나의 복수의 위치들이 상기 공간 경로 상에 해당함-를 더 포함하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 공간 경로는 반복되는 경로를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 위치에서 상기 무선 송신을 수신하는 것은 안테나들의 세트로부터 제2 안테나를 선택하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 복수의 위치들은 상기 선택된 제2 안테나들의 위치들을 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
각각의 무선 송신은 서로 다른 송신 주파수들에서 복수의 요소들(components)을 포함하고, 여기서 상기 제1채널 특성, 상기 제2채널 특성, 및 상기 상대적인 채널 특성 각각은 상기 서로 다른 송신 주파수들에 대응하는 채널 특성들을 포함하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 무선 송신들은 송신 데이터의 주파수 분할 다중 인코딩들(frequency division multiplexed encodings)을 포함하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 무선 송신들은 송신 데이터의 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 인코딩들을 포함하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 제2 안테나의 위치들에서 복수의 무선 송신들의 복수의 도착 방향들을 식별하는 단계-도착 방향들 중 적어도 하나가 상기 목표 디바이스로부터 상기 제2 안테나의 위치들로의 반사 경로에 대응함-를 더 포함하는 방법.
제9항에 있어서,
상기 복수의 도착 방향들로부터 가장 직접적인 도착 방향을 식별하는 단계를 더 포함하는 방법.
제9항에 있어서,
가장 직접적인 도착 방향을 식별하는 단계는 상기 복수의 도착 방향들 각각에 대응하는 채널 특성을 결정하기 위해 상기 제2 안테나의 대응하는 위치들과 상기 상대적인 무선 특성들을 결합하는 단계-상기 채널 특성은 상기 서로 다른 송신 주파수들의 차이에 걸친 위상 특성 변화를 나타냄-를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 복수의 도착 방향들로부터 가장 직접적인 도착 방향을 식별하기 위해 상기 제2 안테나의 대응하는 위치들과 상기 상대적인 무선 특성들을 결합하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1채널 특성과 상기 제2채널 특성 각각은 위상 특성을 포함하고, 상기 상대적인 채널 특성은 상대적인 위상 특성을 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 위치의 방향 특성화를 결정하는 것은 도착 방향의 함수로서 전력 분포를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 방향 특성화를 결정하는 것은 상기 전력 분포의 피크 전력의 적어도 하나의 방향들의 세트를 식별하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 목표 디바이스는 광역 셀룰러 통신(cellular communication) 디바이스와 무선 지역 네트워크 디바이스 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
복수의 안테나;
상기 복수의 안테나들에서 획득되는 무선 신호들을 수신하기 위해 상기 복수의 안테나들에 결합된 수신기;
목표 무선 디바이스로부터의 복수의 무선 송신들을 처리하도록 구성된 상기 수신기에 결합된 신호 프로세서로서, 상기 처리는
목표 디바이스로부터 복수의 무선 송신들을 수신하는 것 -상기 복수의 무선 송신들의 각각의 무선 송신은 고정 위치의 제1 안테나에서 수신되고, 상기 복수의 송신들이 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 대응하는 복수의 위치들에서 수신되도록 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 위치의 안테나에서 수신됨-,
상기 복수의 무선 송신의 각각의 무선 송신에 대해, 상기 목표 디바이스로부터 상기 제1 안테나로의 무선 채널에 대해 제1채널 특성을 결정하고, 상기 목표 디바이스로부터 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 위치의 상기 안테나로의 무선 채널에 대해 제2 채널 특성을 결정하는 것,
상기 무선 송신들 각각과 관련된 상대적인 채널 특성을 결정하기 위해 상기 복수의 무선 송신들에 대해 상기 제1채널 특성들과 상기 제2채널 특성들을 결합하는 것, 및
상기 목표 디바이스의 위치의 방향 특성화(directional characterization)를 결정하기 위해 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 대응하는 위치들과 상기 상대적인 무선 특성들을 결합하는 것을 포함하는, 상기 신호 프로세서를 포함하는 위치 추정 시스템.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 모든 단계들을 수행하도록 구성된 위치 추정 시스템.
제18항에 있어서,
상기 고정 위치에서 상기 제1 고정 안테나, 및 상기 제1 안테나의 고정 위치 외에 상기 복수의 위치들로 이동 가능한 제2 안테나를 더 포함하는 위치 추정 시스템.
위치 추정 시스템의 프로세서가 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 모든 단계들을 수행하도록 하기 위한 명령들을 포함하는 비 일시적 기계 판독 가능한 매체상에 구현된 소프트웨어.