KR20200055296A - 신호 수신 시각 차이 결정 장치 및 방법 - Google Patents

신호 수신 시각 차이 결정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

신호 수신 시각 차이 결정 장치가 제공된다. 장치는, 타겟 단말로부터 제 1 간격으로 송신되는 주기 신호들을 각각 수신하는 제 1 수신부 및 제 2 수신부, 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭을 발생시키는 발진부, 발진부에서 발생된 클럭에 따라 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 변환부, 그리고 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 제 1 수신부와 제 2 수신부의 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이를 결정하는 연산부를 포함한다.

Description

신호 수신 시각 차이 결정 장치 및 방법{AN APPARATUS FOR DETERMINING TIME DIFFERENCE OF ARRIVAL AND METHOD THEREOF}
본 발명은 신호 수신 시각 차이 결정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 복수의 위치에서의 신호 수신 시각 차이를 기반으로 타겟 단말의 위치를 결정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 타겟 단말의 위치 추적 기술로는 송수신 사이의 시간 정보를 이용한 시간 기반의 TOA (Time of arrival) 방법과 수신 신호 사이의 시간 차 정보를 이용한 시간 기반의 TDOA (time difference of arrival) 방법, 수신 신호의 각을 이용하는 AOA (angle of arrival), 수신 신호의 감도를 이용하는 RSS (received signal strength), footprint 기법 등 다양한 방법이 사용되고 있다.
최근들어 BAN (Body area network) 에서는 UWB 시스템에서의 임펄스 기반의 무선 측위 기술 (시간 기반), 광대역 chirp 신호를 이용한 무선측위 기술 (시간 기반) 그리고 마그네트의 자기장의 세기를 이용한 RSS 기반의 측위 기술 등 다양한 방법들의 적용이 연구되고 있으며 위치의 오류를 줄이기 위해서 앞서 설명한 다양한 기술들이 결합되어 개발되고 있다.
여기서, 시간 기반의 측위 기법은 동기 유무에 따라 요구되는 정보가 다르며 특히, 동기식의 경우, 정확한 측위를 위해서는 타겟 및 다수의 노드 (수신단) 사이의 정확한 동기가 필요하기 때문에 시스템의 구조가 복잡하다.
시간 기반 측위 기법에서 가장 중요한 소요 중 하나는 수신 신호의 최초 도착 시각에 대한 정보이다. 이를 보다 정확하게 측정하기 위해 일반적으로 아날로그-디지털 변환 (ADC) 의 표본화율을 높이게 된다. 예를 들어 1 GHz 표본화를 하면 이론적으로, 30 cm 의 거리 오차가 존재하며 이를 줄이기 위해서는 더 높은 표본화가 필요하게 되어 결국 구현상의 어려움이 따르게 되고 구현을 위한 비용 역시 증가하게 되는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제 10-1427846 호 ("수신기 간섭을 피하기 위한 아날로그-디지털 컨버터 샘플링 레이트의 동적 스케일링을 위한 방법 및 장치", 퀄컴 인코포레이티드)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 수신 신호에 대한 아날로그 디지털 변환의 표본화율의 기초가 되는 발진기 (Oscilliator) 의 클럭 오프셋 (clock offset) 을 기반으로 실제 발진기에서 더 높은 클럭을 사용하지 않으면서도 결과적으로 향상된 표본화율을 달성함으로써 보다 더 정확하게 복수 지점 간의 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 보다 정확한 신호 수신 시각 차이를 기반으로 타겟 단말에 대한 향상된 정확도의 위치 결정을 수행할 수 있는 타겟 단말의 위치 결정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 장치는, 타겟 단말로부터 제 1 간격으로 송신되는 주기 신호들을 각각 수신하는 제 1 수신부 및 제 2 수신부; 상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭을 발생시키는 발진부; 상기 발진부에서 발생된 클럭에 따라 상기 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 변환부; 및 상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이를 결정하는 연산부를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 변환부는, 복수의 주기에 걸친 샘플링을 합산할 때 상기 클럭 오프셋을 기반으로 상기 제 1 간격보다 조밀하게 샘플링을 수행하게 되어 상기 제 1 간격에 따른 샘플링 레이트보다 높은 실질적인 샘플링 레이트를 가질 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 클럭 오프셋은 상기 발진부의 오차 마진에 따른 것이고, 상기 변환부는 상기 클럭 오프셋에 대한 동기화 보정없이 상기 샘플링을 수행하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 변환부는, 상기 제 1 수신부에서 수신된 신호들을 샘플링하는 제 1 변환부 및 상기 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 샘플링하는 제 2 변환부를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 연산부는, 상기 제 1 수신부로부터 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트 (Zero Crossing Point) 인 제 1 시점과, 상기 제 2 수신부에서 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트인 제 2 시점의 시간 차이를 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 연산부는, 상기 제 1 수신부의 상기 제 1 시점까지의 클럭 카운팅 수와 상기 제 2 수신부의 상기 제 2 시점까지의 클럭 카운팅 수의 차이를 더 이용하여 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 연산부는, 상기 제 1 수신부 및 상기 제 2 수신부 중 적어도 하나에서 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트에서 다음 제로 크로싱 포인트까지의 클럭 카운팅 수를 기반으로 상기 연산부의 실질적인 샘플링 레이트를 결정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 발진부는, 크리스탈 오실레이터 (Crystal oscillator) 일 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 위치 결정 장치는, 타겟 단말로부터 제 1 간격으로 송신되는 주기 신호들을 각각 수신하는 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부; 상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭을 발생시키는 발진부; 상기 발진부에서 발생된 클럭에 따라 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 변환부; 및 상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 1 시간차를 결정하고, 상기 제 1 수신부와 제 3 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 2 시간차를 결정하고, 상기 제 1 시간차, 상기 제 2 시간차 및 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부의 위치를 기반으로 상기 타겟 단말의 위치를 결정하는 연산부를 포함할 수 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 방법은, 타겟 단말로부터 제 1 주기로 송신되는 주기 신호들을 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 각각 수신하는 단계; 상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭들을 기반으로, 상기 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 단계; 상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 디지털화하는 단계는, 복수의 주기에 걸친 샘플링을 합산할 때 상기 클럭 오프셋을 기반으로 상기 제 1 간격보다 조밀하게 샘플링을 수행하게 되어 상기 제 1 간격에 따른 샘플링 레이트보다 높은 실질적인 샘플링 레이트로 상기 수신된 신호들을 샘플링할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 클럭 오프셋은, 상기 클럭들을 발생시키는 발진부의 오차 마진에 따른 것이고, 상기 디지털화하는 단계는, 상기 클럭 오프셋에 대한 동기화 보정없이 상기 샘플링을 수행하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 디지털화하는 단계는, 제 1 변환부에 의해 상기 제 1 수신부에서 수신된 신호들을 샘플링하고, 제 2 변환부에 의해 상기 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 샘플링하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 결정하는 단계는, 상기 제 1 수신부로부터 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트 (Zero Crossing Point) 인 제 1 시점과, 상기 제 2 수신부에서 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트인 제 2 시점의 시간 차이를 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 결정하는 단계는, 기 제 1 수신부의 상기 제 1 시점까지의 클럭 카운팅 수와 상기 제 2 수신부의 상기 제 2 시점까지의 클럭 카운팅 수의 차이를 더 이용하여 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 결정하는 단계는, 상기 제 1 수신부 및 상기 제 2 수신부 중 적어도 하나에서 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트에서 다음 제로 크로싱 포인트까지의 클럭 카운팅 수를 기반으로 상기 신호들에 대한 실질적인 샘플링 레이트를 연산할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 발진부는, 크리스탈 오실레이터 (Crystal oscillator) 일 수 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 방법은, 타겟 단말로부터 제 1 주기로 송신되는 주기 신호들을 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 각각 수신하는 단계; 상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭들을 기반으로, 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 단계; 상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 1 시간차를 결정하는 단계; 상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 3 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 2 시간차를 결정하는 단계; 및 상기 제 1 시간차, 상기 제 2 시간차 및 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부의 위치를 기반으로 상기 타겟 단말의 위치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는, 프로세서 실행 가능한 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로서, 상기 명령어들은 상기 프로세서에 의해 실행되었을 때 상기 프로세서로 하여금, 타겟 단말로부터 제 1 주기로 송신되는 주기 신호들을 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 각각 수신하고, 상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭들을 기반으로, 상기 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하고, 상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이를 결정하게 하도록 구성될 수 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는, 프로세서 실행 가능한 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로서, 상기 명령어들은 상기 프로세서에 의해 실행되었을 때 상기 프로세서로 하여금, 타겟 단말로부터 제 1 주기로 송신되는 주기 신호들을 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 각각 수신하고, 상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭들을 기반으로, 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하고, 상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 1 시간차를 결정하고, 상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 3 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 2 시간차를 결정하고, 상기 제 1 시간차, 상기 제 2 시간차 및 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부의 위치를 기반으로 상기 타겟 단말의 위치를 결정하게 하도록 구성될 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 장치 및 방법에 따르면, 수신 신호에 대한 아날로그 디지털 변환의 표본화율의 기초가 되는 발진기 (Oscilliator) 의 클럭 오프셋을 기반으로 실제 더 높은 클럭을 사용하지 않으면서도 결과적으로 향상된 표본화율을 달성함으로써 보다 더 정확하게 복수 지점 간의 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있다.
즉, 상대적으로 저렴한 저속의 클럭 주기를 가지는 오실레이터를 사용하면서도, 클럭마다 발생하는 클럭 오프셋을 기반으로 결과적으로 더욱 세밀한 주기로 아날로그 신호의 디지털 샘플링을 수행하도록 함으로써, 타겟 단말에서 송신한 신호에 대한 복수의 수신부에서의 신호 수신 시각의 차이를 고속의 클럭 주기를 가지는 오실레이터를 사용하는 경우와 같이 더욱 정밀하게 결정할 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 장치 및 방법에 따르면, 보다 정확하게 결정된 복수 지점에서의 신호 수신 시각 차이를 기반으로 타겟 단말에 대한 향상된 정확도의 위치 결정을 수행할 수 있다.
도 1 은 상이한 클럭 오프셋으로 인한 상이한 카운팅 결과에 대한 예시이다.
도 2 는 단방향 전송 방식의 측위 운용 방안의 예시도이다.
도 3 은 도 2 의 신호 수신 시각 차이를 이용한 측위의 예시도이다.
도 4 는 클럭 오프셋에 따른 샘플링 지점 변화를 나타낸다.
도 5 는 클럭 오프셋을 기반으로하는 ADC 의 표본화율 증가 효과를 나타낸다.
도 6 은 주기 신호의 도달 시각 차이를 나타낸다.
도 7 은 제로 크로싱 포인트 (Zero Crossing Point) 를 기반으로 하는 신호 수신 시각 차이 결정의 예시도이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10 은 도 9 의 타겟 단말의 위치 결정 장치의 구현 예를 나타낸다.
도 11 은 인체 영역에서의 근거리 정밀 위치 결정 시스템에 대한 구현 예를 나타낸다.
도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 방법의 흐름도이다.
도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 방법의 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
신호 수신 시각 차이 기반의 위치 결정
시간 기반의 위치 결정 방법 중, 신호 수신 시각 차이 (Time Difference of Arrival, TDOA) 를 기반으로 하는 위치 결정 방법은 타겟 단말 (이하, '타겟'이라고도 함) 이 공중으로 발산하는 기준 신호가 복수의 수신부 (이하, '비콘' 또는 '노드'라고도 함) 들에 각각 도달하는 시각의 차이를 기반으로 타겟 단말의 위치를 결정할 수 있다. 도 2 는 단방향 전송 방식의 측위 운용 방안의 예시도이고, 도 3 은 도 2 의 신호 수신 시각 차이를 이용한 측위의 예시도이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 다수의 측위용 노드들 (10, 20, 30) 이 타겟 (40) 과의 사이에서 LOS (line-of-sight) 가 보장되는 위치에 고정되어 있는 상황에서, 타겟 (40) 은 연속해서 주기 신호를 전송할 수 있다. 측위용 노드들 (10, 20, 30) 은 이를 수신하고 최초 도착 시각 정보를 계산 한 후 노드들 사이의 시각차 정보를 계산하여 신호의 수신 시각 차이 (TDOA) 정보를 얻을 수 있다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 각각의 노드들 중 노드 A (10) 과 노드 B (20) 에 도달한 신호의 수신 시각 차이는 ABTDOA 로서 표현될 수 있고, 노드 B (20) 와 노드 C (30) 에 도달한 신호의 수신 시각 차이는 BCTDOA 로서 표현될 수 있으며, 노드 A (10) 와 노드 C (30) 에 도달한 신호의 수신 시각 차이는 ACTDOA 로서 표현될 수 있다. 각각의 TDOA 는 수신 시각 차이로서 시간의 값을 가질 수 있다.
TDOA 정보를 이용한 측위 기법은 단순히 수신 신호의 시간차를 이용하기 때문에 무선 측위에 있어 가장 많이 적용되는 기술 중에 하나이다. 이러한 TDOA 정보는 동기식 시스템에서 두 번의 단방향 전송을 통해 얻을 수 있으며 양방향 전송을 통해서 얻은 TOA 정보로도 TDOA 정보를 얻을 수 있다. 측위를 하기 위해서는 적어도 세 개의 측위용 노드로부터 두 개 이상의 TDOA 정보들이 필요하고 두 개의 쌍곡선의 교차 지점을 타겟 (40) 의 위치로 판단하게 된다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 노드 A (10) 와 노드 B (20) 의 신호 수신 시각 차이인 ABTDOA 를 기반으로, 노드 A (10) 와 노드 B (20) 사이에 상기 ABTDOA 를 만족하는 지점들의 쌍곡선을 도시하고, 노드 A (10) 와 노드 C (30) 의 신호 수신 시각 차이인 ACTDOA 를 기반으로, 노드 A (10) 와 노드 C (30) 사이에서 상기 ACTDOA 를 만족하는 지점들의 쌍곡선을 도시하여, 양 쌍곡선들의 교점을 타겟 단말 (40) 의 위치로서 결정할 수 있다.
상기와 같은 신호 수신 시각 차이를 기반으로 하는 위치 결정에서 측정 위치의 정확도를 향상시키기 위해서는, 신호 수신 시각 차이를 정확히 결정하는 것이 필요하고, 이를 위해서는 종국적으로 최초 신호 수신 시각을 정확하게 결정하는 것이 중요하다. 관련하여, 타겟 단말에서 송출한 무선의 신호는 아날로그의 형태로 각각의 노드에서 수신되며, 수신된 아날로그는 미리 결정된 소정의 간격으로 샘플링되어 디지털화하되므로, 디지털화하기 위한 표본화율, 즉 샘플링 레이트가 신호 수신 시각의 정확도에 직접적인 영향을 끼치게 된다. 샘플링 간격이 넓을 경우, 제 1 샘플링 지점과 제 2 샘플링 지점의 중간 시점에 신호가 도달할 경우에도, 제 2 샘플링 지점에 신호가 도달한 것으로 인식되어 신호 수신 시각의 오차가 발생하게 되고, 이는 결국 위치 측정의 오차로 귀결된다.
따라서, 표본화율을 높이는 것이 정확한 위치 결정을 위해 중요하지만, 샘플링 레이트를 높이기 위해서 복잡도는 물론 구현 비용 역시도 크게 상승되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 근거리 내에서의 정밀 위치 측정을 위한 샘플링 레이트는 구현 자체가 어려운 문제점도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 장치 및 방법과, 타겟 단말의 위치 결정 장치 및 방법은 전술한 문제점 (높은 표본화율, 복잡도 상승) 들을 해결하기 위한 것으로서, 시간 기반의 고정밀 위치 추적을 함에 있어 최초 도착 시각 정보를 추정하기 위한 방안으로 오실레이터의 클럭 오프셋 정보 (이하, '클럭 드리프트'라고도 지칭될 수 있음) 를 이용한 서브 샘플링 (sub-sampling) 기법을 사용할 수 있다. 이러한 서브 샘플링 기법은 저속의 오실레이터를 사용하면서도 고속의 표본화된 데이터를 얻을 수 있게 되며 예를 들어 THz 의 아날로그-디지털 변환 (ADC) 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 장치 및 방법과, 타겟 단말의 위치 결정 장치 및 방법은 구현상 가장 간단한 시간 기반의 TDOA 방법을 이용할 수 있기 때문에 타켓의 처리 구조는 매우 간단하며 다수의 노드 (수신부) 또한 수신 신호 사이의 시간 차 정보만이 필요하므로 처리 구조가 매우 간단하다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, GHz 이상의 표본화가 필요한 문제와 관련하여 클럭 오프셋 정보를 활용한 서브 샘플링 (sub-sampling) 기법을 이용하여 해결할 수 있으며, 복수의 노드 (수신부) 에서의 동기화 문제와 관련하여, 다수의 노드들이 단일의 클럭에 맞추어 동작되는 구조를 채용함으로써 해결할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 일 측면에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 및 타겟 단말 위치 결정은 근거리 위치 측정에 유리할 수 있다.
발진기의 클럭 오프셋의 영향
도 1 은 상이한 클럭 오프셋으로 인한 상이한 카운팅 결과에 대한 예시이다. 여기서, 클럭 오프셋은, 클럭을 발생시키는 오실레이터가 예를 들어 온도나 압력 등의 변화에 의해 미세하게 영향을 받음으로써 클럭의 발생 속도가 예정된 속도보다 빨라지거나 느려지는 현상을 의미할 수 있으며, '클럭 드리프트 (Clock Drift)'라고도 지칭될 수 있다.
즉, 소정 주기를 가지는 클럭을 발생시키는 같은 주파수의 발진기 (예를 들어, 크리스털 오실레이터) 라고 해도 공정 과정에서 약간의 오차 마진이 발생할 수 있다. 그 중의 하나가 클럭 오프셋이며 시간 및 온도에 따라 천천히 변하게 된다. 상용 오실레이터의 클럭 오프셋 정보를 참조하면 단위는 ppm (part per million) 로써, 100만 주기를 거치는 동안의 클럭의 변동량으로 표현될 수 있다. 이러한 오실레이터의 클럭 오프셋은, 시간 정보를 이용한 거리 인지 및 무선 측위 기법에서 오실레이터의 클럭을 기반으로 아날로그-디지털 샘플링을 수행하도록 할 때 상당히 큰 측정 오차를 야기할 수 있다. 도 1 은, 동일 클럭으로 동작되는 서로 다른 시스템에서 -α 내지 + α 사이의 클럭 표류 마진이 존재할 때 주어진 시간 동안의 카운팅 정보를 나타낸 것이다. 클럭 표류로 인해 같은 시간 동안 서로 다르게 카운팅되고 있음을 알 수 있다.
이러한 영향은 저 비용을 요구하는 WPAN (Wireless Persnal Area Network) 에서 저가의 크리스털 오실레이터를 사용할 경우 클럭 표류의 마진이 더욱 커지게 되며 이는 카운팅 오차에 영향을 준게 된다. 특히 측정 시간이 길 경우, 카운팅에 대한 차이는 더욱 커질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 측정 및 타겟 단말의 위치 결정은 상기와 같은 클럭 오프셋을 이용하여, 오히려 보다 조밀한 아날로그-디지털 변환의 샘플링 레이트를 확보할 수 있는 서브 샘플링 기법을 이용할 수 있다.
신호 수신 시각 차이 결정
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 장치 (800) 는 타겟 단말 (예를 들어, 도 2 내지 3 의 도면 부호 40, 도 10 의 도면 부호 1010 참조) 로부터 송출된 신호를 각각 수신하는 제 1 수신부 (810) 및 제 2 수신부 (820) 를 포함하여, 제 1 수신부 (810) 와 제 2 수신부 (820) 에서의 신호 수신 시각 차이를 결정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 방법에 따르면, 타겟 단말은 기준이 되는 신호를 소정의 제 1 간격으로 주기를 가지도록 반복적으로 송신할 수 있고, 복수의 수신부, 예를 들어 제 1 수신부 (810) 및 제 2 수신부 (820) 는 타겟 단말로부터의 주기 신호를 수신하여 수신 시각 차이를 결정하도록 할 수 있다. 여기서, 제 1 수신부 (810) 및 제 2 수신부 (820) 에서 수신된 신호는, 제 1 간격을 가지는 클럭을 발생시키는 발진부 (840) 로부터의 클럭을 기반으로하여 변환부 (830) 에서 아날로그 디지털 변환 (ADC) 을 통해 샘플링되어 디지털화될 수 있다. 복수의 수신부들 각각에서 수신된 신호는 동일한 발진부 (840) 로부터의 클럭을 기반으로 ADC 가 수행될 수 있다. 변환부 (830) 는 제 1 간격을 가지는 클럭을 기반으로 하지만, 클럭 오프셋을 이용한 서브 샘플링 기법을 활용함으로써 실질적으로는 제 1 간격보다 조밀하게 샘플링을 수행하게 되어 제 1 간격에 따른 샘플링 레이트보다 더 높은 실질적인 샘플링 레이트를 가지게 되어, 보다 정확하게 제 1 수신부 (810) 및 제 2 수신부 (820) 에서의 신호 수신 시각 및 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 본 발명의 일 측면에 따른 측위의 처리 방법에 있어서, 타겟은 주기적인 신호를 전송하고 복수의 수신부 (예를 들어, 수신 안테나) 를 통해 수신된 신호들은 서로 다른 ADC 에 의해 디지털화될 수 있으며, 여기서 복수의 ADC 에는 같은 오실레이터가 적용되어 동일한 클럭 오프셋이 적용될 수 있다.
여기서, ADC 에 적용된 표본화율은 타겟에서 적용된 주기에 해당할 수 있으며, 매 주기 마다 해당 클럭 오프셋 (α ppm) 만큼 이동하면서 신호를 디지털화할 수 있다. 따라서, 표본화율에 오프셋 만큼에 해상하는 해상도를 가지는 신호가 디지털화될 수 있다.
예를 들어, ADC 에 적용된 클럭이 10 MHz 이고 이때의 클럭 오프셋이 100 ppm 이라고 가정할 경우, 10 MHz + 1 KHz 의 클럭이 발생되며 분해능으로 환산하면 100 GHz로 샘플링한 결과를 얻게 된다. 여기서 100 GHz 에 대한 거리 측정 오차는 약 0.3cm 가 된다.
여기서, 타겟과 노드 사이에 서로 다른 클럭 오프셋이 존재한다고 가정할 경우, 그리고 각각의 클럭 오프셋이 최대 100 ppm 이라고 가정할 경우, 둘 사이의 최대 클럭 옵세은 200 ppm 이 된다. 위의 예에서 클럭 오프셋이 200 ppm 이라고 설정하고 거리에 대한 오차를 계산하면 약 0.6 cm가 되기 때문에 근처리 측위에 적합하다.
이하, 서브 샘플링 기법을 보다 구체적으로 설명한다. 도 4 는 클럭 오프셋에 따른 샘플링 지점 변화를 나타낸다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 송신부에서 송신한 주기 신호가 수신부에서 주기적으로 수신된다고 가정할 때, 송신부에서의 신호 송신 주기인 제 1 간격과 동일한 제 1 간격을 가지는 클럭을 발생시키고, 클럭마다 α의 클럭 오프셋을 가지는 발진기로부터의 클럭을 기반으로 수신부에서 수신된 신호를 아날로그-디지털 변환을 통해 샘플링하면, 수신된 신호에서 매 주기마다 α만큼씩 이동하여 샘플링을 수행하게 된다. 즉, 신호의 첫 번째 주기에서 최초 지점을 샘플링하게 된다면, 두 번째 주기에서 α만큼 오른쪽으로 이동하여 샘플링을 수행하고, 세 번째 주기에서는 2α만큼 오른쪽으로 이동하여 샘플링을 수행하게 된다.
도 5 는 클럭 오프셋을 기반으로하는 ADC 의 표본화율 증가 효과를 나타낸다. 도 5 에 도시된 바와 같이, α가 주기적 신호의 상승 부분 길이의 10 분의 1 일 경우, 예를 들어 1 GHz 의 주파수를 가지는 클럭을 발생시키는 발진기가 클럭당 α 의 클럭 오프셋을 가지면, 첫 번째 주기에서는 수신 신호의 0 에 해당하는 위치에서 샘플링이 수행되고, 두 번째 주기에서는 수신 신호의 1 에 해당하는 위치 (0의 위치로부터 α 만큼 우측으로 이동) 에서 샘플링이 수행되며, 세 번째 주기에서는 수신 신호의 2 에 해당하는 위치 (0의 위치로부터 2α만큼 우측으로 이동) 에서 샘플링이 수행되고, 네 번째 주기에서는 수신 신호의 3 에 해당하는 위치 (0의 위치로부터 3α만큼 우측으로 이동) 에서 샘플링이 수행된다. 따라서, 예를 들어 열 번째 주기까지 샘플링을 수행하여 샘플링된 값을 모으면, 실질적으로는 10 GHz 에서 수신 신호를 샘플링한 것과 동일한 샘플링값을 획득할 수 있다. 이처럼, 낮은 비용으로도 구현이 가능한 1 GHz 의 속도를 가지는 발진기를 가지고 더 높은 구현 비용을 요구하는 10 GHz 의 발진기를 사용한 것과 동일한 효과를 가져올 수 있다.
도 6 은 주기 신호의 도달 시각 차이를 나타낸다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 송신단 Tx (예를 들어, 타겟 단말) 에서 주기적으로 신호를 송신하였을 때, 복수의 수신단 (예를 들어, 수신부, 비콘 또는 안테나 등) 에서는 상이한 시각에 상기 송신된 신호를 수신하게 된다. 도 6 에서는, 제 1 수신부 Rx1 이 제 2 수신부 Rx2 보다 먼저 신호를 수신하게 되며, 본 발명의 일 측면에 따른 TDOA 기반의 위치 측정을 위해서는 신호의 수신 시각 차이만을 결정하면 되어 단순화가 가능하다. 제 1 수신부 Rx1 와 제 2 수신부 Rx2 에서의 신호 수신 시각 차이 결정을 위해서는 양 수신부에서의 신호의 위치 측정 기준을 동일하게 결정하면 되므로, 파형의 시작 부분이 도달한 시각의 차이인 6a 와, 파형의 끝 부분이 도달한 시각의 차이인 6b 중 어느 것을 측정해도 신호 수신 시각 차이의 결정이 가능하다. 뿐만 아니라, 파형의 중간 부분을 특정하여 신호 수신 시각 차이를 결정할 수도 있다.
나아가, 본 발명의 일 측면에 따르면 송신단 Tx 에서는 주기적으로 신호를 송출하고 있으므로, 첫 번째 주기의 신호 수신 시각 차이 뿐만 아니라, 두 번째, 세 번째 또는 n 번째 주기의 신호 수신 시각 차이를 제 1 수신부 Rx1 와 제 2 수신부 Rx2 에서의 신호 수신 시각 차이로 결정하는 것도 가능하다. 본 발명의 일 측면에 따른 서브 샘플링 기법을 사용하여, 더 적은 오차를 가지는 샘플링 구간이 포함된 주기에서 양 수신부의 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있다.
도 7 은 제로 크로싱 포인트 (Zero Crossing Point) 를 기반으로 하는 신호 수신 시각 차이 결정의 예시도이다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 예를 들어 송신 신호가 on/off 의 값을 가질 때, on 의 신호가 샘플링된 이후, 처음으로 off 의 신호가 샘플링되는 제로 크로싱 지점 (Zero Crossing Point) 의 시각을 결정하고, 제 1 수신부 Rx1 와 제 2 수신부 Rx2 에서의 제로 크로싱 지점의 시각 차이를 양 수신부에서의 신호 수신 시각 차이로서 결정할 수 있다.
도 7 을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 제 1 수신부 Rx1 및 제 2 수신부 Rx2 에서, 처음 샘플링을 수행하였을 때 파형의 처음 위치 또는 이후 위치에서 샘플링이 수행될 수 있고, 각각의 수신부에서 수신된 신호는 동일한 발진부로부터의 클럭 및 클럭 오프셋을 기반으로 샘플링되어, 다음 샘플링 주기에서는 샘플링 신호의 파형에서 이전 주기보다 오늘쪽으로 클럭 오프셋 α 만큼 이동한 위치에서 샘플링되게 된다. 다음 주기로 샘플링을 반복할수록 샘플링 위치는 오른쪽으로 이동하여 (n-1)α의 위치를 거쳐 결국 nα의 위치를 지나 송신 신호가 off 인 지점, 즉 신호 값이 0 인 제로 크로싱 지점에서 샘플링을 수행하게 된다. 따라서, 제 1 수신부 Rx1 에서의 제로 크로싱 포인트의 샘플링 시점인 제 1 시점과, 제 2 수신부 Rx2 에서의 제로 크로싱 포인트의 샘플링 시점인 제 2 시점을 결정하고, 제 1 시점과 제 2 시점의 차이 (6d) 를 측정하는 것에 의해 제 1 수신부 Rx1 와 제 2 수신부 Rx2 에서의 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 제 1 시점과 제 2 시점의 차이 (6d) 는 제 1 수신부 Rx1 와 제 2 수신부 Rx2 에서의 신호의 최초 수신 시각의 차이 (6c) 와 동일하다.
다시 도 8 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 (Time Difference of Arrival) 결정 장치 (800) 는, 제 1 수신부 (810), 제 2 수신부 (820), 변환부 (830), 발진부 (840) 및 연산부 (850) 를 포함할 수 있다.
제 1 수신부 (810) 및 제 2 수신부 (820) 는, 타겟 단말이 제 1 간격으로 송신하는 주기 신호들을 각각 수신할 수 있다. 제 1 수신부 (810) 및 제 2 수신부 (820) 는 소정의 위치에 고정되고, 그 위치 정보가 미리 저장되어 있을 수 있다.
발진부 (840) 는, 타겟 단말이 송신하는 주기 신호들의 간격인 제 1 간격과 동일한 주기를 가지는 클럭을 발생시킬 수 있으며, 각각의 주기에서 소정의 클럭 오프셋 (clock offset) (예를 들어, α) 을 가져 우측 또는 좌측으로 이동하여 클럭이 종료되도록 할 수 있다.
변환부 (830) 는 발진부 (840) 에서 발생된 클럭에 따라 제 1 수신부 (810) 및 제 2 수신부 (820) 에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화할 수 있다. 일 측면에 따르면, 변환부 (830) 는, 제 1 수신부 (810) 에서 수신된 신호들을 샘플링하는 제 1 변환부 (831) 및 제 2 수신부 (820) 에서 수신된 신호들을 샘플링하는 제 2 변환부 (832) 를 각각 구비할 수 있다. 제 1 변환부 (831) 및 제 2 변환부 (832) 는 동일한 발진부 (840) 로부터의 클럭 신호를 이용함으로써 별도의 동기화 과정을 거치지 않도록 할 수 있으며, 클럭 오프셋이 주기마다 다소 변동될 수 있는 표류 현상에 대해서도 별도의 보정이 필요 없도록 할 수 있다.
한편, 변환부 (830) 는, 앞서 도 4 내지 도 7 을 참조하여 설명한 바와 같이, 복수의 주기에 걸친 샘플링을 합산할 때 클럭 오프셋을 기반으로 타겟 단말의 주기 신호의 간격이자, 발진부 (840) 의 규정 클럭 주기인 제 1 간격보다 조밀하게 샘플링을 수행하게 되어 제 1 간격에 따른 샘플링 레이트보다 높은 실질적인 샘플링 레이트를 가질 수 있다.
여기서, 클럭 오프셋은 인위적인 것이 아니라, 예를 들어 도 1 을 참조하여 설명한 바와 같이, 발진부의 제조 공정에 따른 오차 마진에 의한 것일 수 있으며, 변환부 (830) 는 이러한 발진부의 클럭 오프셋에 대한 동기화 보정없이 샘플링을 수행하는 것에 의해 오히려 더 단순한 과정으로 더 높은 실질 샘플링 레이트를 확보할 수 있다.
연산부 (850) 는 변환부 (830) 에서 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 제 1 수신부 (810) 와 제 2 수신부 (820) 에서의 타겟 단말로부터의 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 장치는 저속의 발진부를 이용하면서도 고속의 발진부를 이용하여 ADC 샘플링을 수행하는 것과 동일한 효과를 가져올 수 있고, 결과적으로 신호 수신 시각 차이 결정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
한편, 일 측면에 따르면, 앞서 도 7 을 참조하여 설명한 바와 같이, 연산부 (850) 는 제 1 수신부 (810) 로부터 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트 (Zero Crossing Point) 인 제 1 시점과, 제 2 수신부 (820) 에서 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트인 제 2 시점의 시간 차이를 기반으로 제 1 수신부 (810) 와 제 2 수신부 (820) 에서의 타겟 다말로부터의 신호 수신 시각 차이를 결정하도록 하여, 신호 수신 시각 차이 결정 절차를 보다 단순화할 수 있다.
한편, 연산부 (850) 는, 제 1 수신부 (810) 의 제 1 시점까지의 클럭 카운팅 수와 제 2 수신부 (820) 의 제 2 시점까지의 클럭 카운팅 수의 차이를 더 이용하여 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있다. 제 1 시점 및/또는 제 1 시점 까지의 클럭의 개수를 카운팅하면, 제 1 시점 및/또는 제 2 시점까지의 경과 시간을 결정할 수 있고, 보다 구체적으로 실질적인 샘플링 레이트를 산출할 수도 있으며, 각 주기에서의 소요 시간을 결정할 수도 있다. 따라서, 일 측면에 따르면 제 1 시점 및/또는 제 2 시점까지의 클럭 카운팅 수를 결정하고 그 차이를 기반으로 신호 수신 시각 차이를 결정할 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 타겟 단말에서의 송신 신호의 주기와, 발진부의 규정 클럭이 상이할 수도 있다. 이 때, 복수의 수신부에서의 제로 크로싱 포인트의 시점 차이에서, 후속하는 수신부의 제로 크로싱 포인트의 샘플링 시점 사이에 하나 이상의 샘플링 포인트가 포함되거나, 제로 크로싱 포인트의 샘플링 시점 사이에 하나 이상의 샘플링 포인트가 포함될 수도 있다. 이 경우, 연산부는 산출된 실질 샘플링 레이트를 기반으로 실제 신호 수신 시각 차이를 연산하도록 구성될 수도 있다.
도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 방법의 흐름도이다. 도 12 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 방법은, 먼저, 타겟 단말로부터 제 1 주기로 송신되는 주기 신호들을 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 각각 수신한다 (단계 1210). 이후, 타겟 단말의 송신 신호의 간격과 동일하게 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭들을 기반으로, 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화할 수 있다 (단계 1220). 이어서, 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 제 1 수신부와 제 2 수신부의 타겟 단말로부터의 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이를 결정할 수 있다 (단계 1230). 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 방법의 보다 구체적인 절차는, 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 수신 시각 차이 결정 장치의 동작에 따를 수 있다.
타겟 단말 위치 결정
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 장치의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 10 은 도 9 의 타겟 단말의 위치 결정 장치의 구현 예를 나타낸다. 도 9 또는 도 10 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 장치 (900) 는, 제 1 수신부 (910), 제 2 수신부 (920), 제 3 수신부 (930), 변환부 (940), 발진부 (950) 및 연산부 (960) 를 포함할 수 있다.
제 1 수신부 (910), 제 2 수신부 (920) 및 제 3 수신부 (930) 는, 타겟 단말 1010) 이 제 1 간격으로 송신하는 주기 신호들을 각각 수신할 수 있다. 제 1 수신부 (910), 제 2 수신부 (920) 및 제 3 수신부 (930) 는 소정의 위치에 고정되어 설치될 수 있으며, 그 위치 정보가 메모리 (미도시) 에 미리 저장되어 연산부 (960) 의 연산에 활용될 수 있다.
발진부 (950) 는, 타겟 단말 (1010) 이 송신하는 주기 신호들의 간격인 제 1 간격과 동일한 주기를 가지는 클럭을 발생시킬 수 있으며, 각각의 주기에서 소정의 클럭 오프셋 (clock offset) (예를 들어, α) 을 가져 우측 또는 좌측으로 이동하여 클럭이 종료되도록 할 수 있다.
변환부 (940) 는 발진부 (950) 에서 발생된 클럭에 따라 제 1 수신부 (910), 제 2 수신부 (920) 및 제 3 수신부 (930) 에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화할 수 있다. 일 측면에 따르면, 변환부 (940) 는, 제 1 수신부 (910) 에서 수신된 신호들을 샘플링하는 제 1 변환부 (941), 제 2 수신부 (920) 에서 수신된 신호들을 샘플링하는 제 2 변환부 (943), 제 3 수신부 (930) 에서 수신된 신호들을 샘플링하는 제 3 변환부 (945) 를 각각 구비할 수 있다. 제 1 변환부 (941), 제 2 변환부 (943) 및 제 3 변환부 (945) 는 동일한 발진부 (950) 로부터의 클럭 신호를 이용함으로써 별도의 동기화 과정을 거치지 않도록 할 수 있으며, 클럭 오프셋이 주기마다 다소 변동될 수 있는 표류 현상에 대해서도 별도의 보정이 필요 없도록 할 수 있다.
연산부 (950) 는 변환부 (940) 에서 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 제 1 수신부 (910) 와 제 2 수신부 (920) 에서의 타겟 단말 (1010) 로부터의 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 1 시간차 (예를 들어, ABTDOA) 를 결정하고, 제 1 수신부 (910) 와 제 3 수신부 (930) 에서의 타겟 단말 (1010) 로부터의 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 2 시간차 (예를 들어, ACTDOA) 를 결정할 수 있다. 이후, 제 1 시간차 (예를 들어, ABTDOA), 제 2 시간차 (예를 들어, ACTDOA) 및 제 1 수신부 (910), 제 2 수신부 (920) 및 제 3 수신부 (930) 의 위치를 기반으로 타겟 단말 (1010) 의 위치를 결정할 수 있다. 위치 결정을 위해서는 예를 들어 앞서 도 2 내지 도 3 을 기반으로 설명한 바와 같은 삼변 측량이 이용될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 장치는 발진기의 클럭 오프셋을 기반으로 보다 정확하게 복수 수신기들 간의 신호 수신 시각 차이를 결정하고, 이를 기반으로 보다 정확하게 타겟 단말의 위치를 결정할 수 있다.
도 11 은 인체 영역에서의 근거리 정밀 위치 결정 시스템에 대한 구현 예를 나타낸다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 장치는 인체 영역에서의 근거리 정밀 위치 결정 시스템에 적용될 수 있다. 타겟 단말 (1100) 은 예를 들어 캡슐 내시경과 같이 인체 영역에서 이동하고, 주기적인 신호를 송출하는 엔티티일 수 있으며, 인체 영역에는 복수의 고정된 위치에 각각 배치되는 안테나들 (1110-1, 1110-2, 1110-3, 1110-4, 1110-5, 1110-6) 이 구비될 수 있다. 복수의 안테나들 중 적어도 3 이상의 안테나에서 수신된 상기 타겟 단말 (1100) 로부터의 신호는 위치 측정부 (1120) 를 통해 샘플링되어, 각 안테나들에서의 타겟 단말 (1100) 로부터의 신호 수신 시각 차이를 결정하고 이를 기반으로 타겟 단말 (1100) 의 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 복수의 안테나들에서의 신호들은 하나의 발진기로부터의 클럭에 따라, 클럭 오프셋을 가지고 샘플링되어 향상된 표본화율을 달성할 수 있고 보다 정확하게 타겟 단말 (1100) 의 위치를 결정할 수 있다.
도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 방법의 흐름도이다. 도 13 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 방법은, 먼저 타겟 단말로부터 제 1 주기로 송신되는 주기 신호들을 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 각각 수신한다 (단계 1310). 이후, 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭들을 기반으로, 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화할 수 있다 (단계 1320). 이후, 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 1 시간차를 결정하고 (단계 1330), 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 제 1 수신부와 제 3 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 2 시간차를 결정할 수 있다 (단계 1340). 이후, 결정된 제 1 시간차, 제 2 시간차와, 미리 저장된 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부의 위치를 기반으로 타겟 단말의 위치를 결정할 수 있다 (단계 1350). 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 방법은 앞서 살핀 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 단말의 위치 결정 장치의 구체적 동작을 따를 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 방법들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
이상, 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
구체적으로, 설명된 특징들은 디지털 전자 회로, 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 또는 그들의 조합들 내에서 실행될 수 있다. 특징들은 예컨대, 프로그래밍 가능한 프로세서에 의한 실행을 위해, 기계 판독 가능한 저장 디바이스 내의 저장장치 내에서 구현되는 컴퓨터 프로그램 제품에서 실행될 수 있다. 그리고 특징들은 입력 데이터 상에서 동작하고 출력을 생성함으로써 설명된 실시예들의 함수들을 수행하기 위한 지시어들의 프로그램을 실행하는 프로그래밍 가능한 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 설명된 특징들은, 데이터 저장 시스템으로부터 데이터 및 지시어들을 수신하기 위해, 및 데이터 저장 시스템으로 데이터 및 지시어들을 전송하기 위해 결합된 적어도 하나의 프로그래밍 가능한 프로세서, 적어도 하나의 입력 디바이스, 및 적어도 하나의 출력 디바이스를 포함하는 프로그래밍 가능한 시스템 상에서 실행될 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들 내에서 실행될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 소정 결과에 대해 특정 동작을 수행하기 위해 컴퓨터 내에서 직접 또는 간접적으로 사용될 수 있는 지시어들의 집합을 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 컴파일된 또는 해석된 언어들을 포함하는 프로그래밍 언어 중 어느 형태로 쓰여지고, 모듈, 소자, 서브루틴(subroutine), 또는 다른 컴퓨터 환경에서 사용을 위해 적합한 다른 유닛으로서, 또는 독립 조작 가능한 프로그램으로서 포함하는 어느 형태로도 사용될 수 있다.
지시어들의 프로그램의 실행을 위한 적합한 프로세서들은, 예를 들어, 범용 및 특수 용도 마이크로프로세서들 둘 모두, 및 단독 프로세서 또는 다른 종류의 컴퓨터의 다중 프로세서들 중 하나를 포함한다. 또한 설명된 특징들을 구현하는 컴퓨터 프로그램 지시어들 및 데이터를 구현하기 적합한 저장 디바이스들은 예컨대, EPROM, EEPROM, 및 플래쉬 메모리 디바이스들과 같은 반도체 메모리 디바이스들, 내부 하드 디스크들 및 제거 가능한 디스크들과 같은 자기 디바이스들, 광자기 디스크들 및 CD-ROM 및 DVD-ROM 디스크들을 포함하는 비휘발성 메모리의 모든 형태들을 포함한다. 프로세서 및 메모리는 ASIC들(application-specific integrated circuits) 내에서 통합되거나 또는 ASIC들에 의해 추가되어질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 일련의 기능 블록들을 기초로 설명되고 있지만, 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 실시 예들의 조합은 전술한 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 구현 및/또는 필요에 따라 전술한 실시예들 뿐 아니라 다양한 형태의 조합이 제공될 수 있다.
전술한 실시 예들에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로서 순서도를 기초로 설명되고 있으나, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 순서도에 나타난 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나, 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시 예는 다양한 양태의 예시들을 포함한다. 다양한 양태들을 나타내기 위한 모든 가능한 조합을 기술할 수는 없지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 다른 조합이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위 내에 속하는 모든 다른 교체, 수정 및 변경을 포함한다고 할 것이다.

Claims (20)

  1. 타겟 단말로부터 제 1 간격으로 송신되는 주기 신호들을 각각 수신하는 제 1 수신부 및 제 2 수신부;
    상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭을 발생시키는 발진부;
    상기 발진부에서 발생된 클럭에 따라 상기 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 변환부;
    상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이를 결정하는 연산부를 포함하는, 신호 수신 시각 차이 (Time Difference of Arrival) 결정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환부는,
    복수의 주기에 걸친 샘플링을 합산할 때 상기 클럭 오프셋을 기반으로 상기 제 1 간격보다 조밀하게 샘플링을 수행하게 되어 상기 제 1 간격에 따른 샘플링 레이트보다 높은 실질적인 샘플링 레이트를 가지는, 신호 수신 시각 차이 결정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 클럭 오프셋은 상기 발진부의 허용 오차 마진에 따른 것이고,
    상기 변환부는 상기 클럭 오프셋에 대한 동기화 보정없이 상기 샘플링을 수행하는 것인, 신호 수신 시각 차이 결정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환부는,
    상기 제 1 수신부에서 수신된 신호들을 샘플링하는 제 1 변환부 및 상기 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 샘플링하는 제 2 변환부를 포함하는, 신호 수신 시각 차이 결정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제 1 수신부로부터 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트 (Zero Crossing Point) 인 제 1 시점과, 상기 제 2 수신부에서 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트인 제 2 시점의 시간 차이를 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 신호 수신 시각 차이를 결정하는, 신호 수신 시각 차이 결정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제 1 수신부의 상기 제 1 시점까지의 클럭 카운팅 수와 상기 제 2 수신부의 상기 제 2 시점까지의 클럭 카운팅 수의 차이를 더 이용하여 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 신호 수신 시각 차이를 결정하는, 신호 수신 시각 차이 결정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제 1 수신부 및 상기 제 2 수신부 중 적어도 하나에서 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트에서 다음 제로 크로싱 포인트까지의 클럭 카운팅 수를 기반으로 상기 연산부의 실질적인 샘플링 레이트를 결정하는, 신호 수신 시각 차이 결정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발진부는, 크리스탈 오실레이터 (Crystal oscillator) 인, 신호 수신 시각 차이 결정 장치.
  9. 타겟 단말로부터 제 1 간격으로 송신되는 주기 신호들을 각각 수신하는 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부;
    상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭을 발생시키는 발진부;
    상기 발진부에서 발생된 클럭에 따라 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 변환부;
    상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 1 시간차를 결정하고, 상기 제 1 수신부와 제 3 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 2 시간차를 결정하고, 상기 제 1 시간차, 상기 제 2 시간차 및 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부의 위치를 기반으로 상기 타겟 단말의 위치를 결정하는 연산부를 포함하는, 타겟 단말의 위치 결정 장치.
  10. 타겟 단말로부터 제 1 주기로 송신되는 주기 신호들을 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 각각 수신하는 단계;
    상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭들을 기반으로, 상기 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 단계;
    상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이를 결정하는 단계를 포함하는, 신호 수신 시각 차이 (Time Difference of Arrival) 결정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 디지털화하는 단계는,
    복수의 주기에 걸친 샘플링을 합산할 때 상기 클럭 오프셋을 기반으로 상기 제 1 간격보다 조밀하게 샘플링을 수행하게 되어 상기 제 1 간격에 따른 샘플링 레이트보다 높은 실질적인 샘플링 레이트로 상기 수신된 신호들을 샘플링하는, 신호 수신 시각 차이 결정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 클럭 오프셋은, 상기 클럭들을 발생시키는 발진부의 오차 마진에 따른 것이고,
    상기 디지털화하는 단계는, 상기 클럭 오프셋에 대한 동기화 보정없이 상기 샘플링을 수행하는 것인, 신호 수신 시각 차이 결정 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 디지털화하는 단계는,
    제 1 변환부에 의해 상기 제 1 수신부에서 수신된 신호들을 샘플링하고, 제 2 변환부에 의해 상기 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 샘플링하는, 신호 수신 시각 차이 결정 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 제 1 수신부로부터 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트 (Zero Crossing Point) 인 제 1 시점과, 상기 제 2 수신부에서 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트인 제 2 시점의 시간 차이를 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 신호 수신 시각 차이를 결정하는, 신호 수신 시각 차이 결정 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 제 1 수신부의 상기 제 1 시점까지의 클럭 카운팅 수와 상기 제 2 수신부의 상기 제 2 시점까지의 클럭 카운팅 수의 차이를 더 이용하여 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 신호 수신 시각 차이를 결정하는, 신호 수신 시각 차이 결정 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 제 1 수신부 및 상기 제 2 수신부 중 적어도 하나에서 샘플링된 값의 제로 크로싱 포인트에서 다음 제로 크로싱 포인트까지의 클럭 카운팅 수를 기반으로 상기 신호들에 대한 실질적인 샘플링 레이트를 연산하는, 신호 수신 시각 차이 결정 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 발진부는, 크리스탈 오실레이터 (Crystal oscillator) 인, 신호 수신 시각 차이 결정 방법.
  18. 타겟 단말로부터 제 1 주기로 송신되는 주기 신호들을 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 각각 수신하는 단계;
    상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭들을 기반으로, 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하는 단계;
    상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 1 시간차를 결정하는 단계;
    상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 3 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 2 시간차를 결정하는 단계; 및
    상기 제 1 시간차, 상기 제 2 시간차 및 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부의 위치를 기반으로 상기 타겟 단말의 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 타겟 단말의 위치 결정 방법.
  19. 프로세서 실행 가능한 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로서, 상기 명령어들은 상기 프로세서에 의해 실행되었을 때 상기 프로세서로 하여금,
    타겟 단말로부터 제 1 주기로 송신되는 주기 신호들을 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 각각 수신하고,
    상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭들을 기반으로, 상기 제 1 수신부 및 제 2 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하고,
    상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이를 결정하게 하도록 구성되는, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.
  20. 프로세서 실행 가능한 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로서, 상기 명령어들은 상기 프로세서에 의해 실행되었을 때 상기 프로세서로 하여금,
    타겟 단말로부터 제 1 주기로 송신되는 주기 신호들을 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 각각 수신하고,
    상기 제 1 간격을 가지고, 각각의 주기에서 클럭 오프셋 (clock offset) 을 가지는 클럭들을 기반으로, 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부에서 수신된 신호들을 각각 샘플링하여 디지털화하고,
    상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 2 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 1 시간차를 결정하고,
    상기 샘플링하여 디지털화된 값을 기반으로 상기 제 1 수신부와 제 3 수신부의 상기 주기 신호에 대한 신호 수신 시각 차이인 제 2 시간차를 결정하고,
    상기 제 1 시간차, 상기 제 2 시간차 및 상기 제 1 수신부, 제 2 수신부 및 제 3 수신부의 위치를 기반으로 상기 타겟 단말의 위치를 결정하게 하도록 구성되는, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.
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