WO2014065539A1 - 상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치 및 위치추정방법 - Google Patents

상향링크 액세스 포인트를 이용한 위치추정장치 및 위치추정방법 Download PDF

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WO2014065539A1
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antenna
user terminal
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uplink access
signal
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PCT/KR2013/009325
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성태경
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(주)와이파이브
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    • G01S5/06—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/02—Services making use of location information
    • H04W4/024—Guidance services

Definitions

  • the present invention relates to a location estimation apparatus and a location estimation method using an uplink access point, and more particularly, a signal transmitted from a user terminal is received at an uplink access point including two or more antennas, and a phase difference of the received signal is detected.
  • the present invention relates to a position estimating apparatus and a position estimating method capable of estimating a position of a user terminal.
  • Wireless-based location systems are already in common use, such as Wireless LAN (WLAN), Wireless Fidelity (Wi-Fi), Wireless Broadband Internet (Wi-Fi), World Interoperability for Microwave Access (HMAX), and High Speed Downlink.
  • Packet Access Zigbee, Bluetooth, Ultra-wideband (UWB), Infrared Data Association (IrDA), Ultra Wild Band (SWAP), Shared Wireless Access Protocol (SWAP), Long Term Evolution (LTE) It is very effective in terms of cost since it is used.
  • wireless networks can implement location systems through notebook computers, PDAs, smartphones or other wireless mobile devices, and these software-based location solutions are significantly less expensive than indoor dedicated location tracking architectures.
  • wireless-based positioning techniques generally use a variety of methods to relatively triangulate a location.
  • Conventional indoor location estimation technology is a cell ID method for recognizing the cell ID (cell identification) of the access point, a multi-directional positioning method using the RSSI (Received Sigmal Strength Indicator) that calculates the position by the difference in signal strength between base stations And a radio frequency (Fingerprint) method using radio wave strength for each location.
  • RSSI Receiveived Sigmal Strength Indicator
  • RFID Radio frequency
  • the cell ID method has a large error, and the multivariate positioning method using RSSI has a poor throughput and an infrastructure cost burden due to interference between multiple access point signals, and the RF finger print method has a large amount of calculation and is sensitive to environmental changes. There is this.
  • Korean Patent Registration No. 10-0775858 (Application No.:10-2006-109443, Application Date: 2006.11.07.) Discloses an environmental analysis system and method for indoor wireless positioning.
  • the present invention enables efficient indoor location measurement at a relatively low cost.
  • Location estimation apparatus using an uplink access point for solving the above problems is a user terminal (300); And an uplink access point 400 including a first antenna and a second antenna and capable of receiving an uplink signal transmitted from the user terminal 300 through the first antenna or the second antenna.
  • the position of the user terminal 300 may be estimated using the phase difference between the carriers reaching the first antenna and the second antenna from the terminal 300.
  • a Wi-Fi method or a Bluetooth method may be used.
  • One or more access points 300 of the plurality of uplink access points 400 may not have a wired connection for data communication.
  • the distance between the two antennas may be 0.5 times or less of the carrier wavelength.
  • the distance between the two antennas may be 0.25 times or more of the carrier wavelength and 0.5 times or less of the carrier wavelength.
  • the distance between the two antennas may be 0.5 times the wavelength of the carrier wave.
  • the distance between the two antennas may be at least 0.5 times the carrier wavelength and less than the carrier wavelength, and the uplink access point 400 may be at least two.
  • the distance between the two antennas may be at least 0.5 times the carrier wavelength and less than the carrier wavelength, and the user terminal 300 may further include an inertial sensor or a geomagnetic sensor.
  • the uplink access point 400 may further include an auxiliary antenna, and the first antenna, the second antenna, and the auxiliary antenna may be located in a straight line.
  • the uplink access point 400 further includes a third antenna, and the first antenna, the second antenna, and the third antenna are not positioned in a straight line, and measure the phase difference between the first antenna and the second antenna to allow the user terminal to measure the phase difference. It may be to estimate the position on the two-dimensional plane by measuring the angle of incidence in one particular direction of 300, by measuring the phase difference between the first antenna and the third antenna to measure the angle of incidence in the other direction.
  • the uplink signal may include a unique identifier of the user terminal 300.
  • the distance between the user terminal 300 and the first antenna or the second antenna may be estimated by measuring the strength of the uplink signal.
  • the location of the user terminal 300 may be estimated by further using height information of the first antenna or the second antenna and height information of the user terminal 300.
  • the user terminal 300 may further include a positioning server 500 which transmits to the user terminal 300 other information including at least one of surrounding map information, store information, and product discount information of each store.
  • a positioning server 500 which transmits to the user terminal 300 other information including at least one of surrounding map information, store information, and product discount information of each store.
  • a location estimation method for solving the above problems includes an uplink signal transmitted from the user terminal 300 through a first antenna or a second antenna, including a user terminal 300, a first antenna, and a second antenna.
  • a location estimation method using a location estimating apparatus including an uplink access point 400 capable of receiving a signal, during a competition period during an entire communication period, a user terminal 300 capable of communicating with the uplink access point 400. Allocating a single frequency use time to each user terminal 300 by communicating with the terminals); During the contention restriction period of the entire communication cycle, each user terminal 300 transmits a carrier for a single scan time given to it, and the uplink access point 400 of the carrier received from the first antenna and the second antenna Measuring a phase difference.
  • An uplink access point for solving the above problems includes a first antenna and a second antenna, and receives an uplink signal transmitted from the user terminal 300 through the first antenna or the second antenna and receives the received uplink signal.
  • the uplink access point 400 for estimating the position of the user terminal 300 by using the phase difference of the signal further comprising an auxiliary antenna, wherein the first antenna, the second antenna, the auxiliary antenna on a straight line It is characterized in that the location.
  • At least one user terminal 300 for wirelessly transmitting location identification information including a unique identifier for solving the above problems; And wirelessly transmitting at least one location identification information selected from a unique identifier, a signal generation time, a time interval at which a signal is periodically transmitted, a communication speed, a function, and an access point (AP) type, and the user terminal 300
  • An uplink access point (400) for wirelessly receiving location identification information, measuring a signal arrival angle using an uplink signal, and estimating a location by measuring a distance using a received signal strength indication (RSSI); It is configured to include, wherein the uplink may be characterized in that the communication link used to transmit a signal from the user terminal 300 to the uplink access point (400).
  • the uplink access point 400 includes at least two antennas 410 for wirelessly receiving location information from the user terminal; A signal acquisition controller 420 connected to the antenna 410 and storing signal of a user terminal information and a time interval among information inputted to the antenna; A signal processor (430) connected to the signal acquisition controller (420) for measuring a difference in arrival time of a signal reaching an antenna and measuring RSSI of a signal reaching the antenna; And an information processor 440 connected to the signal processor 430 to calculate an angle of arrival using a difference in arrival time of information reaching the antenna and to calculate an arrival distance using the RSSI information. Can be configured.
  • the location estimating apparatus receives location information estimated by the uplink access point 400 and information including a unique identifier of the user terminal 300 from the uplink access point, and receives the location information from the uplink access point. It may be characterized in that it further comprises a positioning server 500 for transmitting.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a location estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of an uplink access point of a location estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating position estimation when two antennas of a position estimation apparatus according to an embodiment of the present invention are used.
  • FIG. 4 illustrates an example of adding an auxiliary antenna to FIG. 3.
  • FIG 5 is an exemplary view of estimating angle of arrival when there are three antennas of a position estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a block diagram using a positioning server of the location estimation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a location estimation device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram of an uplink access point of a location estimation device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an embodiment of the present invention.
  • 4 is an exemplary view illustrating a position estimation when two antennas of the position estimation apparatus are used
  • FIG. 4 is an exemplary diagram in which an auxiliary antenna is added to FIG. 3
  • Figure 6 is a block diagram using a positioning server of the location estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the location estimation apparatus includes a user terminal 300 and an uplink access point 400.
  • the user terminal 300 may be configured as a device for wirelessly transmitting location identification information such as a unique identifier (for example, a phone number of a user terminal or a unique number of a user terminal device).
  • location identification information such as a unique identifier (for example, a phone number of a user terminal or a unique number of a user terminal device).
  • the user terminal 300 may be a smartphone, a mobile device, a location estimation terminal, or the like.
  • the smart phone since the smart phone includes a device capable of receiving a wireless signal from an access point, inertial sensors such as an acceleration sensor, a gyro sensor, and other control devices, the smart phone may be used as the user terminal 300.
  • inertial sensors such as an acceleration sensor, a gyro sensor, and other control devices
  • the user terminal 200 can be more accurate position estimation using the geomagnetic sensor in addition to the inertial sensing unit.
  • location estimation device for example, a GPS device
  • a technique of estimating a current location using a DR sensor such as an inertial sensing unit or a geomagnetic sensor is well known and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the existing smart phone has a Wi-Fi communication function and a Bluetooth communication function
  • the wireless communication method of the present invention is a Wi-Fi method or a Bluetooth communication method
  • the existing smartphone can be used as the user terminal 300 of the present invention.
  • a Wi-Fi type uplink access point or a Bluetooth type uplink access point can be easily installed in a building using the conventional technology. That is, the uplink access point 400 may select a place suitable for location positioning to be installed at the selected place.
  • the uplink access point may be connected to an external communication network (for example, the Internet network) so that the user terminal 300 may perform data communication with the external communication network using a Wi-Fi method or a Bluetooth method.
  • an external communication network for example, the Internet network
  • the user terminal 300 may perform data communication with the external communication network using a Wi-Fi method or a Bluetooth method.
  • it may be implemented to be used only for the purpose of estimating the position of the user terminal 300 by using the information received from the uplink signal transmitted from the user terminal 300.
  • the access point 400 is called an uplink access point in the present invention is that the user terminal 300 essentially includes a configuration for transmitting a signal toward the access point 400, that is, an uplink signal.
  • the access point is generally connected to the external device by wire in order to transmit and receive data transmitted and received from the user terminal back to the external device, but in the uplink access point 400 according to the present invention, Since it is necessary to receive the uplink signal required to determine the location and send the information back to the user terminal 300, there is no need for a wired connection for data communication with another external device. Therefore, the uplink access point 400 of the present invention has an advantage in that it is easy to install, since only the power line needs to be connected when installing, and no wired connection is required for data communication with other external devices.
  • the present invention may include a plurality of uplink access points 400, wherein one or more of the uplink access points 400 may be characterized in that there is no wired connection for data communication.
  • the uplink access point 400 wirelessly transmits at least one location identification information selected from a unique identifier, a signal generation time, a time interval in which a signal is periodically transmitted, a communication speed, and a function, and the user terminal 300 ) And wirelessly receive the location identification information, measure the signal arrival angle using the uplink signal, and estimate the position by measuring the distance using RSSI (Received Signal Strength Indication).
  • the uplink refers to a communication link used to transmit a signal from the user terminal 300 to the uplink access point 400.
  • the user terminal may identify a unique identifier of the user terminal (eg, a telephone number of the user terminal, a product number of the user terminal device, etc.) in an uplink signal. It is desirable to send a) including.
  • a unique identifier of the user terminal eg, a telephone number of the user terminal, a product number of the user terminal device, etc.
  • the uplink access point 400 communicates with a plurality of user terminals 300, a method for preventing a plurality of signals from colliding is needed.
  • the uplink access point 400 cannot measure a signal arrival angle due to interference between uplink signals.
  • each user terminal 300 generates a carrier in a time period (single frequency usage time) in which an uplink signal may be generated among the contention restriction period.
  • the uplink access point 400 may estimate the position of the user terminal 300 by measuring the phase difference of the carrier with two antennas.
  • each user terminal 300 competitively communicates with the uplink access point 400 to inform that each user terminal 300 is within a communication range with the uplink access point 400 and uplink.
  • a single frequency usage time is allocated from the access point 400.
  • the uplink access point 400 wirelessly transmits necessary information to the user terminal 300 during a contention restriction period of all communication periods, and the user terminal 300 wirelessly transmits necessary information during the contention period to the user.
  • a collision between the terminal 300 and the uplink access point 400 may be prevented. That is, the location information of the user terminal 300 estimated by the uplink access point 400 may be transmitted to the user terminal 300 during the contention restriction period.
  • the uplink access point 400 may include an antenna 410, a signal acquisition controller 420, a signal processor 430, and an information processor 430.
  • the antenna 410 wirelessly receives location information from the user terminal, and includes a first antenna 411 and a second antenna 412.
  • the antenna 410 may determine the location information transmission range of the user terminal 300 according to the installation method.
  • the signal acquisition control unit 420 is connected to the antenna 410 and stores the information and the time interval signal input to the antenna. At this time, the time interval information should be set to the length considering the size of the signal to be stored and the time delay that may occur. That is, the maximum delay difference of the arrival signal and the length information of the signal should be determined in advance.
  • the signal processor 430 is connected to the signal acquisition controller 420, measures a difference in arrival time of the signal reaching the antenna, and measures the RSSI of the signal reaching the antenna.
  • the RSSI may be obtained by measuring the reception power at the antenna.
  • the information processor 440 is connected to the signal processor 430, calculates an angle of arrival using a difference in arrival time of information reaching the antenna, and calculates a distance using RSSI information.
  • a difference in arrival time of information may be obtained using information of a time interval input to the information input unit 420, and the arrival angle may be calculated using the information.
  • the UL access point 400 outputs R 1 (f) and R results of fast Fourier transform (FFT) of signals obtained from two antennas. 2 (f),
  • the position of the user terminal 300 may be estimated by obtaining a distance and an angle of arrival in 2D form using one uplink access point 400 composed of two antennas. Can be.
  • the uplink access point 400 is a distance between the antenna (the first antenna and the second antenna to prevent ambiguity generated for each multiple of the wavelength when the wavelength of the signal is shorter than the distance between the two antennas)
  • the distance between the antennas should not be longer than the wavelength of the signal (carrier).
  • the shorter the distance between the antennas the smaller the phase angle difference due to the change in the angle of arrival, making it difficult to accurately measure the angle of arrival.
  • the shorter the distance between the antennas the lower the accuracy of the angle measurement.
  • the antenna distance is half (0.5 times) the wavelength of the signal (carrier).
  • the distance between the preferred antennas can be said to be 0.25 times or more of the signal (carrier) wavelength and 0.5 times or less of the signal (carrier) wavelength.
  • the access direction of the user terminal 300 is known in advance by using a plurality of uplink access points 400 or a method in which the user terminal 300 uses a PDR sensor (ie, the user terminal 300 in FIG. 1). If you know in advance whether you are approaching from the right or from the left), setting the antenna distance equal to the wavelength of the signal (carrier) may be unambiguous. At this time, the antenna distance is preferably equal to the signal (carrier) wavelength so that the phase angle difference according to the change of the arrival angle is maximized without ambiguity. The shorter the distance between the antennas, the lower the accuracy of the angle of arrival measurement, but up to half the distance of the antenna is a reliable level of accuracy of the angle of arrival measurement.
  • the distance between the preferred antennas can be said to be at least 0.5 times the signal (carrier) wavelength and less than the signal (carrier) wavelength.
  • the approach direction of the user terminal 300 should be known in advance by using two or more uplink access points 400 or the method of using the PDR sensor by the user terminal 300.
  • the first uplink access is performed. It can be seen that the user terminal 300 has moved from the point 400 toward the second uplink access point 400.
  • the PDR sensor refers to the pedestrian DR sensor
  • the DR sensor dead reckoning sensor
  • the DR sensor refers to the current position using an inertial sensor (acceleration sensor, angular acceleration sensor, etc.) inside the device when location information is stopped. Means a device for estimating. Therefore, in order for the user terminal 300 to estimate the approach direction using the PDR sensor, an inertial sensor must be additionally provided therein. If the smart phone is used as the user terminal 300, the PDR sensor may be implemented using an inertial sensor inside the smart phone.
  • an auxiliary antenna 414 may be installed to prevent ambiguity.
  • the first antenna 411, the second antenna 412, and the auxiliary antenna may be installed.
  • 414 is preferably positioned in a straight line.
  • the distance between the first antenna 411 and the second antenna 412 is floated by the wavelength of the signal (carrier), and the second antenna 414 and the auxiliary antenna 414 are 0.5 times the wavelength of the signal (carrier).
  • the phase difference between the signal (carrier) received by the second antenna 414 and the auxiliary antenna 414 can determine which direction the user terminal 300 approaches, and the first antenna 411 and the second antenna.
  • the phase difference of the antenna 412 may be used to measure an accurate angle of arrival.
  • the distance between the first antenna and the second antenna can be very long, and thus, more accurate incidence angle measurement is possible.
  • the uplink access point 400 includes at least three antennas 410 and each antenna is not located in a straight line
  • a 3D form using one uplink access point 400 composed of three or more antennas is performed.
  • the location of the user terminal 300 may be estimated by obtaining a distance, an elevation angle, and an azimuth angle.
  • the angle of arrival in the x direction is measured by the phase difference measured using the first antenna and the second antenna
  • the angle of arrival in the y direction is measured by the phase difference measured using the second antenna and the third antenna
  • the line connecting the first antenna and the second antenna and the line connecting the second antenna and the third antenna are preferably vertical.
  • the distance between the first antenna and the second antenna and the distance between the second antenna and the third antenna are preferably the same. Therefore, the first antenna, the second antenna, and the third antenna are preferably located at the vertex position of the isosceles right triangle.
  • the position measurement in the xy direction can be performed on a straight line. That is, when the first antenna, the second antenna, and the third antenna are not located in a straight line, the first and second antennas measure the phase difference between the first antenna and the second antenna to measure an incident angle in a specific direction of the user terminal 300, and By measuring the phase difference of the third antenna and measuring the angle of incidence in the other direction, the position on the two-dimensional plane can be estimated.
  • the distance r from the antenna of the uplink access point 400 to the user terminal 300 may be estimated from the strength of the signal reaching the antenna of the uplink access point 400 in the user terminal 300. In other words, as the distance increases, the strength of the signal reaching the antenna becomes weaker, so the distance can be estimated by measuring the signal strength.
  • the coordinates (x u , y u , z u ) of the user terminal 300 may be known only by the altitude angle and the azimuth angle ( ⁇ , ⁇ ).
  • the height of the user terminal 300 may allow a user of each user terminal 300 to input in advance (for example, if the user thinks that the user carries the user terminal at a height of 1 m40 cm, the height of the user terminal is input at 1 m40 cm). If the user's age and gender of the user terminal 300 are input, the height of the user terminal 300 may be estimated from the information (ie, the average height of people having the age and the gender is obtained. Estimate the height of the user terminal that the user of that key is expected to carry).
  • the apparatus for estimating location transmits information including location information estimated by the uplink access point 400 and a unique identifier of the user terminal 300 from the uplink access point 400. It may be configured to further include a positioning server 500 for receiving and transmitting the location information to the user terminal 300.
  • the positioning server 500 may transmit the location information to the user terminal 300 after receiving the location information of the user terminal 300 calculated by the uplink access point 400, but the uplink access point 400 Only the measurement result is received from the positioning server 500 may calculate the location of the user terminal 300 and send the location information to the user terminal 300. Alternatively, only the incident angle information calculated by the uplink access point 400 may be received, and the location server 500 may calculate the location of the user terminal 300 and transmit the location information to the user terminal 300.
  • location information When the location information is sent to the user terminal 300, other information such as map information, store information, and product discount information of each store may be transmitted to the user terminal 300.
  • the uplink access point 400 directly transmits location information, measurement result information, incident angle information, etc. to the user terminal 300 (if only measuring result information or incident angle information is transmitted to the user terminal 300, the position calculation is performed).
  • the location server 500 may be configured to transmit only other information such as map information, store information, and product discount information of each store to the user terminal 300 except location information. It may be.
  • the method for transmitting information calculated by the uplink access point 400 to the user terminal 300 may include a method of directly transmitting using the user terminal 300, a method of transmitting general information using a general commercial WiFi access point, and external 3G; For example, there are three ways to send information through the 4G network.
  • information may be immediately sent.
  • the information calculated while the user terminal 300 continuously performs location estimation is performed by the positioning server 500. Since the user terminal 300 is less burdened because it is transmitted through the uplink access point 400 that does not know the uplink access point 400 to transmit information through the positioning server 500, the uplink that manages information on the uplink access point 400 The unique identifier must be verified and sent via the access point 400. To this end, the uplink access point 400 should have information about the user terminal 300 registered in the server before using the user terminal 300.
  • the calculated arrival angle and distance may allow the uplink access point 400 to directly transmit a signal to the user terminal 300 in a contention restriction period through a WLAN.
  • the calculated arrival angle and distance may be sent to the user terminal 300 via the location server 500 through another communication such as WiBro, WiMAX, LTE, or the like.
  • the uplink access point 400 may directly transmit the calculated arrival angle and distance through a wireless communication network (WLAN), and the user terminal 300 calculates the calculated information. Can be obtained.
  • the positioning server 500 is configured, after the relevant information of the user terminal 300 is registered in advance in the positioning server 500, the uplink access point 400 is connected through an external communication network (Wibro, LTE, commercial WiFi, etc.). Sending the arrival angle and the distance calculated by the positioning server 500, the positioning server 500 receives the calculated arrival angle and distance from the external communication network, the positioning server 500 is a user terminal 300 that requires the corresponding calculation information Check the terminal of the) and transmit the arrival angle and the distance calculated by the unique identifier, the user terminal 300 may receive the calculated information.
  • an external communication network Wibro, LTE, commercial WiFi, etc.
  • the present invention reduces the installation and maintenance costs by positioning using a dedicated uplink access point 400 for the purpose of positioning, and estimates the location of the user terminal 300 with only one uplink access point 400. This has a possible effect.
  • the location estimating device may be used for pedestrian path guidance. That is, when the map information and the location information are given to the user terminal 300, the user terminal 300 may be used for surrounding geographical guidance and route guidance.
  • a separate server may be installed, and the separate server may be the positioning server 500.

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
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 PCTKR2013009325-appb-I000001
을 이용하여 위상차를 구하고,
다음식
Figure PCTKR2013009325-appb-I000002
을 이용하여 도달 각도를 구하며,
다음식
Figure PCTKR2013009325-appb-I000003
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 PCTKR2013009325-appb-I000004
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 PCTKR2013009325-appb-I000005
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 PCTKR2013009325-appb-I000006
    을 이용하여 위상차를 구하고,
    다음식
    Figure PCTKR2013009325-appb-I000007
    을 이용하여 도달 각도를 구하며,
    다음식
    Figure PCTKR2013009325-appb-I000008
    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 PCTKR2013009325-appb-I000009
    을 이용하여 각각의 고도 각과 방위 각(α, β)을 구하고,
    다음식
    Figure PCTKR2013009325-appb-I000010
    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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