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KR100291022B1 - 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법 및 도착각도 결정 시스템 - Google Patents

도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법 및 도착각도 결정 시스템 Download PDF

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KR100291022B1
KR100291022B1 KR1019990008023A KR19990008023A KR100291022B1 KR 100291022 B1 KR100291022 B1 KR 100291022B1 KR 1019990008023 A KR1019990008023 A KR 1019990008023A KR 19990008023 A KR19990008023 A KR 19990008023A KR 100291022 B1 KR100291022 B1 KR 100291022B1
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Abstract

본 발명은 셀룰러 이동통신 네트워크에 관한 것으로서, 특히 코드분할 다중접속(CDMA) 기술을 사용하는 셀룰러 네트워크에서 도착각도(AOA)와 도착시간(TOA)을 이용하여 이동 단말기의 위치를 예측하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법 및 도착각도 결정 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 이동 단말기에 의한 3개 이상의 기지국의 도착시간(TOA)들을 이용하여 이동 단말기의 제 1 위치추정 지역을 구하는 단계(s100)와; 이동 단말기에 의한 3개 이상의 기지국의 도착각도(AOA)들을 이용하여 상기 제 1 위치추정 지역으로부터 축소된 제 2 위치추정 지역을 구하는 단계(s200); 및 상기 제 2 위치추정 지역 내에서 이동 단말기의 위치를 예측하는 단계(s300)를 포함한다.
본 발명은, 도착시간(TOA)을 이용하여 계산된 이동 단말기의 위치추정 지역을 도착각도(AOA)를 이용하여 축소시킴으로써 보다 정확한 이동 단말기의 추정위치를 구할 수 있다는 효과가 있으며, 종래의 이동통신 네트워크에 하드웨어적인 추가사항을 최소화함으로써 이동 단말기의 위치를 예측하는데 필요한 비용을 감소시킨다.

Description

도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법 및 도착각도 결정 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR PREDICTING LOCATION OF MOBILE STATION USING ANGLE OF ARRIVAL}
본 발명은 셀룰러 이동통신 네트워크(Cellular Mobile Telecommunication Network)에 관한 것으로서, 특히 코드분할 다중접속(Code Division Multiple Access: CDMA) 기술을 사용하는 셀룰러 네트워크에서 도착각도(Angle Of Arrival: AOA)와 도착시간(Time Of Arrival: TOA)을 이용하여 이동 단말기의 위치를 예측하기 위한 영역을 축소시키는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법 및 도착각도 결정 시스템에 관한 것이다.
셀룰러 이동통신 네트워크는 네트워크에 등록된 임의의 이동 가입자가 언제, 어디서나, 누구와도 통화를 할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 도 1 은 통상적인 이동통신 네트워크의 구성도를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이, 이동 단말기(Mobile Station: MS)(10)를 통해 이동 가입자에게 이동통신 서비스를 제공하는 기지국(Base Transceiver Station: BTS)(21)(22)(23)(24)과, 상기 다수의 기지국을 제어하는 기지국 제어기(Base Station Controller: BSC)(30), 상기 기지국 제어기를 다른 기지국 또는 공중교환 전화네트워크(Public Switched Telephone Network: PSTN)로 연결하는 이동 교환국(Mobile Switching Center: MSC)(50)으로 구성된다.
상기와 같이 구성되는 셀룰러 이동통신 네트워크는 전체 서비스지역을 다수의 기지국(21)(22)(23)(24) 영역으로 분할하여 소규모의 서비스영역인 셀(cell)들로 구성하고, 이러한 기지국들을 이동 교환국(50)으로 집중 제어하여 가입자가 셀간을 이동하면서도 통신을 계속할 수 있도록 한다.
이동 교환국(50)은 임의의 가입자가 어느 셀에 위치하고 있는지를 파악하여 가입자를 호출하는데 필요한 시간을 줄일 수 있다. 그러나 화재나 긴급환자 발생과 같은 비상시에는, 이동 가입자가 위치하고 있는 장소를 정확하게 예측할 필요가 있다. 이와 같이, 이동통신 네트워크에서 임의의 셀에 위치한 이동 가입자의 위치를 찾아내는 것을 위치예측 서비스(Location Service)라고 한다.
이동통신 네트워크에서 임의의 이동 가입자의 위치를 예측하는 방법에는, 크게 구분하여, 이동 단말기에서 수행하는 방법과 네트워크에서 수행하는 방법이 있다.
이동 단말기가 수행하는 방법 중의 하나는, 이동 단말기에 GPS(Global Positioning System) 수신기를 설치하고, GPS 수신기를 통해 위성으로부터 수신한 위치정보를 사용하여 이동 단말기의 위치를 위도와 경도로서 계산한다. 그러나 이러한 방법은, 이동 단말기에 기본적인 소자들 외에 부가적으로 GPS 수신기를 설치해야 하기 때문에, 이동 단말기의 가격이 비싸지고 그 크기가 커져야 하는 단점이 있다.
이동 단말기가 수행하는 방법 중의 또다른 하나는, 이동 단말기가 적어도 세 개의 기지국들로부터 수신한 특정한 형태의 신호를 기초로 하여, 삼각법을 통해 자신의 위치를 계산하는 것이다. 그러나 이 방법도 마찬가지로 이동 단말기에 별도의 신호 수신기를 설치해야 하기 때문에, 이동 단말기의 가격이 비싸지고 그 크기가 커져야 하며, 다른 형태의 신호를 사용하는 기지국들과 호환이 어렵다는 문제점을 가진다.
상기와 같이 이동 단말기가 자신의 위치를 계산하는 방법은, 이동 단말기가 자신의 위치를 계산하여야 하기 때문에 이동 단말기의 부담이 커지고, 이에 따라 이동 단말기가 처리하여야 하는 호처리에 문제가 발생될 수 있다.
네트워크에서 수행하는 방법은, 이동 단말기에서 송신한 특정한 신호를 세개 이상의 기지국들이 수신하고, 그 도착시간들을 이용하여 각 기지국과 이동 단말기간의 거리를 구한 다음, 삼각법을 이용하여 이동 단말기의 위치를 계산한다.
이러한 위치예측 서비스는 통상적으로, 기지국 제어기의 내부에 포함되거나 독립적으로 존재할 수 있는 위치예측 수단(Location Data Processor)(40)에 의하여 제공된다. 사용자가 특정한 이동 가입자, 즉 이동 단말기에 대한 위치예측 서비스를 요구하면, 기지국 제어기(30)는 이동 단말기의 위치를 고려하여 위치예측 서비스에 사용할 기지국들(21)(22)(23)을 결정한다.
상기와 같이, 네트워크에서 이동 단말기의 위치를 계산하는 방법에는, 도착시간(Time Of Arrival: TOA)을 이용하는 방식과, 도착시간차이(Time Difference Of Arrival: TDOA)를 이용하는 방식이 있다.
TOA 방식은, 특정한 신호가 이동 단말기로부터 기지국으로 전파되어 간 시간을 기초로 계산한 이동 단말기와 기지국 사이의 거리를 이용한다. 즉, 위치예측 수단은, 세 개 이상의 기지국과 이동 단말기 사이의 각각의 거리를 반지름으로 하는 세 개의 원이 교차되는 점에 이동 단말기가 위치하고 있다고 가정한다.
TDOA 방식은 각 기지국별로 신호를 수신한 시간들의 차이가 일정한 점들의 집합, 즉 쌍곡선을 그리고, 세 개 이상의 쌍곡선이 만나는 점에 이동 단말기가 위치하고 있다고 가정하는 방식이다. 이 방식은 TOA 방법에 비하여 각 기지국들의 동기가 정확하게 일치하여야 한다는 부담이 있다.
상기된 바와 같이, 네트워크에서 이동 단말기의 위치를 예측하는 방법은, 이동 단말기가 전송하는 특정한 신호를 이용하여 이동 단말기의 위치를 예측한다. 그러나 실제 이동통신 환경에서는 다중경로 페이딩과 비가시선 효과로 인하여, 이동 단말기가 전송한 신호가 실제 거리보다 먼 거리를 통해서 전달되는 경우가 자주 발생된다.
또한 이동 단말기에서의 처리시간과 기지국에서의 처리시간 등의 요인으로 인하여, 세 개 이상의 원(또는 쌍곡선)은 정확하게 한 지점에서 만나지 않고 일정영역에서 겹쳐진다. 이러한 결과는 이동 단말기 위치추정 지역의 확대를 가져오게 된다. 이러한 경우 위치예측 수단은, 상기 이동 단말기 위치추정 지역 내에서 이동 단말기의 정확한 위치를 선택적으로 결정한다. 그러나 이동 단말기 위치추정 지역이 매우 넓다면, 위치예측 수단은 이동 단말기의 정확한 위치를 결정하는데 어려움을 겪게 된다. 즉, 이동 단말기의 정확한 위치를 예측하는데 오차가 발생될 확률이 커지게 된다.
즉, 상기된 바와 같이 동작하는 종래 기술에 의한 위치예측 방법은, 처리 지연과 다중경로 등의 요인으로 인하여 이동 단말기 위치추정 지역이 확대될 수 있기 때문에 이동 단말기의 추정지점을 결정하는데 있어서 매우 큰 오차가 발생될 수 있다는 문제점이 있었다.
따라서 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명의 목적은, 도착시간을 이용하여 이동 단말기의 위치추정 지역을 구한 다음, 도착각도(Angle Of Arrival: AOA)를 이용하여 이동 단말기의 위치를 예측할 수 있는 영역을 축소시킴으로써, 이동 단말기의 위치를 보다 정확하게 예측하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법 및 도착각도 결정 시스템을 제공하는 것이다.
도 1 은 통상적인 이동통신 네트워크의 구성도.
도 2 는 본 발명에 의한 이동 단말기 위치예측 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도.
도 3 은 TOA 삼각법에 의한 이상적인 위치예측 방법을 나타낸 도면.
도 4 는 TOA 삼각법에 의한 이동 단말기 위치추정 지역을 나타낸 도면.
도 5 는 본 발명에 의한 AOA 결정 시스템 구성의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 6 은 본 발명에 의한 AOA 결정 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도.
도 7 은 AOA 초기값을 계산하기 위한 도면.
도 8 은 이동 단말기 제 2 위치추정 지역을 구하기 위한 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 이동 단말기 21,22,23,24 : 기지국
30 : 기지국 제어기 40 : 위치추적 수단
50 : 이동 교환국 100 : 복조기
110,115 : 안테나 120 : 주파수 하강 변환기
130,135 : 저역 여파기 140 : 역확산기
150,155 : 아날로그/디지털 변환기 160 : 신호처리기
170 : 초기값 계산기 175 : AOA 추정기
180 : AOA 결정기
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명에 따른 AOA를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법의 실시예는, 적어도 3개 이상의 기지국과 채널을 연결할 수 있는 이동 단말기의 위치를 예측함에 있어서,
이동 단말기에 의한 3개 이상의 기지국의 도착시간(TOA)들을 이용하여 이동 단말기의 제 1 위치추정 지역을 구하는 단계(s100)와;
이동 단말기에 의한 3개 이상의 기지국의 도착각도(AOA)들을 이용하여 상기 제 1 위치추정 지역으로부터 축소된 제 2 위치추정 지역을 구하는 단계(s200); 및
상기 제 2 위치추정 지역 내에서 이동 단말기의 위치를 예측하는 단계(s300)를 포함한다.
본 발명에 따른 AOA를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법의 다른 실시예는, 일정한 이격거리()를 가지는 2개의 수신 안테나를 사용하여 이동 단말기 신호의 도착각도(AOA)를 구하는 방법에 있어서,
상기 2개의 수신 안테나를 통해 이동 단말기로부터 서로다른 지연시간과 위상을 가지는 2개의 무선 주파수 신호를 수신하는 단계(s210)와;
상기 2개의 무선 주파수 신호를 기저대역 신호로 복조하는 단계(s220);
상기 2개의 기저대역 신호를 디지털 값으로 변환하는 단계(s230);
상기 2개의 디지털 값에 대한 도착시간차이(TDOA)()와 위상차()를 계산하는 단계(s240);
상기 TDOA를 이용하여 AOA 초기값()을 계산하는 단계(s250):
상기 위상차를 이용하여 다수의 AOA 추정값()들을 계산하는 단계(s260); 및
상기 AOA 초기값과 다수의 AOA 추정값들을 이용하여 AOA 최종값()을 결정하는 단계(s270)를 포함한다.
본 발명에 따른 AOA를 이용한 이동 단말기의 도착각도 결정 시스템의 실시예는,
일정한 이격거리를 가지며 무선 주파수 신호를 각각 수신하는 2개의 수신 안테나(110)(115)와;
각 안테나에서 수신된 무선 주파수 신호를 기저대역 신호로 복조하는 복조기(100);
복조된 2개의 기저대역 신호를 디지털 값으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(150)(155);
2개의 디지털 값에 대한 도착시간차이(TDOA)와 위상차를 계산하는 신호처리기(160);
상기 TDOA를 이용하여 도착각도(AOA) 초기값을 계산하는 초기값 계산기(170);
상기 위상차를 이용하여 다수의 AOA 추정값들을 계산하는 AOA 추정기(175); 및
상기 다수의 AOA 추정값들 가운데 상기 AOA 초기값과 가장 근접하는 값을 AOA 최종값으로 결정하는 AOA 결정기(180)를 포함한다.
본 발명은 도착시간(Time Of Arrival: TOA)을 이용하여 이동 단말기의 위치추정 지역을 구한 다음, 도착각도(Angle Of Arrival: AOA)를 이용하여 상기 위치추정 지역 내에서 이동 단말기의 추정위치를 구한다.
위치예측 서비스(Location Service)를 요구하기 위하여, 위치예측을 필요로 하는 이동 단말기(예를 들어 긴급구조 차량 또는 화재진압 차량)가 기 설정된 트래픽 채널을 통해 특정한 형태의 신호(Power Up Function signal: PUF signal)를 적어도 3개의 기지국으로 전송하면, 각 기지국은 그 신호의 도착시간(TOA)을 통해 이동 단말기와 기지국간의 거리를 산출할 수 있다. 위치예측 수단은 상기 각 기지국과 이동 단말기간의 거리를 통해서 이동 단말기의 위치추정 지역을 구한다.
본 발명은, 공간적으로 일정한 이격거리를 가지는 2개의 안테나를 이용하여, AOA에 의한 이동 단말기의 추정위치를 구한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 설명한다.
도 2 는 본 발명에 의한 이동 단말기의 위치예측 방법을 나타낸 흐름도로서, 도시한 바와 같이, 적어도 3개의 기지국의 도착시간(TOA)들을 이용하여 이동 단말기의 제 1 위치추정 지역을 구하는 단계(s100)와, 상기 적어도 3개의 기지국의 도착각도(AOA)들을 이용하여 축소된 제 2 위치추정 지역을 구하는 단계(s200) 및 상기 제 2 위치추정 지역 내에서 이동 단말기의 위치를 예측하는 단계(s300)로 구성된 것으로서, 이의 작용 및 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
단계(s100)에서, 제 1 위치추정 지역을 구하기 위한 이동 단말기와 각 기지국간의 거리(도착시간)는 트래픽 채널을 통해 전송되는 특정한 형태의 RTD(Round Trip Delay) 메시지에 의하여 계산된다.
어느 한 기지국(제 1 기지국)이 위치를 알고자 하는 이동 단말기에게 RTD 메시지를 전송하면, 이동 단말기는 수신된 RTD 메시지를 그대로 되돌려 보낸다. 기지국은 RTD 메시지가 전송되었다가 돌아오는데 걸린 시간, 즉 RTD를 계산한다. 그러면 이동 단말기와 어느 한 기지국 사이의 도착시간(TOA) t1은 RTD/2가 된다.
이러한 방식으로 각 기지국의 도착시간 t1, t2, t3를 구하고, 구해진 도착시간들을 기초로 하여 각 기지국의 원을 그리면, 이상적인 경우, 도 3 에 나타낸 바와 같이 세 기지국(21)(22)(23)의 원들은 하나의 점에서 만나게 되며, 이 점은 이동 단말기의 위치로 추정되는 지점이다.
그러나 실제 환경에서는 RTD 메시지의 전송과 수신에 시간지연이 발생된다. 실제 환경에서 측정된 RTD는 이동 단말기와 기지국 사이의 지연시간에 이동 단말기의 처리지연과 기지국의 처리지연 및 다중 반사경로(Multiple Reflection Path)에 의한 전파지연(Propagation Delay)이 포함된다. 이러한 경우 각 기지국(21)(22)(23)의 도착시간은 t1', t2', t3'이 되며, 세 기지국(21)(22)(23)의 원은 도 4 에 나타낸 바와 같이 일정한 중첩지역을 생성하게 된다. 이 중첩지역이 이동 단말기의 위치추정 지역이다.
이동 단말기는 상기 위치추정 지역 내에 위치하고 있다고 판단될 수 있으며 위치추정 지역이 작을수록 이동 단말기의 정확한 위치를 추정할 수 있으므로, 본 발명은 AOA를 이용하여 위치추정 지역을 축소시킨다.
단계(s200)에서, 본 발명은, 일정한 이격거리를 가지는 2개의 안테나를 포함하는 도착각도(AOA) 결정 시스템을 사용하여, 이동 단말기 신호의 정확한 AOA(Precision AOA)를 결정한다. 이를 위하여 AOA 결정 시스템은 이동 단말기로부터 각각의 안테나를 통해 2개의 신호를 수신하고, 수신된 2개의 신호로부터 기하각(Geometric Angle)과 관계되는 위상차의 주기적인 성질로 인한 다의성(Ambiguities)을 제거한다.
AOA의 최종값의 결정에 있어서 다의성의 제거를 위하여, 본 발명에 의한 AOA 결정 시스템은 도착시간차이(Time Difference Of Arrival: TDOA) 방식을 혼용하여 사용한다.
도 5 는 본 발명에 의한 AOA 결정 시스템 구성의 일 실시예를 나타낸 도면으로서, 일정한 이격거리(D)를 가지며 코드분할 다중접속(Code Division Multiple) 기술에 의한 무선 주파수 신호(Radio Frequency signal: RF signal)를 각각 수신하는 2개의 수신 안테나(110)(105)와; 각 안테나에서 수신된 무선 주파수 신호를 하강변환하는 주파수 하강 변환기(Frequency Down Converter)(120); 하강 변환된 2개의 신호에서 대역외 신호를 제거하는 저역 여파기(Low Pass Filter: LPF)(130)(135); 여파된 2개의 신호를 역확산시키는 역확산기(Despreader)(140); 역확산된 2개의 신호를 디지털 값으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(Analog/Digital Converter)(150)(155); 2개의 디지털 값에 대한 위상차와 도착시간차이(TDOA)를 계산하는 신호처리기(TDOA-Phase Processing means)(160); 상기 TDOA를 이용하여 AOA 초기값을 계산하는 초기값 계산기(Coarse AOA Calculator) (170); 상기 위상차를 이용하여 다수의 AOA 추정값을 계산하는 AOA 추정기(Ambiguous AOA Estimator)(175); 및 상기 AOA 초기값과 다수의 AOA 추정값을 이용하여 AOA 최종값을 결정하는 AOA 결정기(Angle Ambiguity Resolver)(180)로 구성된 것으로, 이의 작용 및 효과에 대하여 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
본 명세서에서는 코드분할 다중접속(Code Division Multiple Access: CDMA) 기술을 사용하는 이동 단말기와 기지국의 동작예에 대하여 설명하기로 한다.
단계(s210)에서, 공간적으로 D의 이격거리를 가지는 2개의 수신 안테나(110) (115)는, 이동 단말기로부터, 미리 약속된 무선 주파수를 사용하는 트래픽 채널을 통해, CDMA 기술에 의한 무선 주파수 신호를 수신한다. 수신된 무선 주파수 신호는 단계(s220)에서 복조절차를 통해 기저대역의 신호로 변환된다.
두 안테나(110)(115)를 통해 수신된 무선 주파수 신호를 각각와,이라고 하면, 주파수 하강 변환기(120)는 상기 두 신호에를 혼합하여 반송파 성분를 제거한다. 저역 여파기(130)(135)는 반송파 성분이 제거된 두 신호에서 남아 있을지도 모르는 무선 주파수 성분을 완전히 제거한다.
코드분할 다중접속 기술은 협대역의 신호에 이동 단말기와 기지국간에 미리 약속된 특정한 형태의 코드 신호를 곱하여 광대역으로 확산시키기 때문에, 역확산기(140)는 저역 여파기(130)(135)의 출력신호에 상기를 곱하여 확산 신호를 역확산시킨다. 주파수 하강변환과 역확산을 통해 복조된 기저대역의 신호는 각각과이다.
단계(s230)에서, 아날로그/디지털 변환기(150)(155)는 상기 기저대역의 신호과를, 미리 약속된 샘플링 주파수에 의한 시간기준(Time Reference)을 사용하여 샘플링하고 양자화하여, 디지털 값으로 변환한다.
상기과의 샘플링된 디지털 값을 각각과라고 하면, 단계(s240)에서 신호처리기(160)는 상관(Correlation)을 통해 상기 두 디지털 값과의 TDOA()와 위상차()를 구한다. 이를 위하여,과에 대한 상관값(Correlation)을 계산하면 수학식 1과 같다.
은과의 최대 길이라고 하면, 상기 수학식 1에서은에서까지의 정수이고,는 샘플 개수이다.
상기 TDOA()를 구하기 위해서는, 샘플링 주파수가 필요하다. 수학식 1에서 최대 상관값(Correlation Peak)이 발생되는의 값을라고 정의하면,과사이의 시간지연는 수학식 2에 의해 구할 수 있다.
과사이의 위상차이는, 미리 약속된 적당한 길이의 샘플 포인트(sample points)를 선택하여 평균법을 수행함으로써, 구할 수 있다. 즉, 신호처리기(160)는 상기 측정된 시간지연에서 두 데이터의 평균 위상차를 도출한다. 샘플 포인트내의 샘플 개수가이고,가 두 신호과의 위상차이라고 하면,과사이의 평균 위상차이는 수학식 3에 의해 구할 수 있다.
단계(s250)에서, 초기값 계산기(170)는 상기 도착시간차이()를 이용하여 AOA 초기값(Coarse AOA)()을 계산한다. AOA 초기값을 구하기 위해서는, 두 안테나(110)(115)를 통해 수신된 신호들의 도착시간(TOA)과 두 안테나(110)(115) 사이의 공간적인 간격를 알아야 한다. TOA는 단계(s100)로부터 알 수 있다. 이하 도 7을 참조하여 본 발명에 의한 AOA 초기값 계산방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
이동 단말기와 두 안테나(110)(115) 사이의 TOA를 각각,라고 하면, 이동 단말기와 두 안테나(110)(115) 사이의 거리는 각각와이고, 두 안테나(110)(115) 사이의 거리는이므로, 이동 단말기와 두 안테나를 연결하는 삼각형으로부터 AOA 초기값을 구할 수 있다. 여기서는 빛의 속도이다.
상기 삼각형의 세 변의 길이는 이미 알려져 있으므로, 초기값 계산기(170)는 삼각형의 면적 구하는 공식과 헤론의 삼각형 면적 공식을 이용하여 수학식 4와 수학식 5와 같이 AOA 초기값()을 계산한다.
여기서는 헤론의 삼각 공식에 의하여이다.
단계(s260)에서, AOA 추정기(175)는 상기 단계(s240)에서 구해진 위상차()와 상기 무선 주파수 신호의 무선 주파수()를 이용하여 다수의 AOA 추정값()들을 계산한다. 구하고자 하는 추정값의 개수를이라고 하고, 무선 주파수()의 파장을라고 하면, AOA 추정값()들은 수학식 6에 의하여 구할 수 있다.
여기서는에 의하여 구해진다.
단계(s270)에서, AOA 결정기(180)는 상기 단계(s260)에서 구해진 다수의 AOA 추정값()들 가운데, 단계(s250)에서 구해진 AOA 초기값()에 가장 근접한 값을 AOA 최종값()으로 결정한다.
도 5 와 같은 AOA 결정 시스템을 사용하여 상기와 같은 단계(s210 내지 s270)를 수행함으로써, 각각의 기지국은 AOA 최종값을 얻을 수 있다. 제 1 내지 제 3 기지국이 각각 계산한 AOA 최종값을 제 1 내지 제 3 AOA라고 하면, 이 값들은 이동 단말기의 위치방향 추정 파라미터(Direction Finding Parameter)로서 사용된다.
위치예측 수단은, 도 8 에 나타낸 바와 같이, 제 1 AOA와 제 2 AOA 및 제 3 AOA 에 의한 방향을 나타내는 세 직선이 이루는 삼각형 지역과, 단계(s100)에서 구한 이동 단말기 제 1 위치추정 지역의 공통 부분을, 이동 단말기 제 2 위치추정 지역으로 선택한다.
단계(s300)에서 위치예측 수단은, 상기 제 2 이동 단말기 위치 추정 지역에서 이동 단말기의 위치를 예측함으로써, 이동 단말기 위치추정에 대한 오차를 줄인다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 도착시간(Time Of Arrival: TOA)을 이용하여 계산된 이동 단말기의 위치추정 지역을, 도착각도(Angle Of Arrival: AOA)를 이용하여 보다 축소시킴으로써, 보다 정확한 이동 단말기의 추정위치를 구할 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명은 종래의 이동통신 네트워크에 하드웨어적인 추가사항을 최소화함으로써, 이동 단말기의 위치를 예측하는데 필요한 비용을 감소시킨다.

Claims (25)

  1. 적어도 3개 이상의 기지국과 채널을 연결할 수 있는 이동 단말기의 위치를 예측함에 있어서,
    상기 각 기지국의 이동 단말기에 의한 도착시간(TOA)들을 이용하여 이동 단말기의 제 1 위치추정 지역을 구하는 단계와;
    상기 각 기지국의 이동 단말기에 의한 도착각도(AOA)들을 이용하여 상기 제 1 위치추정 지역으로부터 축소된 제 2 위치추정 지역을 구하는 단계; 및
    상기 제 2 위치추정 지역 내에서 이동 단말기의 위치를 예측하는 단계를 포함하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 위치추정 지역을 구하는 단계는,
    각각의 기지국이 이동 단말기로 특정한 형태의 RTD(Round Trip Delay) 메시지를 전송하는 단계와;
    이동 단말기가 상시 수신된 RTD 메시지를 각각의 기지국으로 돌려보내는 단계;
    상기 수신된 RTD 메시지의 도착시간으로부터 이동 단말기와 각 기지국 사이의 거리를 구하는 단계;
    각 기지국을 중심으로 하고 그 기지국과 이동 단말기 사이의 거리를 반지름으로 하는 원을 그리는 단계; 및
    각 기지국의 원이 중첩되는 영역을 이동 단말기의 제 1 위치추정 지역으로 선택하는 단계를 포함하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 위치추정 지역을 구하는 단계는,
    이동 단말기로부터 수신되는 특정한 형태의 신호를 이용하여, 각 기지국이 이동 단말기의 도착각도(Angle Of Arrival: AOA)를 구하는 단계와;
    각 기지국에서 이동 단말기의 도착각도의 방향을 나타내는 직선들이 이루는 지역과, 상기 제 1 위치추정 지역의 공통 부분을, 이동 단말기 제 2 위치추정 지역으로 선택하는 단계를 포함하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 이동 단말기의 AOA를 구하는 단계는,
    일정한 이격거리()를 가지는 2개의 수신 안테나를 사용하여 이동 단말기로부터 서로 다른 지연시간과 위상을 가지는 2개의 무선 주파수 신호를 수신하는 단계와;
    상기 2개의 무선 주파수 신호를 기저대역 신호로 복조하는 단계;
    상기 복조된 2개의 기저대역 신호를 디지털 값으로 각각 변환하는 단계;
    상기 2개의 디지털 값에 대한 도착시간차이(TDOA)()와 위상차()를 계산하는 단계;
    상기 TDOA를 이용하여 AOA 초기값()을 계산하는 단계:
    상기 위상차를 이용하여 다수의 AOA 추정값()들을 계산하는 단계; 및
    상기 AOA 초기값과 다수의 AOA 추정값들을 이용하여 AOA 최종값()을 결정하는 단계를 포함하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 복조하는 단계는,
    상기 무선 주파수 신호를 주파수 하강변환하는 단계와;
    상기 주파수 하강변환된 신호로부터 무선 주파수 성분을 제거하는 단계; 및
    상기 무선 주파수 성분이 제거된 신호를 역확산시키는 단계를 포함하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 TDOA()를 계산하는 단계는,
    상기 두 디지털 값을 각각,라고 하고,
    상기과의 최대 길이를이라고 하고,
    상기 두 디지털 값의 상관값을라고 하고,
    상기 상관값이 최대가 되는를라고 하고,
    상기 디지털 변환에 사용된 샘플링 주파수를라고 할 때,
    에 의하여 계산하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 위상차()를 계산하는 단계는,
    상기 두 디지털 값을 각각,라고 하고,
    과의 위상차이를라고 하고,
    미리 약속된 적당한 길이의 샘플 포인트 내의 샘플 개수를이라 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 위상차()를 계산하는 단계는,
    상기 두 디지털 값을 각각,라고 하고,
    과의 위상차이를라고 하고,
    미리 약속된 적당한 길이의 샘플 포인트 내의 샘플 개수를이라 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 AOA 초기값()을 계산하는 단계는,
    빛의 속도를라고 하고,
    상기 이동 단말기로부터 제 1 안테나까지의 거리를이라고 하고,
    상기 이동 단말기로부터 제 2 안테나까지의 거리를이라고 하고,
    를라고 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 AOA 초기값()을 계산하는 단계는,
    빛의 속도를라고 하고,
    상기 이동 단말기로부터 제 1 안테나까지의 거리를이라고 하고,
    상기 이동 단말기로부터 제 2 안테나까지의 거리를이라고 하고,
    를라고 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 다수의 AOA 추정값()들을 계산하는 단계는,
    구하고자 하는 추정값의 개수를이라고 하고,
    상기 무선 주파수 신호의 파장을라고 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 다수의 AOA 추정값()들을 계산하는 단계는,
    구하고자 하는 추정값의 개수를이라고 하고,
    상기 무선 주파수 신호의 파장을라고 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  13. 제 4 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 AOA 최종값()을 결정하는 단계는, 상기 다수의 AOA 추정값들 가운데, 상기 AOA 초기값에 가장 근접하는 값을 AOA 최종값으로 결정하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  14. 서로간에 일정한 이격거리()를 가지는 2개의 수신 안테나를 사용하여 이동 단말기 신호의 도착각도(AOA)를 구하는 방법에 있어서,
    상기 2개의 수신 안테나를 통해 이동 단말기로부터 서로다른 지연시간과 위상을 가지는 2개의 무선 주파수 신호를 수신하는 단계와;
    상기 2개의 무선 주파수 신호를 기저대역 신호로 복조하는 단계;
    상기 복조된 2개의 기저대역 신호를 디지털 값으로 각각 변환하는 단계;
    상기 2개의 디지털 값에 대한 도착시간차이(TDOA)()와 위상차()를 계산하는 단계;
    상기 TDOA를 이용하여 AOA 초기값()을 계산하는 단계:
    상기 위상차를 이용하여 다수의 AOA 추정값()들을 계산하는 단계; 및
    상기 AOA 초기값과 다수의 AOA 추정값들을 이용하여 AOA 최종값()을 결정하는 단계를 포함하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 복조하는 단계는,
    상기 무선 주파수 신호를 주파수 하강변환하는 단계와;
    상기 주파수 하강변환된 신호로부터 무선 주파수 성분을 제거하는 단계; 및
    상기 무선 주파수 성분이 제거된 신호를 역확산시키는 단계를 포함하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 TDOA()를 계산하는 단계는,
    상기 두 디지털 값을 각각,라고 하고,
    상기과의 최대 길이를이라고 하고,
    상기 두 디지털 값의 상관값을라고 하고,
    상기 상관값이 최대가 되는를라고 하고,
    상기 디지털 변환에 사용된 샘플링 주파수를라고 할 때,
    에 의하여 계산하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 위상차()를 계산하는 단계는,
    상기 두 디지털 값을 각각,라고 하고,
    과의 위상차이를라고 하고,
    미리 약속된 적당한 길이의 샘플 포인트 내의 샘플 개수를이라 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 위상차()를 계산하는 단계는,
    상기 두 디지털 값을 각각,라고 하고,
    과의 위상차이를라고 하고,
    미리 약속된 적당한 길이의 샘플 포인트 내의 샘플 개수를이라 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 AOA 초기값()을 계산하는 단계는,
    빛의 속도를라고 하고,
    상기 이동 단말기로부터 제 1 안테나까지의 거리를이라고 하고,
    상기 이동 단말기로부터 제 2 안테나까지의 거리를이라고 하고,
    를라고 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 AOA 초기값()을 계산하는 단계는,
    빛의 속도를라고 하고,
    상기 이동 단말기로부터 제 1 안테나까지의 거리를이라고 하고,
    상기 이동 단말기로부터 제 2 안테나까지의 거리를이라고 하고,
    를라고 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 다수의 AOA 추정값()들을 계산하는 단계는,
    구하고자 하는 추정값의 개수를이라고 하고,
    상기 무선 주파수 신호의 파장을라고 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 다수의 AOA 추정값()들을 계산하는 단계는,
    구하고자 하는 추정값의 개수를이라고 하고,
    상기 무선 주파수 신호의 파장을라고 할 때,
    에 의하여 계산되는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  23. 제 14 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 AOA 최종값()을 결정하는 단계는, 상기 다수의 AOA 추정값들 가운데, 상기 AOA 초기값에 가장 근접하는 값을 AOA 최종값으로 결정하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 방법.
  24. 서로간에 일정한 이격거리를 가지며 무선 주파수 신호를 각각 수신하는 2개의 안테나와;
    상기 각 안테나에서 수신된 2개의 무선 주파수 신호를 기저대역 신호로 복조하는 복조기;
    상기 복조된 2개의 기저대역 신호를 디지털 값으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기;
    상기 2개의 디지털 값에 대한 도착시간차이(TDOA)와 위상차를 계산하는 신호처리기;
    상기 TDOA를 이용하여 도착각도(AOA) 초기값을 계산하는 초기값 계산기;
    상기 위상차를 이용하여 다수의 AOA 추정값들을 계산하는 AOA 추정기; 및
    상기 다수의 AOA 추정값들 가운데 상기 AOA 초기값과 가장 근접하는 값을 AOA 최종값으로 결정하는 AOA 결정기를 포함하는, 이동 단말기의 위치예측을 위한 AOA 결정 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 복조기는,
    상기 2개의 무선 주파수 신호를 하강변환하는 주파수 하강 변환기와;
    하강 변환된 2개의 신호에서 대역외 신호를 제거하는 저역 여파기; 및
    여파된 2개의 신호를 역확산시키는 역확산기를 포함하는, 도착각도를 이용한 이동 단말기의 위치예측 시스템.
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