KR100480045B1 - 이동통신 단말기의 위치 추적 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신 단말기의 위치 추적 장치 및 방법에 관한 것으로, 셀룰러 방식에 의해 통신을 수행하는 이동통신 단말기의 위치를 추적함에 있어서, 셀룰러 방식에 의해 통신을 수행하는 이동통신 단말기의 위치를 추적함에 있어서, 단말기와 다수 기지국간의 송,수신 신호에 의해 도착시간 데이터 및 수신각도 데이터를 구하는 제1단계와; 상기 도착시간 데이터를 이용하여 각 기지국을 중심으로 소정 반경의 가상원을 설정하는 제2단계와; 상기 수신각도 데이터를 이용하여 단말기의 수신각도 방향으로 각각의 가상 라인을 형성하는 제3단계와; 상기 각 기지국을 중심으로 한 가상원과 가상의 라인이 교차하는 각 지점을 단말기의 추정위치로 가상 설정하는 제4단계와; 상기 각 추정위치들에 대한 평균 좌표값을 단말기의 최종 위치로 결정하는 제5단계로 이루어져 도심지역에서는 기지국 수에 비례하여 단말기의 위치추적 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

이동통신 단말기의 위치 추적 장치 및 방법{POSITION MONITORING APPARATUS AND METHOD FOR MOBILE COMMUNICATION DEVICE}

본 발명은 이동통신 단말기의 위치 추적 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 코드분할 다중접속(CDMA : Code Division Multiple Access) 기술을 이용한 셀룰러 네트워크에서 다수의 기지국으로부터 구한 도착시간(TOA : Time Of Arrival)과 수신각도(AOA : Angle Of Arrival) 데이터를 이용하여 단말기의 가상위치를 다수 추정하고, 그 다수 추정위치에 대한 좌표 평균값에 의해 최종위치를 결정하는 이동통신 단말기의 위치 추적 장치 및 방법에 관한 것이다.

무선 통신 시스템에서 이동체의 위치를 추적하는 방법에는 여러가지가 있다. 그 중에서 CDMA 셀룰러 시스템에 적용할 수 있는 방법도 여러 가지가 있는데, 이를 크게 단말기의 개조가 필요한 방법과 단말기의 개조가 필요없는 방법으로 구분할 수 있다.

먼저, 단말기의 개조가 필요한 방법 중에서 대표적인 것으로 GPS(Global Positioning System)를 이용하는 방법이 있는데, 이를 위해서는 가입자가 휴대하고 있는 단말기 내에 GPS 수신기가 장착되어 있어야 한다.

도1은 GPS 위성을 이용한 가입자의 위치추정 시스템을 나타내고 있다.

이에 도시된 바와 같이 만약, 가입자가 응급상황에 처해서 구조를 요청하기 위해 단말기의 특정 버튼을 눌러서 GPS 수신기(103)를 동작시키면, 단말기에 장착된 GPS 수신기는 최소한 세 개 이상(3차원 상의 위치를 구하고자 할 때는 네 개 이상)의 GPS 위성(101)으로부터 신호를 수신하여 단말기와 각 위성사이의 거리(R1, R2, R3, R4)를 계산하고, GPS 위성으로부터 수신한 추가적인 정보를 이용하여 단말기의 위치를 계산한다.

계산된 위치는 자동적으로 CDMA 셀룰러 망을 이용해서 가입자의 위치 정보를 필요로 하는 곳(응용서버)(105)으로 전송된다.

한편, 단말기의 개조가 필요없는 방법에도 여러 가지가 있는데, 그 중 많이 사용되는 방법이 도착시간(TOA)을 이용하는 방법, 수신각도(AOA)를 이용하는 방법, 도착시간차이(TDOA : Time Difference of Arrival)를 이용하는 방법 등이 있다.

먼저, 도착시간(TOA)을 이용하는 방법은 도2에 도시된 바와 같이, 단말기(202)에서 송신한 신호를 단말기 주변의 여러 기지국(201)에서 수신하고, 각 기지국에서는 수신된 신호의 도달시간을 측정하여 단말기와 기지국 사이의 거리(R1,R2,R3)를 구하고, 그 거리를 반지름으로 하는 가상의 원을 기지국을 중심으로 그린다.

이렇게 해서 구한 원들이 교차하는 지점을 단말기의 위치라고 추정하는 방법이다.

다음, 수신각도(AOA)를 이용하는 방법은 도3에 도시된 바와 같이, 단말기(302)에서 송신한 신호를 단말기 주변의 여러 기지국(301)에서 수신하고, 각 기지국에서는 수신된 신호의 수신방향을 측정하여 그 방향으로 가상의 선을 긋고, 그 선들이 교차하는 지점을 단말기의 위치라고 추정하는 방법이다.

다음, 도착시간차이(TDOA)를 이용하는 방법은 도4에 도시된 바와 같이, 단말기(402)에서 송신한 신호를 단말기 주변의 여러 기지국(401)에서 수신하고, 각 기지국에 수신된 신호의 도달시간 차이를 이용해서 쌍곡선을 그리고, 그 쌍곡선들이 교차하는 지점을 단말기의 위치라고 추정하는 방법이다.

그러나, 상기 GPS 시스템을 이용한 위치 추적 방법은 GPS 수신기를 추가로 부가해야 하기 때문에, 단말기 제작비용이 증가하고 단말기의 부피가 커지고 무거워질 뿐만 아니라, GPS 수신기도 단말기 배터리의 전력을 사용해야 되므로 단말기의 전력 소모가 커지게 되는 문제점이 있다.

또한, GPS 위성에서 송신하는 신호가 지구상의 단말기에 도달할 때는 아주 미약한 신호가 되기 때문에, 도심지역이나 실내 등 단말기와 GPS 위성 사이에 장애물이 있을 경우에는 GPS 신호의 수신이 어려워 성능이 떨어지는 문제점이 있다.

한편, 단말기의 개조가 필요없는 도착시간(TOA) 및 도착시간차이(TDOA)를 이용하는 방법은, 단말기 주변의 최소한 세 개 이상의 기지국을 이용해야 하고, 수신각도(AOA)를 이용하는 방법도 최소한 두 개 이상의 기지국을 이용해야 하는데, 가입자가 교외지역에 있을 경우 주변에 기지국이 두 개 또는 세 개 이상 있는 경우가 많지 않다.

따라서, 교외 지역에서는 대부분 가입자가 속해 있는 셀 내의 기지국만이 존재하고, 다른 기지국들은 아주 먼 거리에 위치해 있어서 단말기의 신호가 도달하기가 쉽지 않고, 도달한다고 하더라도 신호가 미약하고 에러가 많기 때문에 가입자의 위치 추적이 쉽지 않다.

이와 같이, 교외지역에서는 도착시간(TOA) 또는 수신각도(AOA)와 같은 한가지 방법만을 사용해서 가입자의 위치를 추정하기에는 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 도심지역에서 기지국 수에 비례하여 다수의 가상 추정위치에 대한 좌표 평균값으로 단말기의 위치를 결정함으로써, 단말기의 위치추적 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 이동통신 단말기의 위치 추적 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 셀룰러 방식에 의해 통신을 수행하는 이동통신 단말기의 위치를 추적함에 있어서, 각 기지국과 단말기간에 송,수신된 신호를 입력받아 처리하는 이동통신 교환국과; 상기 이동통신 교환국을 통해 수신된 신호의 도착시간에 의해 단말기와 기지국간의 거리를 계산하는 도착시간 계산부와; 상기 이동통신 교환국을 통해 수신된 신호에서 단말기의 수신방향을 계산하는 수신각도 계산부와; 상기 도착시간 계산부에서 구한 거리를 반경으로 하는 다수의 가상원에, 수신각도 계산부에서 구한 각도의 방향으로 다수의 가상 연장선을 그어, 그 교차되는 다수 지점의 좌표 평균값을 바탕으로 단말기의 위치를 결정하는 위치 결정부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도5는 본 발명에 의한 위치 추적 방법을 보인 순서도이다.

이에 도시한 바와 같이, 가입자가 응급상황에 처해서 구조를 요청하기 위해 단말기의 특정 버튼을 눌러 신호를 송신하면, 가입자가 위치해 있는 셀의 기지국을 비롯하여 주변의 기지국에서 그 신호를 수신한다(S11).

그리고, 그 신호들은 도7에 도시된 이동통신 교환국(701)을 통해 위치계산장치(702, 703)로 전달된다. 그러면, 도착시간 계산부(702)에서는 각 기지국에서 수신된 신호를 처리하여 단말기가 송신한 신호가 각 기지국에 도착한 시간을 계산한다(S12).

만약, 교외지역과 같이 셀의 반경이 커서 기지국과 기지국 사이의 거리가 상당히 먼 경우는, 가입자가 속해 있는 셀의 기지국에서 수신한 신호만을 처리해서 하나의 도착시간(TOA)를 구한다.

또, 각 기지국에 설치된 배열안테나 시스템(미도시)에서는 단말기 신호의 수신각도를 계산하여, 도7에 도시된 이동통신 교환국을 통해 수신각도 계산부(703)로 전달된다(S13).

만약, 교외지역과 같이 셀의 반경이 커서 기지국과 기지국 사이의 거리가 상당히 먼 경우는, 가입자가 속해 있는 셀의 기지국에 설치된 배열 안테나 시스템이 계산한 단말기 신호의 수신각도(AOA)만이 수신각도 계산부(703)로 전달된다.

그럼, 상기와 같이 구한 도착시간 데이터(toa_1, toa_2, ..., toa_N)와 수신각도 데이터(aoa_1, aoa_2, ..., aoa_N)를 이용하여 단말기의 위치를 결정하는 과정을 도6의 예시도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 1번 기지국(601)에 대한 도착시간과 수신각도(toa_1, aoa_1)을 이용하여, 1번 기지국을 중심으로 반경이 R1(toa_1*c, 여기서 c는 빛의 속도)인 가상의 원을 그리고, 수신각도(aoa_1) 방향으로 가상의 선을 긋는다.

이에 따라, 상기 1번 기지국(601)의 가상의 원과 가상의 선이 교차하는 지점을 단말기의 제1 추정위치 #1(x_1, y_1)로 설정하고(S14), 마찬가지 방식에 의해 각 기지국으로부터 구한 도착시간(TOA)과 수신각도(AOA)의 쌍을 이용하여, 각 기지국에 의한 추정위치 #N(x_N, y_N)를 설정한다.

본 실시예에서는 세 개의 기지국에 의해 세 개의 추정위치(#1, #2, #3)를 설정하게 된다.

이에 따라, 상기 각 추정위치(#1~#N)에 대한 x 좌표의 평균값((x_1 + x_2 + ... x_N)/N)과 y좌표의 평균값((y_1 + y_2 + ... + y_N)/N)을 구하여 그 평균 좌표값(X, Y)을 단말기의 최종위치로 결정하게 된다(S15).

도7은 본 발명에 의한 단말기 위치 추적 시스템의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 이동통신 교환국(701)은 각 기지국에서 수신된 신호를 입력받아, 다수의 기지국을 중심으로 도착시간 계산부(702)를 통해서 계산된 거리를 반경으로 하는 가상의 원을 구한다.

다음, 수신각도 계산부(703)를 통해서 계산된 단말기의 수신방향으로 가상의 선을 그어 상기 가상의 원과 교차되는 지점의 위치를 추정한다.

상기와 같이 복수의 가상위치(#1∼#N)가 추정되면, 위치 결정부(704)는 상기 가상위치의 x,y의 평균 좌표를 구하여 최종 위치를 결정하게 된다.

이와 같이 계산된 위치는 자동적으로 CDMA 셀룰러 망을 이용해서 가입자의 위치 정보를 필요로 하는 곳(응용서버)(705)으로 전송된다.

또한, 상기 실시예에서는 구체적인 설명을 생략하였지만 단말기의 위치를 추적하는 또 다른 방법으로는, 가입자가 단말기의 특정버튼을 눌렀을 때 신호가 일정한 시간 간격으로 순차적으로 여러 번 전송되게 하고, 그때 마다 단말기의 위치를 계산하여 그 추정위치(X_1, Y_1), (X_2, Y_2), .., (X_M, Y_M)의 평균좌표를 구하여 최종 위치를 결정하게 하는 것도 가능하며, 기본 데이터(거리, 방향데이터)가 보다 정확할 경우 본 발명에 의해 구하는 최종 추정위치는 기존의 추정위치에 비해서 더욱 정확한 위치를 추정할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 이동통신 단말기의 위치 추적 장치 및 방법은, 도심지역에서 기지국 수에 비례하여 다수의 가상 추정위치에 대한 좌표 평균값으로 단말기의 위치를 결정함으로써, 단말기의 위치추적 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래 GPS 위성을 이용한 가입자의 위치추정 시스템을 설명하기 위한 예 시도.

도 2는 종래 도착시간을 이용한 단말기의 위치 추적 방법을 설명하기 위한 예시도.

도 3은 종래 수신각도를 이용한 단말기의 위치 추적 방법을 설명하기 위한 예시도.

도 4는 종래 도착시간 차이를 이용한 단말기의 위치 추적 방법을 설명하기 위한 예시도.

도 5는 본 발명에 의한 단말기의 위치 추적 방법을 보인 순서도.

도 6은 상기 도5에 의한 위치 추적 과정을 보다 구체적으로 설명하기 위해 보인 예시도.

도 7은 발명에 의한 단말기 위치 추적 시스템의 구성을 보인 블록도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

701 : 이동통신 교환국 702 : 도착시간 계산부

703 : 수신각도 계산부 704 : 위치 결정부

705 : 응용서버

Claims (4)

1. 셀룰러 방식에 의해 통신을 수행하는 이동통신 단말기의 위치를 추적함에 있어서, 각 기지국과 단말기간에 송,수신된 신호를 입력받아 처리하는 이동통신 교환국과; 상기 이동통신 교환국을 통해 수신된 신호의 도착시간에 의해 단말기와 기지국간의 거리를 계산하는 도착시간 계산부와; 상기 이동통신 교환국을 통해 수신된 신호에서 단말기의 수신방향을 계산하는 수신각도 계산부와; 상기 도착시간 계산부에서 구한 거리를 반경으로 하는 다수의 가상원에, 수신각도 계산부에서 구한 각도의 방향으로 다수의 가상 연장선을 그어, 그 교차되는 다수 지점의 좌표 평균값을 바탕으로 단말기의 위치를 결정하는 위치 결정부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 위치 추적 장치.
2. 셀룰러 방식에 의해 통신을 수행하는 이동통신 단말기의 위치를 추적함에 있어서, 단말기와 다수 기지국간의 송,수신 신호에 의해 도착시간 데이터 및 수신각도 데이터를 구하는 제1단계와; 상기 도착시간 데이터를 이용하여 각 기지국을 중심으로 소정 반경의 가상원을 설정하는 제2단계와; 상기 수신각도 데이터를 이용하여 단말기의 수신각도 방향으로 각각의 가상 라인을 형성하는 제3단계와; 상기 각 기지국을 중심으로 한 가상원과 가상의 라인이 교차하는 각 지점을 단말기의 추정위치로 가상 설정하는 제4단계와; 상기 각 추정위치들에 대한 평균 좌표값을 단말기의 최종 위치로 결정하는 제5단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 위치 추적 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 가상 원의 반경은 도착시간 데이터에 전파속도(빛의 속도)를 곱하여 설정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 위치 추적 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 평균 좌표는 각 기지국에서의 추정위치((x_1,y_1), (x_2,y_2),...)에 대한 x 좌표의 평균값((x_1 + x_2 + ... x_N)/N)과, y 좌표의 평균값((y_1 + y_2 + ... + y_N)/N)에 의해 설정하는 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기의 위치 추적 방법.