KR101051876B1 - 위치확인 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위치확인 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 위치확인 장치는 무선통신시스템을 이용하는 위치확인 장치에 있어서, 펄스(pulse)신호가 포함된 심볼에서 펄스신호를 샘플링하여 누적하는 누적부, 심볼의 시작시점을 판단하는 더블-슬라이딩 윈도우(Double-Sliding Window), 누적부가 펄스신호를 샘플링하여 누적하도록 동기 신호를 발생하는 동기 제어부, 누적된 펄스신호의 크기를 기 설정된 한계값과 비교하여 한계값 이상의 신호가 발생한 시점을 판단하고, 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 판단된 신호의 시작시점을 보정하는 시간편이 계산부 및 시간편이 계산부로부터 보정된 신호의 시작시점을 기초로 위치를 연산하는 위치 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 위치확인의 정확도가 향상되고, 별도의 기지국을 설치할 필요없이 위치확인이 가능하다.
Figure R1020070015006
무선통신시스템, 더블-슬라이딩 윈도우(Double-Sliding Window), 위치확인, 초광대역(UWB; Ultra Wide Band)

Description

위치확인 장치 및 그 방법{POSITIONING DEVICE AND METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치확인 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 펄스신호의 누적을 위한 동기 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 펄스 발생부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 펄스 신호를 누적하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5은 본 발명에 따른 연속되는 신호를 샘플하여 누적하는 과정을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 6는 본 발명에 따른 OFDM(Orthogonal frequency division multiplexing) 심볼에 펄스신호가 포함되는 실시예를 도시한 것이다.
도 7는 본 발명에 따른 위치확인 방법을 도시한 순서도를 도시한 것이다.
도 8a 및 8b는 본 발명에 따른 밀도함수 파라미터와 거리정보를 판단하는 기준을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 위치확인 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
종래에는 위치를 찾기 위한 방법으로 위성 위치 확인 시스템(Global Positioning System, GPS) 또는 협대역(narrow band) 채널을 이용하였다.
협대역 채널을 이용하는 경우 위치확인을 위한 측정신호의 도착시간(Time of Arrival, ToA)또는 측정신호의 도착시간차(Time Difference of Arrival, TDoA)를 이용하여 위치를 추정한다.
도착시간(ToA)를 이용하는 방식은 그 위치를 파악하고자 하는 목적물로부터 기지국으로 측정신호를 송신하고 이를 기지국에서 수신하여 목적물과 기지국 사이에 측정신호의 전달 시간을 측정하여 거리를 추정하는 방식이다. 즉, 복수개의 기지국에서 측정한 복수의 측정값으로부터 각 기지국을 중심으로 한 원들이 생기게 되고 목적물은 이 원들의 교점에 놓이게 되므로 그 위치를 파악할 수 있다.
반면에, 도착시간차(TDoA)를 이용한 방식은 서로 다른 곳에서 송신한 측정신호의 도달시간차를 이용하여 위치를 결정한다. 즉, 두 기지국에서 목적물까지 거리의 차에 비례하는 신호 도달 시간차가 측정되고, 두 기지국에서 거리 차가 일정한 곳, 즉, 두 기지국을 초점으로 하는 쌍곡선 위에 목적물이 위치하게 되므로 그 위치를 파악할 수 있다.
이러한 방식은 수신된 측정신호의 도착시간에 관련된 타이밍 정보(timing information)에 기초하여 목적물의 거리와 위치를 추정하기 때문에 목적물의 위치확인(positioning)을 위해서는, 먼저 측정신호의 도착시간을 정확히 알아내야 한다. 측정신호를 송신하는 송신기와 그 신호를 수신하는 수신기 사이의 직선 경로에 장애물이 존재하지 않는 경우에는 측정신호의 도착시간에 관련된 타이밍 정보(timing information)를 정확히 알아내는 것이 비교적 용이하므로 종래의 협대역 신호를 이용할 수 있다. 그러나, 송신기와 수신기 사이의 직선 경로에 장애물이 존재하는 환경(shadowed environment)이나 실내환경과 같이 복잡한 다중 경로가 존재하는 환경에서는 직선 경로 신호의 검출이 매우 어려우므로 협대역 주파수를 이용한 위치 인식이 불가능하거나 그 정확도가 현저히 떨어지게 문제점이 있다. 이렇게 선 경로 신호를 검출하는 것이 어려운 것은 측정에 사용되는 신호의 시간 해상도(time resolution)에 한계가 있기 때문이다. 시간 해상도(time resolution)란 측정신호를 수신하는 수신기에서 서로 다른 차등 경로 길이(differential path length)를 갖는 다중 경로 신호들을 구분해낼 수 있는 정도를 의미하며 일반적으로 신호의 대역폭에 반비례한다.
한편, 홈 네트워크(Home Network) 및 개인영역네트워크(Personal Area Network: PAN) 등의 등장으로 실내 위치인식의 중요성이 부각되고 있는 시점에서 실내 위치인식은 새로운 시장성 아이템으로 떠오르고 있습니다. 종래의 위치인식 서비스를 실내에 적용한다면 기지국을 설치하여야 하지만, 실내라는 좁은 면적에서 위치인식 서비스를 하기 위해 실내에 별도의 기지국을 설치해야 것은 비용적으로 큰 문제가 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 위치확인의 정확도가 향상된 위치확인 장치와 그 방법을 제공한다.
또한 본 발명에서는 송신기와 수신기 사이의 직선 경로에 장애물이 존재하는 환경(shadowed environment)이나 실내환경과 같이 복잡한 다중 경로가 존재하는 환경에서 직선 경로 신호의 검출이 용이한 위치확인 장치와 그 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 실내 위치인식에 있어서 별도의 기지국의 설치없이 실내라는 좁은 면적에서 위치인식 서비스를 할 수 있는 위치확인 장치와 그 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위치확인 장치는 무선통신시스템을 이용하는 위치확인 장치에 있어서, 펄스(pulse)신호가 포함된 심볼에서 상기 펄스신호를 샘플링하여 누적하는 누적부, 상기 심볼의 시작시점을 판단하는 더블-슬라이딩 윈도우(Double-Sliding Window), 상기 누적부가 상기 펄스신호를 샘플링하여 누적하도록 동기 신호를 발생하는 동기 제어부, 상기 누적된 펄스신호의 크기를 기 설정된 한계값과 비교하여 상기 한계값 이상의 신호가 발생한 시점을 판단하고, 상기 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 판단된 상기 심볼의 시작시점을 보정하는 시간편이 계산부 및 상기 시간편이 계산부로부터 상기 보정된 심볼의 시작시점을 기초로 위치를 연산하는 위치 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 무선통신시스템은 초광대역(UWB; Ultra Wide Band) 무선 랜 네트워크를 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 위치확인 장치는, 상기 펄스신호가 포함된 심볼을 송신하기 위한 송신부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 송신부는, 상기 펄스신호를 발생시키는 펄스 발생부, OFDM 심볼을 발생시키는 OFDM 심볼 발생부 및 상기 펄스신호와 상기 OFDM 심볼을 기 설정된 순서에 따라 출력시키는 다중화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기 설정된 순서는 상기 펄스신호와 상기 OFDM 심볼이 교번적인 순서인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 위치 연산부는, 상기 시간편이 계산부로부터 상기 보정된 신호의 시작시점을 기초로 거리를 계산하는 거리 계산부 및 상기 누적부에 저장된 상기 펄스신호의 MSE(Mean Square Error)가 최소가 되는 밀도 함수 파라미터를 찾는 밀도 함수 파라미터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예는 무선통신시스템을 이용하는 위치확인 장치를 포함한 단말기에 있어서, 펄스(pulse)신호가 포함된 심볼에서 상기 펄스신호를 샘플링하여 누적하는 누적부, 상기 심볼의 시작시점을 판단하는 더블-슬라이딩 윈도우(Double-Sliding Window), 상기 누적부가 상기 펄스신호를 샘플링하여 누적하도록 동기 신호를 발생하는 동기 제어부, 상기 누적된 펄스신호의 크기를 기 설정된 한계값과 비교하여 상기 한계값 이상의 상기 누적된 펄스신호가 발생한 시점을 판단하고, 상기 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 판단된 상기 심볼의 시작시점을 보정하는 시간편이 계산부 및 상기 시간편이 계산부로부터 상기 보정된 신호의 시작시점을 기초로 위치를 연산하는 위치 연산부를 포함하는 위치확인 장치를 포함하는 이동통신 단말기이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 무선통신시스템을 이용하는 위치확인 방법에 있어서, 신호를 단말에 송신하는 송신단계, 상기 단말이 재송신한 펄스신호가 포함된 심볼을 수신하여 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 상기 심볼의 시작시점을 획득하는 심볼 시작지점 획득단계, 상기 펄스신호를 상기 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 획득한 상기 심볼의 시작지점에 대한 시간동기 정보에 따라 샘플링하여 누적하는 펄스 신호 누적단계, 상기 누적된 펄스신호의 크기를 기 설정된 한계값과 비교하여 시간편이를 계산하는 시간편이 계산단계, 상기 시간편이에 기초하여 상기 심볼의 시작시점을 보정하는 단계 및 상기 보정된 심볼의 시작시점을 기초로 거리를 계산하는 거리 계산단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 무선통신시스템은 초광대역(UWB; Ultra Wide Band) 무선 랜 네트워크를 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 펄스신호가 포함된 심볼은 OFDM 심볼과 상기 펄스신호가 교번되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 누적된 펄스신호로 MSE(Meas-Square-Error)가 최소가 되는 밀도 함수 파라미터를 획득하는 파라미터단계 및 상기 송신단계로부터 상기 밀도함수 파라미터 획득단계들을 반복하여 얻은 2개 이상의 상기 밀도 함수 파라미터 중 최소인 값을 갖는 상기 펄스신호로 위치를 계산하는 위치 계산단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명에 따른 무선통신시스템을 이용하는 제1 위치확인 장치와 제2 위치확인 장치를 포함하는 시스템을 예로 들어 설명한다. 제1 위치확인 장치와 제2 위치확인 장치는 동일한 장치이다.
제1 위치확인 장치가 제2 위치확인 장치에 신호를 송신과 동시에 타이머를 시작한다. 제2 위치확인 장치는 신호를 수신하면, 수신된 신호가 도달함과 동시에 제1 위치확인 장치에 신호를 송신한다. 제1 위치확인 장치는 제2 위치확인 장치가 송신한 신호를 인식함과 동시에 타이머를 중지한다. 따라서, 제1 위치측정 장치가 측정한 타이머의 시간을 둘로 나누어주면 신호가 한번 이동한 시간이 나오고, 이 시간에 빛의 속도를 곱해주면 거리정보로 변환된다.
위치확인의 정확도를 판가름하는 것은 제2 위치확인 장치가 신호를 수신함과 동시에 정확하게 제1 위치확인 장치에 신호를 송신하는 시점과 제1 위치확인 장치가 제2 위치확인 장치로부터 신호를 수신함과 동시에 정확하게 타이머를 중지하는 시점을 판단하는 것이다.
일반적으로 데이터 수신하기 전에 신호의 존재를 판별하기 위해 더블-슬라이딩 윈도우(Double-Sliding Window)를 사용한다. 더블-슬라이딩 윈도우는 2개의 동일한 길이의 버퍼를 포함하며, 먼저 누적한 신호의 에너지와 나중에 누적한 신호의 에너지를 비교하여, 두 신호의 에너지가 갑자기 변화하는 시점을 신호의 시작시점으로 판단한다. 두 신호의 에너지의 연산 방법에 따라 다르지만, 만약 신호가 끝났다면, 두 신호의 에너지의 차는 갑자기 작아지고, 만약 신호가 시작된다면, 두 신호의 에너지의 차는 갑자기 커진다. 버퍼의 길이만큼 지연되었으므로, 두 신호의 에너지의 차가 정점에 이르는 지점에서 버퍼길이만큼 빼주면 신호의 시작시점을 구할 수 있다.
제2 위치확인 장치는 제1 위치확인 장치에서 송신한 신호를 더블-슬라이딩 윈도우의 방법으로 시작시점을 구한다. 제1 위치확인 장치는 더블-슬라이딩 윈도우 를 사용하여 제2 위치확인 장치가 송신한 신호의 시작시점을 구하고, 수신 데이터의 근원지가 제2 위치확인 장치라는 것을 검출하면 타이머를 멈춘다.
그러나, 이러한 더블-슬라이딩 윈도우방법을 사용하여 신호 시작시점을 산출하는 방식은 신호가 미약하거나, 잡음이 많은 신호에서는 신호에너지의 차가 잡음의 양만큼 작아지므로, 잡음보다 강한 신호의 위치는 알아낼 수 있으나, 잡음보다 작은 신호의 위치를 알 수 없다. 이하에서는 보다 정확한 위치를 검출하기 위한 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치확인 장치를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선통신시스템을 이용하는 위치확인 장치(100)는 누적부(101), 시간편이(shift) 계산부(102), 더블 슬라이딩 윈도우(103), 동기 제어부(104) 및 위치연산부(105)를 포함한다.
누적부(101)는 펄스신호가 포함된 심볼에서 펄스신호를 샘플링하여 누적한다. 잡음은 주기적으로 한 시점에서 샘플을 취하여 누적하게 되면, 결국은 "0"으로 수렴하는 특징이 있다. 따라서, 주기를 갖는 신호를 같은 주기 시점에서 신호 자체를 샘플링하여 누적하면, 결과적인 샘플은 잡음이 줄어든 샘플만 남는다. 이렇게 펄스신호를 누적함으로써 잡음이 감소한 펄스신호의 획득이 가능하여 보다 정확한 위치확인이 가능하다.
더블-슬라이딩 윈도우(Double-Sliding Window;103)는 심볼의 시작시점을 판단하고, 동기 제어부(104)는 누적부(101)가 펄스신호를 샘플링하여 누적할 수 있도 록 샘플링 동기 신호를 제공한다.
시간편이 계산부(102)는 누적부(101)에 의한 심볼의 시작시점을 기초로 더블-슬라이딩 윈도우(103)로부터 얻은 심볼의 시작시점을 보정한다. 시간편이는 더블-슬라이딩 윈도우(103)로부터 얻은 심볼의 시작시점과 누적부(101)가 펄스신호의 누적에 의해 얻은 심볼의 시작시점의 차로 할 수 있다. 시간편이 계산부(102)는 누적된 펄스신호의 크기를 기 설정된 한계값과 비교하여 한계값 이상이 발생한 시점을 판단한다. 한계값보다 큰 크기의 누적된 펄스신호를 이용하여 더블-슬라이딩 윈도우(103)로부터 얻은 심볼의 시작지점을 보정한다. 이렇게 함으로써 신호에 잡음이 적게 포함되어 종래의 더블-슬라이딩 윈도우만을 사용하는 방법보다 더 정확한 신호의 시작 시점을 구할 수 있다
위치연산부(105)는 시간 편이 계산부(102)에 의해 보정된 심볼의 시작시점으로 위치를 연산한다. 위치연산부(105)는 거리계산부(106)와 밀도 함수 파라미터부(107)를 더 포함할 수 있다. 위치연산부(105)는 더블-슬라이딩 윈도우(103)으로부터 얻은 심볼의 시작지점에서 시간편이가 제거되었기 때문에 보다 정확한 심볼의 시작시점으로 위치를 연산할 수 있다. 전술한 예에 따르면, 거리계산부(106)는 제1 위치측정 장치가 제2 위치측정 장치에 신호를 보낸 시점부터 제2 위치측정 장치가 송신한 신호를 제1 위치측정 장치가 수신하는 시점까지의 시간을 둘로 나눈 후에 이를 빛의 속도로 곱하면 위치(거리)를 연산할 수 있다. 밀도 함수 파라미터부(107)는 누적부(101)에 저장된 펄스신호를 채널임펄스 응답으로 간주하고, 파라미터를 0에서부터 증가시켜 생성한 밀도함수에서 펄스신호를 빼주어 MSE(Mean Square Error)를 구하고, MSE가 최소가 되는 밀도 함수 파라미터를 구한다. 다수의 펄스신호 중에서 밀도 함수 파라미터값이 작은 펄스신호에 우선순위를 두어 위치확인을 위한 정보로 이용한다.
본 발명에서의 무선통신시스템은 초광대역(UWB; Ultra Wide Band) 무선 랜 네트워크를 사용하는 것이 바람직하다. 초광대역(Ultra Wide Band, UWB) 통신 시스템에서 사용하는 신호에서 펄스신호의 폭은 일반적으로 1ns 이하로서, 폭이 매우 좁은 펄스신호이다. 초광대역 통신 시스템에서 신호의 대역폭은 매우 넓기 때문에 다중 경로 환경에서의 위치 인식 또는 거리 측정 시스템에서의 응용이 가능하며, 수십 cm 또는 수 cm의 오차 이내로 위치를 측정할 수 있다. 또한 무선 랜 (Wireless Local Area Network: WLAN)을 사용하기 때문에 실내에서 별도의 기지국을 설치하지 않아도 위치확인이 가능하다.
현재 초광대역은 국내의 경우, 3.1~4.8GHz와 7.3~10.6GHz로 설정되어 있고, 대역당 528MHz를 차지한다. 이러한 대역 안에서 FHSS(frequency hop spread spectrum)방식으로 주파수를 선택적으로 교체하면서 여러 대역을 번갈아 사용하면서 전송한다. 따라서, 사용되지 않는 주파수가 존재할 수 있으며, 사용되지 않는 대역 채널을 통해서 데이터 통신을 실행한다. 무선랜에서는 사용되지 않는 대역 채널이 많이 존재할수록, 그 만큼의 많은 새로운 장치가 대역 채널에서 통신에 참여할 수 있다.
본 발명에 따른 위치확인 장치는 송신부(110)를 더 포함할 수 있다. 송신부(110)는 신호에 펄스신호를 포함시켜 송출한다. 송신부(110)는 펄스 발생 부(111), OFDM 심볼 발생부(112) 및 다중화부(113)를 포함한다.
펄스 발생부(111)는 펄스신호를 발생시키고, OFDM(Orthogonal frequency division multiplexing) 심볼 발생부(112)는 OFDM 심볼을 발생한다. OFDM 심볼 발생부(112)는 FEC(forward error correction) 또는 IFFT(inverse fast fourier transform) 등을 처리하는 블록을 포함할 수 있다.
데이터가 OFDM의 심볼인 경우, 펄스신호를 원하는 지점에 "0"이 아닌 값을 입력해주면 임펄스신호 트레인과 동일한 신호를 만들 수 있다. 종래의 무선랜에서는 연속적인 OFDM심볼만 전송하였으나, 본 발명에서는 위치인식의 정확도를 개선시키기 위해 OFDM의 데이터 심볼의 사이에 펄스신호를 포함시킨다.
다중화부는(113)는 펄스신호 발생부(111)의 펄스신호와 OFDM 심볼 발생부(112)에서 발생된 심볼을 다중화한다. 다중화부(112)에 의해 심볼과 펄스신호가 설정된 순서에 따라 송출된다. 펄스신호는 심볼에 주기적으로 포함되며, 펄스신호가 포함된 신호는 심볼과 펄스신호가 교번되며 포함될 수 있다. 심볼과 펄스신호를 하나씩 보낼 수 있고, 두 개씩 보낼 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 위치 확인 장치에서 펄스신호를 누적하는 과정을 설명하기 위한 것이다. 도 1과 도 2를 참조하여 설명한다.
A에서는 더블-슬라이딩 윈도우(103)에서 심볼의 시작시점을 판단한다. 여기서는 심볼의 시작지점을 대략적으로 판단하고, 더블-슬라이딩 윈도우(103)에 의해 판단된 대략적인 심볼의 시작지점은 후에 보정된다. B에서는 누적부(101)에서 펄스 신호를 샘플링하여 저장한 후 누적할 수 있도록 동기 제어부(104)가 동기 신호를 생성한다. C에서는 동기 제어부(104)의 동기 신호에 따라 누적부(101)가 펄스신호를 누적한다. 이렇게 함으로써, 누적부(101)는 펄스신호를 정확하게 샘플링하여 누적할 수 있다.
도 3a 및 3b는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 펄스 발생부(111)를 자세히 설명하기 위한 도면이다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 펄스 발생부(111)는 샘플 카운터(111a)과 비교부(111b)를 포함할 수 있다. 심볼 카운터(301)는 심볼을 카운트하고, 동기 제어블록(302)은 심볼 카운터(301)에 따라 동기 신호를 발생시킨다. 샘플 카운터(111a)에서 발생하는 신호는 도 3a에 도시된 샘플 카운트 신호이다. 비교부(111b)는 샘플 카운터(111a)에서의 신호와 동기 제어블록(302)의 인덱스 값을 비교한다. 두 값이 같으면, 펄스신호를 발생시킨다. 즉, 펄스는 샘플카운트의 값과 인덱스의 값을 비교하여 같은 지점에서 "1"로 하고, 나머지는 "0"으로 한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 인덱스 값이 M인 경우 샘플 카운트의 신호값이 M일 때 펄스신호가 발생되도록 한다.
샘플을 누적하여 잡음을 0으로 수렴시키는 것은 도 4 및 도 5을 참조하여 설명한다. 도 4는 펄스신호를 샘플하여 누적하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 5은 연속되는 펄스신호를 샘플하여 누적하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 4개의 펄스신호(Dump1 내지 Dump4)를 누적하여 평균샘플을 구한다. 샘플된 4개의 펄스신호(Dump1 내지 Dump4)에 포함된 잡음이 누적되어 0으로 수렴하게 된다. 이 과정은 도 1의 누적부(101)에서 펄스신호를 샘플링하여 저장하고 누적하게 된다. 여기서 D가 펄스신호(Dump1 내지 Dump4)에 포함된 잡음을 나타내고 D’가 누적 후에 잡음을 나타낸다. 도시된 바와 같이 누적 후에 잡음이 현저하게 감소됨을 확인할 수 있다.
도 5를 참조하면, 도 5는 OFDM(Orthogonal frequency division multiplexing) 심볼과 펄스신호가 주기적으로 포함된 신호가 입력되는 경우 펄스신호가 누적되는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 제1 펄스신호(Dump1)부터 제4 펄스신호(Dump4)가 순차적으로 누적된다. 펄스신호는 OFDM 심볼에 교번적으로 포함된다. 펄스신호가 누적되는 과정을 통해 잡음이 "0"으로 수렴된다. 메모리(memory)에 펄스신호가 저장되고, 궤환에 의한 합산을 통해 순차적으로 입력되는 펄스신호들은 저장되고, 누적된다.
도 6은 OFDM 심볼에 펄스신호가 포함되는 실시예를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, i)는 OFDM 심볼과 펄스신호가 1개씩 교번하여 포함된 신호이고, ii)는 OFDM 심볼과 펄스신호를 2개씩 교번하여 포함된 신호이며, iii)은 OFDM 심볼 2개와 한번 쉬고 펄스신호를 1개씩 교번하여 포함된 신호이다. 이렇게 펄스신호를 주기적으로 보냄으로써 펄스신호를 누적할 수 있게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이동통신 단말기는 전술한 무선통신시스템을 이용하는 위치확인 장치를 포함한다. 이동통신 단말기는 휴대폰, PDA 등과 같이 무 선통신시스템을 사용할 수 있는 단말기이다. 이렇게 함으로써 별도의 기지국없이 이동통신 단말기만으로 위치확인이 가능하다.
도 7은 본 발명에 따른 위치확인 방법을 도시한 순서도로 이를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
위치확인 장치를 포함한 단말기는 신호를 타단말기에 송신한다(S801). 이때 거리계산을 위한 타이머를 시작한다. 타단말기는 신호를 수신하자마자 위치확인장치에 펄스신호가 포함된 신호를 송신한다.
위치확인 장치는 타단말기가 재송신한 펄스신호가 포함된 신호를 수신하여 더블-슬라이딩 윈도우로 신호의 시작시점을 획득한다(S802). 위치확인 장치는 타단말기가 재송신한 펄스신호가 포함된 신호가 수신되는 시점에서 타이머를 중지한다. 종래에는 타이머를 시작하여 중지할 때까지를 타이머로 측정하여 이를 둘로 나누고 빛의 속도를 곱하여 거리를 측정하였으나, 이는 정확한 신호의 시작지점에 의한 타이머시간이 아니므로 결국 정확한 거리측정을 할 수 없었다. 그러나 본 발명에 따른 위치확인 방법은 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 획득된 신호의 시작시점이 후술하는 과정에 의해 정확한 시작시점으로 보정된다.
위치확인 장치에서는 펄스신호를 샘플링하여 누적하며 저장한다(S803). 펄스신호를 누적하기 위해 펄스신호를 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 획득한 심볼의 시작지점에 대한 시간동기 정보에 따라 샘플링한다. 펄스신호가 누적됨에 따라 잡음은 0으로 수렴한다.
누적된 펄스신호를 기 설정된 한계값과 비교하여 시간편이를 연산한다(S804). 시간편이는 더블-슬라이딩 윈도우로부터 얻은 심볼의 시작시점과 펄스신호의 누적에 의해 얻은 심볼의 시작시점의 차로 할 수 있다.
시간편이에 기초하여 심볼의 시작시점을 보정한다(S805). 타이머로 측정한 값은 더블 슬라이딩 윈도우를 기초로 측정된 시점이므로 오차가 포함되어 있다. 따라서, 이러한 오차에 따른 시간편이를 누적된 펄스신호를 이용하여 연산하고, 이를 이용하여 타이머로 측정한 값을 보정한다. 이렇게 함으로써 종래의 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 시작시점을 검출하는 것보다 정확하게 시작시점을 검출할 수 있게 된다.
보정된 시작시점을 기초로 거리를 계산한다(S806). 거리의 계산은 보정된 시작시점에 따른 신호의 송신과 수신의 시간을 둘로 나눈 후, 빛의 속도를 곱하여 계산할 수 있다.
누적한 펄스신호로 MSE(Mean Square Error)가 최소가 되는 밀도 함수 파라미터를 획득하고(S807), 상기의 단계들을 반복하여 얻은 2개 이상의 밀도 함수 파라미터 중 최소인 값을 갖는 상기 펄스신호로 위치를 계산한다(S808). 상기 단계들의 반복은 동일 단말기와의 상기 단계들의 반복이 아니라 또 다른 위치의 단말기와의 반복임은 물론이다.
본 발명에서 펄스신호를 채택한 것은 펄스신호를 통해 시간 축에 대한 채널 정보를 얻을 수 있기 때문이다. 이러한 채널 정보는 위치인식을 위한 거리정보들 중 편이(offset)가 적은 것을 선택할 수 있다는 장점이 있다. 장애물을 통과한 신호와 그렇지 않은 신호의 채널을 비교해보면 장애물을 통과한 신호의 경우, Ray-leigh 채널 성향을 가지고 있고, 장애물을 많이 통과할수록, 채널이 많이 펼쳐진 형태로 나타나게 된다. 장애물이 없는 신호의 경우, 신호가 군집되어 있는 것처럼 보인다. 따라서, 신호가 많이 군집되어 있다면, 신호가 장애물을 통과하지 않았고, 편이가 없는 신호이다. 신호가 많이 군집되어 있는 신호를 우선순위로 하여 거리를 계산하면, 보다 정확한 위치확인이 가능하다.
또한, 장애물을 통과한 경우, 밀도함수의 파라미터가 큰 값에서 최소 MSE(Meas-Square-Error)를 가지며, 장애물이 없는 경우는 밀도함수 파라미터가 작은 값에서 최소 MSE를 가진다. 따라서, 밀도함수 파라미터가 작은 값을 가지는 거리정보를 우선순위에 두면 더 정확한 위치정보를 구할 수 있다. 한편, 복수의 누적된 신호에 의해 계산된 거리 중 짧은 거리가 장애물을 통과하지 않은 직선거리일 가능성이 높으므로 이를 이용하여 더욱 정확한 위치정보를 구할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 누적된 신호의 밀도함수 파라미터가 최소가 되는 펄스신호 또는 계산된 거리 중 가장 작은 거리를 산출하는 신호를 선택하는 것이 바람직하다.
도 8a 및 8b는 밀도함수 파라미터와 거리정보를 설명하기 위하여 도시한 것이다.
도 8a를 참조하면, 노드 1 내지 3으로 부터 신호를 송/수신한다. 도 8b를 참조하면, 노드 1 내지 3에서의 다수의 밀도함수 파라미터와 거리정보들 중에서 가장 적합한 밀도함수 파라미티와 거리정보를 선택하는 우선순위를 확인할 수 있다.
밀도함수 파라미터의 경우 노드 1 내지 3 중에서 노드 2가 가장 최소가 된다. 노드 2에서 가장 밀도가 높음을 확인할 수 있다. 따라서, 위치계산시에 노드 2에서 수신된 신호를 기준으로 계산한다.
거리정보의 경우 노드 1 내지 3 중에서 노드 1의 거리정보가 최소이다. 노드 1의 경우 거리정보는 5.5m이다. 따라서, 위치반경정보는 노드 1의 거리를 기준으로 계산된다.
거리정보의 경우 노드 1 내지 3 중에서 노드 1의 거리정보가 최소이다. 노드 1의 경우 거리정보는 5.5m이다. 따라서, 위치반경정보는 노드 1의 거리를 기준으로 계산된다.
요약하면, 일단 거리정보가 최소인 노드 1을 기준으로 위치반경정보를 계산하고 난 후, 밀도 파라미터가 작은 노드 2를 기준으로 정확한 위치계산을 수행하게 된다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따른 위치확인 장치와 그 방법에 의해 위치확인의 정확도가 향상된다.
또한 본 발명에 의하면 송신기와 수신기 사이의 직선 경로에 장애물이 존재하는 환경(shadowed environment)이나 실내환경과 같이 복잡한 다중 경로가 존재하는 환경에서 직선 경로 신호의 검출이 용이하다.
또한, 본 발명에 의하면 실내 위치인식에 있어서 별도의 기지국의 설치없이 실내라는 좁은 면적에서 위치인식 서비스를 할 수 있다.

Claims (18)

  1. 무선통신시스템을 이용하는 위치확인 장치에 있어서,
    펄스(pulse)신호가 포함된 심볼에서 상기 펄스신호를 샘플링하여 누적하는 누적부;
    상기 심볼의 시작시점을 판단하는 더블-슬라이딩 윈도우(Double-Sliding Window);
    상기 누적부가 상기 펄스신호를 샘플링하여 누적하도록 동기 신호를 발생하는 동기 제어부;
    상기 누적된 펄스신호를 이용하여 상기 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 판단된 상기 심볼의 시작시점을 보정하는 시간편이 계산부; 및
    상기 시간편이 계산부로부터 상기 보정된 심볼의 시작시점을 기초로 위치를 연산하는 위치 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치확인 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 시간편이 계산부는 상기 누적된 펄스신호의 크기를 기 설정된 한계값과 비교하여 상기 한계값 이상의 신호가 발생한 시점을 판단하여, 상기 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 판단된 상기 심볼의 시작시점을 보정하는 것을 특징으로 하는 위치확인 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무선통신시스템은 초광대역(UWB; Ultra Wide Band) 무선 랜 네트워크를 사용하는 것을 특징으로 하는 위치확인 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펄스신호가 포함된 심볼을 송신하기 위한 송신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치확인 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 송신부는,
    상기 펄스신호를 발생시키는 펄스 발생부;
    OFDM 심볼을 발생시키는 OFDM 심볼 발생부; 및
    상기 펄스신호와 상기 OFDM 심볼을 기 설정된 순서에 따라 출력시키는 다중화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치확인 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기 설정된 순서는 상기 펄스신호와 상기 OFDM 심볼이 교번적인 순서인 것을 특징으로 하는 위치확인 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 위치 연산부는,
    상기 시간편이 계산부로부터 상기 보정된 심볼의 시작시점을 기초로 거리를 계산하는 거리 계산부; 및
    상기 누적부에 저장된 상기 펄스신호의 MSE(Mean Square Error)가 최소가 되는 밀도 함수 파라미터를 찾는 밀도 함수 파라미터부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 위치확인 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 위치 연산부는,
    위치계산 시에 상기 밀도함수 파라미터가 최소가 되는 펄스신호 또는 가장 작은 거리정보를 갖는 펄스신호를 이용하는 것을 특징으로 하는 위치확인 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 위치 연산부는,
    먼저, 가장 작은 거리정보를 갖는 펄스신호를 이용하여 위치반경 정보를 계산하고, 다음 상기 밀도함수 파라미터가 최소가 되는 펄스신호를 기준으로 위치계산을 수행하는 것을 특징으로 하는 위치확인 장치.
  10. 무선통신시스템을 이용하는 위치확인 장치를 포함하는 단말기에 있어서,
    샘플링하여 누적된 펄스(pulse)신호가 포함된 심볼에서 상기 심볼의 시작시점을 판단하여 상기 누적된 펄스 신호의 크기를 기 설정된 한계값과 비교하여 상기 심볼의 시작시점을 보정하고 상기 보정된 신호의 시작지점을 기초로 위치를 연산하는 위치확인 장치; 및
    상기 펄스신호가 포함된 심볼을 송신하기 위한 송신부;를 포함하는 이동통신 단말기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 위치확인 장치는,
    펄스(pulse)신호가 포함된 심볼에서 상기 펄스신호를 샘플링하여 누적하는 누적부;
    상기 심볼의 시작시점을 판단하는 더블-슬라이딩 윈도우(Double-Sliding Window);
    상기 누적부가 상기 펄스신호를 샘플링하여 누적하도록 동기 신호를 발생하는 동기 제어부;
    상기 누적된 펄스신호의 크기를 기 설정된 한계값과 비교하여 상기 한계값 이상의 상기 누적된 펄스신호가 발생한 시점을 판단하고, 상기 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 판단된 상기 심볼의 시작시점을 보정하는 시간편이 계산부; 및
    상기 시간편이 계산부로부터 상기 보정된 신호의 시작시점을 기초로 위치를 연산하는 위치 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이동통신 단말기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 송신부는,
    상기 펄스신호를 발생시키는 펄스 발생부;
    OFDM 심볼을 발생시키는 OFDM 심볼 발생부; 및
    상기 펄스신호와 상기 OFDM 심볼을 기 설정된 순서에 따라 출력시키는 다중화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 위치 연산부는,
    상기 시간편이 계산부로부터 상기 보정된 심볼의 시작시점을 기초로 거리를 계산하는 거리 계산부; 및
    상기 누적부에 저장된 상기 펄스신호의 MSE(Mean Square Error)가 최소가 되는 밀도함수 파라미터를 찾는 밀도함수 파라미터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동통신 단말기.
  14. 신호를 단말에 송신하는 송신단계;
    상기 단말이 재송신한 펄스신호가 포함된 심볼을 수신하여 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 상기 심볼의 시작시점을 획득하는 심볼 시작지점 획득단계;
    상기 펄스신호를 상기 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 획득한 상기 심볼의 시작지점에 대한 시간동기 정보에 따라 샘플링하여 누적하는 펄스신호 누적단계;
    상기 누적된 펄스신호를 이용하여 시간편이를 계산하는 시간편이 계산단계;
    상기 시간편이에 기초하여 상기 심볼의 시작시점을 보정하는 보정단계; 및
    상기 보정된 심볼의 시작시점을 기초로 거리를 계산하는 거리 계산단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 위치확인 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 시간편이 계산단계는,
    상기 누적된 펄스신호의 크기를 기 설정된 한계값과 비교하여 상기 심볼의 시작시점을 계산하고,
    상기 누적에 의해 계산된 상기 심볼의 시작시점과 상기 더블-슬라이딩 윈도우에 의해 획득된 상기 심볼의 시작시점을 비교하여 상기 시간편이를 연산하는 것을 특징으로 하는 위치확인 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 펄스신호가 포함된 심볼은 OFDM 심볼과 상기 펄스신호가 교번되는 것을 특징으로 하는 위치확인 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 거리 계산단계 이후에,
    상기 누적된 펄스신호로 MSE(Meas-Square-Error)가 최소가 되는 밀도 함수 파라미터를 찾는 밀도함수 파라미터 획득단계; 및
    상기 송신단계부터 상기 밀도함수 파라미터 획득단계들을 반복하여 얻은 2개 이상의 상기 밀도 함수 파라미터 중 최소인 값을 갖는 상기 펄스신호로 위치를 계산하는 위치 계산단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치확인 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 거리 계산단계는 가장 작은 거리정보를 갖는 펄스신호를 이용하여 위치반경정보를 계산하는 것을 특징으로 하는 위치확인 방법.
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