KR20180047490A - Apparatus and method for determining location of mobile terminal in mobile communication - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이동통신 시스템에서 이동 단말의 위치 결정 장치와 방법에 관한 것으로, 특히, 도착 시간(TOA:Time Of Arrival) 삼각변 측량법을 사용하여 이동단말의 위치추정 시, 오차가 발생하는 특별한 경우인 작은 원이 두 원안에 위치하는 경우에 발생하는 오차를 개선하기 위한 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치와 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, 소정 이동단말을 기준으로 상기 이동단말을 서빙(serving)하는 기지국과 상기 서빙 기지국에 인접하는 적어도 둘 이상의 인접 기지국으로부터 상기 이동단말이 위치하는 거리 정보를 수집하는 수집부; 상기 이동단말로 전송되는 신호의 도착 시간(TOA: Time of Arrival)을 기반으로 상기 이동단말 간 거리 추정을 위해 기준 위치를 중심으로 상기 이동단말 사이의 거리를 반지름으로 하여 제1 원 내지 제3 원을 생성하는 제어부; 상기 각 기지국을 중심으로 생성되는 제1 원이 다른 제2원 및 제3원의 영역에 포함되는 경우에, 이웃하는 두 교점의 거리를 계산하고 이 과정을 다른 이웃하는 두 교점에도 시행하는 위치 계산부; 및 상기 위치 계산부가 계산한 두개의 교점 거리중에서 짧은 거리를 선택하고, 해당하는 두 개의 교점의 평균을 이동단말의 위치로 결정하는 위치 측정부를 포함하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치 및 방법을 제공한다.The present invention relates to an apparatus and method for positioning a mobile terminal in a mobile communication system, and more particularly, to a positioning apparatus and method for positioning a mobile terminal in a special case in which an error occurs when estimating a position of a mobile terminal using a time of arrival (TOA) The present invention relates to an apparatus and method for positioning a mobile terminal in a mobile communication system for improving an error occurring when a small circle is located in two circles.
According to another aspect of the present invention, there is provided a mobile terminal comprising: a collecting unit for collecting distance information of a mobile terminal from at least two neighboring base stations adjacent to the serving base station; A distance between the mobile stations is set as a radius around a reference position for estimating a distance between the mobile stations based on a time of arrival (TOA) of a signal transmitted to the mobile station, ; When a first circle generated centering on each of the base stations is included in another area of a second circle and a third circle, a distance between two neighboring points is calculated and a position calculation part; And a position measurement unit for selecting a short distance from the two intersection distances calculated by the position calculation unit and determining an average of the two intersection points as a position of the mobile terminal. .
Description
본 발명은 이동통신 시스템에서 이동 단말의 위치 결정 장치와 방법에 관한 것으로, 특히, 도착 시간(TOA:Time Of Arrival) 삼각변 측량법을 사용하여 이동단말의 위치추정 시, 오차가 발생하는 특별한 경우인 작은 원이 두 원안에 위치하는 경우에 발생하는 오차를 개선하기 위한 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치와 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for positioning a mobile terminal in a mobile communication system, and more particularly, to a positioning apparatus and method for positioning a mobile terminal in a special case in which an error occurs when estimating a position of a mobile terminal using a time of arrival (TOA) The present invention relates to an apparatus and method for positioning a mobile terminal in a mobile communication system for improving an error occurring when a small circle is located in two circles.
특정 사용자나 물체의 위치를 추정하는 기술은 LBS(Location Based Service)와 같은 다양한 통신 시스템에 사용되고 있어 무선통신 기술의 중요한 이슈로 각광받고 있다. The technique of estimating the location of a specific user or object is being used in various communication systems such as LBS (Location Based Service), and thus it is attracting attention as an important issue of wireless communication technology.
미국의 FCC(Federal Communication Commission)에서 E-911(Enhanced-911)을 위한 이동국 위치추정 기능을 이동전화에 포함하는 것을 강제화한 이후로 무선통신 시스템의 이동국 위치추정 기술은 더욱 관심을 받게 되었다. Since the Federal Communication Commission (FCC) in the United States has mandated inclusion of a mobile station location estimation function for the E-911 (Enhanced-911) in a mobile phone, the mobile station position estimation technique of a wireless communication system has received more attention.
다양한 이동국 위치추정 기술이 개발되어 왔는데, 크게 GPS를 사용하는 핸드셋 방식과, 기지국을 사용하는 네트워크 방식의 두 가지 유형으로 분류할 수 있다. Various mobile station position estimation techniques have been developed, and can be classified into two types, a handset using GPS and a network using base station.
대표적인 네트워크 방식의 위치 추정 기술이 도착 시간(TOA:Time Of Arrival) 삼각변 측량법으로, 이동국과 세 개의 기지국 사이의 거리를 추정한 후, 세 개의 기지국의 좌표들과 추정된 세 개의 거리를 반지름으로 하는 세 개의 원을 생성시켜, 원들이 만나는 교점을 이동국의 위치로 결정하는 방법이다. A representative network-based position estimation technique is TOA (Time Of Arrival) triangulation method. After estimating the distance between the mobile station and three base stations, the coordinates of three base stations and the estimated three distances are calculated as radius And the intersection where the circles meet is determined as the position of the mobile station.
거리는 일반적으로 기지국과 이동국 사이에 송/수신된 신호의 지연(delay) 수를 이용하여 추정하는데, 이 과정에서 추정된 거리가 실제 거리보다 길어지게 된다. Generally, the distance is estimated using the number of delays of a signal transmitted / received between the base station and the mobile station. In this process, the estimated distance is longer than the actual distance.
이로 인해, 세 개의 원이 한 점에서 만나지 않아 위치추정 오차가 발생하게 된다. As a result, three circles do not meet at one point, resulting in a position estimation error.
이 문제를 해결하기 위해, LS(least square) 방식이나 세 개의 원이 생성하는 여섯 개의 교점 중 세 개의 내부 교점의 평균을 구하는 방식인 최단거리 알고리즘 등이 제안되어 왔는데, 각각 단점을 가지고 있다. To solve this problem, LS (least square) method or the shortest distance algorithm which is a method of finding the average of three internal intersections among the six intersection points generated by three circles has been proposed.
LS 방식은 비교적 큰 위치추정 오차가 발생되고, 최단거리 알고리즘은 일반적으로는 좋은 성능을 보이나 특별한 상황에서는 상당히 큰 위치추정 오차가 발생하게 된다. In the LS method, a relatively large positioning error is generated, and the shortest distance algorithm generally performs well, but in a specific situation, a considerably large positioning error occurs.
일반적인 경우 선교점 알고리즘이 우수한 성능을 보이나, 한 개의 작은 원이 큰 두 개 원의 영역에 포함되는 특정한 경우, 심각한 위치 추정 오차를 발생하는 단점이 있다.In general, the mission-point algorithm shows excellent performance, but there is a disadvantage in that a certain small circle is included in a region of two large circles, which generates a serious positioning error.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 도착 시간 삼각변 측량법을 사용하여 이동 단말의 위치추정 시, 오차가 발생하는 특별한 경우인 작은 원이 두 원안에 위치하는 경우에 발생하는 오차를 개선할 수 있도록 한 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치와 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, the present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to improve the error occurring when a small circle, which is a special case where an error occurs, The present invention also provides a positioning apparatus and method for a mobile terminal in a mobile communication system.
본 발명의 일 측면은 소정 이동단말을 기준으로 상기 이동단말을 서빙(serving)하는 기지국과 상기 서빙 기지국에 인접하는 적어도 둘 이상의 인접 기지국으로부터 상기 이동단말이 위치하는 거리 정보를 수집하는 수집부; 상기 이동단말로 전송되는 신호의 도착 시간(TOA: Time of Arrival)을 기반으로 상기 이동단말 간 거리 추정을 위해 기준 위치를 중심으로 상기 이동단말 사이의 거리를 반지름으로 하여 제1 원 내지 제3 원을 생성하는 제어부; 상기 각 기지국을 중심으로 생성되는 제1 원이 다른 제2원 및 제3원의 영역에 포함되는 경우에, 이웃하는 두 교점의 거리를 계산하고 이 과정을 다른 이웃하는 두 교점에도 시행하는 위치 계산부; 및 상기 위치 계산부가 계산한 두개의 교점 거리중에서 짧은 거리를 선택하고, 해당하는 두 개의 교점의 평균을 이동단말의 위치로 결정하는 위치 측정부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a mobile terminal comprising: a collecting unit collecting distance information of a mobile terminal from at least two neighboring base stations adjacent to the serving base station, the base station serving the mobile terminal based on the mobile terminal; A distance between the mobile stations is set as a radius around a reference position for estimating a distance between the mobile stations based on a time of arrival (TOA) of a signal transmitted to the mobile station, ; When a first circle generated centering on each of the base stations is included in another area of a second circle and a third circle, a distance between two neighboring points is calculated and a position calculation part; And a position measurement unit for selecting a short distance from the two intersection distances calculated by the position calculation unit and determining an average of the corresponding two intersection points as a position of the mobile terminal.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 위치 계산부는 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점을 선택하고, 선택된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 산출하며, 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점을 선택하고, 선택된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 산출한다.The position calculating unit may be configured to select one of the intersections formed by the first circle and the second circle and neighboring intersections of the intersections formed by the first circle and the third circle, The distance between one of the intersections formed by the circle and the second circle and the intersection formed by the first circle and the third circle is calculated and the distance between the other intersection formed by the first circle and the second circle , Selects the neighboring intersection of the intersections formed by the first and third circles, selects one of the intersections formed by the selected first and second circles, and the intersection of the intersection formed by the first and third circles The distance of the intersection is calculated.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 위치 측정부는 산출된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리와 산출된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 비교하여, 두개의 교점의 거리에서 짧은 거리를 선택하며, 선택된 거리를 구하는데 사용된 2개의 교점의 평균좌표(xm, ym)를 이동 단말의 위치로 결정한다.The position measuring unit according to an aspect of the present invention is characterized in that the position measuring unit calculates the distance between any one of intersections formed by the calculated first and second circles and the intersection formed by the first and third circles, The distance between the other one of the intersections formed by the first circle and the second circle and the neighboring intersections of the intersections formed by the first circle and the third circle are compared to select a short distance at the distance of the two intersections, The average coordinates (xm, ym) of the two intersections used to obtain the distance are determined as the position of the mobile terminal.
한편, 본 발명의 다른 측면은 (A)위치 결정 장치가 네트워크 내 기설정된 위치에 분산된 복수의 기지국에서 서빙(serving) 중인 이동단말로 전송되는 신호의 도착 시간(TOA: Time of Arrival)을 기반으로 상기 이동단말 간 거리 추정을 위해 각 기지국의 위치를 중심으로 상기 이동단말 사이의 거리를 각각 반지름으로 하여 기지국별 중첩되는 제1 원 내지 제3 원을 생성하는 단계; (B) 상기 위치 결정 장치가 상기 각 기지국을 중심으로 생성되는 제1 원이 다른 제2원 및 제3원의 영역에 포함되는 경우에, 이웃하는 두 교점의 거리를 계산하고 이 과정을 다른 이웃하는 두 교점에도 시행하는 단계; 및 (C) 상기 위치 결정 장치가 계산된 두개의 교점 거리에서 짧은 거리를 선택하고, 선택된 교점 거리를 구하기 위한 해당하는 두 개의 교점의 평균을 이동단말의 위치로 결정하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a positioning apparatus, comprising: (A) a position determining apparatus for determining a time-of-arrival (TOA) of a signal transmitted from a plurality of base stations distributed in a predetermined location in a network to a serving mobile terminal, Generating a first circle to a third circle to be overlapped for each base station with a distance between the mobile stations as a radius around the position of each base station for the distance estimation between the mobile stations; (B) when the positioning apparatus is included in the area of the second circle and the third circle in which the first circle generated centering on each base station is included in the other circle and the third circle, the distance between two neighboring points is calculated, To the two intersections; And (C) determining, by the positioning apparatus, a short distance at the calculated two intersection distances and an average of two corresponding intersections for determining the selected intersection distance as the position of the mobile terminal.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (B) 단계는 (B-1)상기 위치 결정 장치는 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점을 선택하는 단계; (B-2) 상기 위치 결정 장치는 선택된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 산출하는 단계; (B-3)상기 위치 결정 장치는 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점을 선택하는 단계; 및 (B-4) 상기 위치 결정 장치는 선택된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 산출하는 단계를 포함한다.In the step (B) of another aspect of the present invention, (B-1) the positioning apparatus is characterized in that any one of the intersections formed by the first and second circles and the intersection formed by the first and third circles Selecting a neighboring intersection in the intersection; (B-2) The positioning apparatus includes a step of calculating any one of intersections formed by the selected first and second circles and a distance between adjacent intersections of the intersections formed by the first circle and the third circle; (B-3) The positioning apparatus includes a step of selecting another one of the intersections formed by the first circle and the second circle and a neighboring intersection of the intersections formed by the first circle and the third circle; And (B-4) the step of calculating the distance between the other one of the intersections formed by the selected first circle and the second circle and the neighboring intersection of the intersection formed by the first circle and the third circle .
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 (C) 단계는 (C-1) 상기 위치 결정 장치가 산출된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리와 산출된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 비교하는 단계; (C-2) 상기 위치 결정 장치가 두개의 교점의 거리에서 짧은 거리를 선택하는 단계; 및 (C-3) 상기 위치 결정 장치가 선택된 거리를 구하는데 사용된 2개의 교점의 평균좌표(xm, ym)를 이동 단말의 위치로 결정하는 단계를 포함한다.The step (C) of the other aspect of the present invention may further comprise: (C-1) selecting one of intersections formed by the first circle and the second circle calculated by the positioning apparatus, Comparing the distances of neighboring intersecting points of the intersecting points formed by the first circle and the second circle and the distances of neighboring intersecting points of the intersecting point formed by the first circle and the third circle; (C-2) the positioning device selecting a short distance at a distance of two intersection points; And (C-3) determining the average coordinates (xm, ym) of the two intersections used by the positioning apparatus to obtain the selected distance as the position of the mobile terminal.
이동국의 위치추정 기술은 나날이 발전하고 있는 이동통신 시스템의 핵심적 기술로서 다양한 응용 분야를 가지고 있다. Mobile station location estimation technology has various application fields as a key technology of mobile communication system which is evolving day by day.
이동통신 시스템이 발달하면서 보다 정확한 위치추정 성능을 요구하고 있는데, 현재 GPS를 이용하여 높은 정확도의 위치추정이 이루어지고 있다. As the mobile communication system develops, more precise position estimation performance is required. Currently, high accuracy position estimation is performed using GPS.
하지만 GPS 위성신호의 수신이 불가능한 경우 도착 시간 삼각변 측량법과 같은 네트워크 기반의 위치 추정 기술을 사용하여야 하는데, 이 기술은 GPS에 비해 상대적으로 높은 위치 추정 오차를 가지고 있다. However, if it is impossible to receive GPS satellite signals, network - based positioning techniques such as arrival time triangulation should be used. This technique has a relatively high positioning error compared to GPS.
본 발명에서는 이러한 도착 시간 삼각변 측량법의 오차를 효과적으로 개선하기 위한 교점 거리 비교 방법을 제안한다. The present invention proposes an intersection distance comparison method for effectively improving the error of the arrival time triangulation method.
본 발명에서 제안된 방법을 사용하여 GPS 위성신호의 수신이 불가능한 경우에도 높은 정확도를 가지는 위치 추정 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.It is considered that the position estimation result having high accuracy can be obtained even when the GPS satellite signal can not be received by using the method proposed in the present invention.
제안된 방법은 상용 이동통신 시스템은 물론, 높은 정확도가 요구되는 이동로봇 시스템 및 각종 군사용 장비에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.The proposed method is expected to be applicable not only to commercial mobile communication systems but also to mobile robotic systems and various military equipments requiring high accuracy.
도 1은 본 발명이 적용되는 이동통신 시스템의 개략적인 전체 구성도이다.
도 2는 도착 시간 삼각변 측량법을 이용한 이동국의 위치 결정 방법에 대한 설명을 도시한 개념도이다.
도 3은 거리추정에 의해 늘어난 반지름 기반의 세 원이 만나는 일반적인 경우에 대한 설명을 도시한 개념도이다.
도 4a와 도 4b는 거리추정에 의해 늘어난 반지름 기반의 세 원이 만나는 특정한 경우(작은 한 원이 큰 두 원의 영역에 포함되는)에 대한 설명을 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 방법에 관한 전체 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치의 구성도이다.
도 7은 첫 번째 실시예의 이동국 위치추정 MSE를 도시한 그래프이다.
도 8은 두 번째 실시예의 이동국 위치추정 MSE를 도시한 그래프이다.1 is a schematic overall configuration diagram of a mobile communication system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a positioning method of a mobile station using arrival time triangulation.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a general case in which a radius-based three-circle encountered by distance estimation is encountered.
FIGS. 4A and 4B are conceptual diagrams illustrating a specific case where a radius-based three-circle encountered by the distance estimation (a small circle is included in a region of two large circles).
5 is a flowchart illustrating a method of determining a location of a mobile terminal in a mobile communication system according to an embodiment of the present invention.
6 is a configuration diagram of a mobile terminal positioning apparatus in a mobile communication system according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the MSE of the first embodiment.
8 is a graph showing a mobile station position estimation MSE of the second embodiment.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.First, the terminology used in the present application is used only to describe a specific embodiment, and is not intended to limit the present invention, and the singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Also, in this application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify that there are stated features, integers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
본 발명의 실시 예에 따른 이동 단말은 디지털 방송 단말기, 개인 정보 단말기(PDA, Personal Digital Assistant), 스마트 폰(Smart Phone), 태블릿(Tablet) PC, 아이패드(Ipad), CSS-UWB(Chirp Spread Spectrum Ultra WideBand)와 IR-UWB(Impulse-Radio UWB), 3G 단말기 예를 들면 IMT-2000(International Mobile Telecommunication 2000)단말기, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)단말기, GSM/GPRS(Global System For Mobile Communication Packet Radio Service) 및 UMTS(Universal Mobile Telecommunication Service) 단말기 등과 같은 모든 정보 통신 기기 및 멀티미디어 기기 등이 포함될 수 있다. 그러나 본 명세서에서 기재된 실시 예에 따른 구성은 휴대 단말기에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터 등과 같은 고정 단말기에도 적용될 수도 있음을 본 기술 분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다. A mobile terminal according to an exemplary embodiment of the present invention may include a digital broadcasting terminal, a personal digital assistant (PDA), a smart phone, a tablet PC, an iPad, a CSS-UWB Spectrum Ultra WideBand), an IR-UWB (Impulse-Radio UWB), a 3G terminal, for example, an International Mobile Telecommunication 2000 (IMT-2000) terminal, a WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) terminal, a GSM / GPRS Packet Radio Service) and UMTS (Universal Mobile Telecommunication Service) terminals, and the like. However, it will be understood by those skilled in the art that the configuration according to the embodiments described herein may be applied to a fixed terminal such as a digital TV, a desktop computer, and the like, unless the configuration is applicable only to a portable terminal.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, 이하 설명되는 복수 혹은 적어도 둘 이상의 기지국은 본 발명이 적용된 세 개의 기지국을 포함하는 의미로 혼용하여 사용하기로 하나, 본 발명이 이에 한정되지 않음을 미리 밝혀두는 바이다.In the description of the present invention, a plurality of or at least two or more base stations described below are used in combination to mean three base stations to which the present invention is applied, but the present invention is not limited thereto .
제안된 방법은 상용 이동통신 시스템은 물론, 높은 정확도가 요구되는 이동로봇 시스템 및 각종 군사용 장비에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.The proposed method is expected to be applicable not only to commercial mobile communication systems but also to mobile robotic systems and various military equipments requiring high accuracy.
먼저, 도 1은 본 발명이 적용되는 이동통신 시스템의 개략적인 전체 구성도이다.1 is a schematic overall configuration diagram of a mobile communication system to which the present invention is applied.
도 1을 참조하면, 본 발명이 적용된 시스템(100)은 복수의 기지국(110, 112, 114), 이동단말(116) 및 위치 결정 장치를 포함하는 위치 측정 서비스 서버(118)를 포함한다. 여기에서는 위치 결정 장치가 위치 측정 서비스 서버(118)에 포함되는 것으로 설명하였으나, 이동단말(116)에 설치될 수도 있다.Referring to FIG. 1, a
상기 이동 단말(116)은 상기 위치 측정 서비스 서버(118)에 가입 등록되어 위치 측정 서비스 서버(118)에서 형성하는 서비스 영역 안을 자유롭게 이동하면서 기설정된 통신 경로를 경유한다.The
또한, 상기 이동단말(116)은 상기 복수의 기지국(110, 112, 114) 혹은 어느 하나의 기지국과의 페이징을 수행하고, 상기 위치 측정 서비스 서버(118)로부터 도착 시간을 획득하여 상기 도착 시간 기반의 셀프-포지셔닝(self-positioning)도 수행할 수 있다.In addition, the
상기 기지국(110, 112, 114)은 해당 네트워크 내 기설정된 영역에 각각 분산되어 상기 네트워크의 통신 정책(policy)에 따라 무선 채널을 통해 이동단말(116)과의 통신을 수행하며, 상기 이동단말(116)로부터 수신된 거리 추정 프레임을 상기 위치 측정 서비스 서버(118)로 무선 전송한다.The
상기 위치 측정 서비스 서버(118)는 복수의 기지국(110, 112, 114)과 통신하며, 상기 네트워크 내 다수의 이벤트를 저장 및 통합 관리하고, 상기 이동단말(116)과 복수의 기지국(110, 112, 114)간 전송 신호 시간정보를 통해 거리를 추정한 도착 시간으로부터 거리 추정을 수행한다.The
즉, 상기 위치 측정 서비스 서버(118)에 포함되어 본 발명의 이동단말의 위치 결정 장치는 해당 네트워크 내 기설정된 영역에 분산 배치된 복수의 기지국(110, 112, 114)이 위치하는 영역으로부터 대응하는 이동단말(116)의 현재 위치를 도착 시간 기반의 거리 측정을 위해 수행하여 획득하고 이를 위치 기반 서비스를 수행하는 네트워크에서 위치 측위 서비스하는 것으로, 고정형 혹은 위치 획득 가능한 이동형일 수 있으며, 상기 위치 기반 서비스 시 무선 채널을 활성화하여 이동 단말(116)의 위치를 일시적으로 또는 지속적으로 측위하여 미리 설정된 주기별로 출력한다.That is, the positioning apparatus of the mobile terminal of the present invention included in the position
다음으로, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이동단말의 위치 결정 장치 및 방법을 자세히 살펴보기로 한다.Next, an apparatus and method for determining a location of a mobile terminal according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2 to FIG.
먼저, 도 2는 도착 시간 삼각변 측량법을 이용한 이동단말의 위치 추정에 관한 예시도이다. 2 is an exemplary diagram illustrating a position estimation of a mobile terminal using an arrival time triangulation method.
도착 시간 삼각변 측량법에서 거리 측정 방식은 3개 지점에 대한 위치 정보를 기반으로 대상물에 대한 측정 거리를 이용하여 대상물의 위치를 인식하는 방식으로 주로 신호나 전파(예컨대, 위성신호, 이동통신신호, 초음파, RF 신호 등)의 비행 시간(TOF:Time of Flight), 감쇠(attenuation) 등을 이용하여 셋 이상의 기준지점으로부터 거리를 측정한 후 이동단말의 위치를 계산하는 데 이용된다.In the arrival time triangulation method, the distance measurement method is a method of recognizing the position of the object using the measurement distance to the object based on the position information of the three points, and mainly includes a signal, a radio wave (for example, a satellite signal, (TOF: Time of Flight), attenuation, etc., of a mobile terminal (e.g., ultrasound, RF signal, etc.), and then calculates the position of the mobile terminal after measuring the distance from three or more reference points.
도 2를 참조하면, 적어도 세 개의 기지국(BS1, BS2, BS3)과 이동단말(MS, 218) 사이의 거리 정보가 네트워크 등을 통해 위치 결정 장치로 전송되면 위치 결정 장치가 이를 기초로 이동단말(218)의 위치를 측정하는 것을 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 세 개의 기지국(BS1, BS2, BS3)과 이동단말(MS, 218)의 거리( d1,d2,d3)와 세 개의 기지국(BS1, BS2, BS3)의 좌표를 기반으로 하는 세 개의 원의 교점을 이용하여 이동단말(218)의 위치를 추정한다. Referring to FIG. 2, when distance information between at least three base stations (BS1, BS2, BS3) and mobile terminals (MS) 218 is transmitted to a positioning apparatus via a network or the like, (D 1 , d 2 , d 3 ) between three base stations (BS 1 , BS 2 , BS 3 ) and a mobile terminal (MS, 218) And estimates the location of the
이때, 이동단말(218)의 위치 값은 각 기지국(BS1, BS2, BS3)의 위치를 중심으로 상기 이동단말(218) 사이의 거리를 각각 반지름(d1,d2,d3)으로 하여 기지국별(BS1, BS2, BS3) 서로 교차되는 원(210, 212, 214)을 생성하고, 생성된 원(210, 212, 214)들의 교점(216)으로부터 산출된다.At this time, the position value of the
이를 도 3을 참조하여 좀 더 상세히 살펴보면, 네트워크 내 기설정된 위치에 분산된 복수의 기지국(BS1, BS2, BS3)에서 서빙(serving) 중인 이동단말로 전송되는 신호의 도착 시간(TOA: Time of Arrival)을 기반으로 상기 이동단말 간 거리 추정을 위해 각 기지국(BS1, BS2, BS3)의 위치를 중심으로 이동단말 간 거리를 각각 반지름(d1,d2,d3)으로 하여 기지국(BS1, BS2, BS3)별 중첩되는 원(210, 212,214)이 생성된다.3, the time of arrival (TOA) of a signal transmitted from a plurality of base stations (BS1, BS2, BS3) distributed in a network to a serving mobile terminal ) the base to the mobile station the distance between each base station for estimation (BS1, BS2, BS3) the radius (d 1, the mobile terminal distance between the center position of each of d 2, d 3) by the base station (BS1, BS2 , BS3) are generated.
생성된 상호 중첩되는 원(210, 212, 214)에 의해 형성되는 교점(41, 42, 43, 44, 45, 46) 좌표 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 세 개(210, 212, 214)의 원에 대응하는 총 여섯 개의 교점(41, 42, 43, 44, 45,46)으로부터 기설정된 복수의 교점 예컨대, 각각 두 개의 원들에 의해 생성된 두 개의 교점을 연결하는 총 세 개의 선들이 형성된다. 형성된 세 개의 선들이 만나는 교점(47)을 이동단말의 위치로 결정하여 위치 추정 서비스를 수행한다.212, and 214 as shown in FIG. 3, the coordinates of the
이를 위해 먼저 도 3에 도시된 바와 같이 이동단말의 위치 결정 장치에서 네트워크 내 기설정된 위치에 분산된 복수의 기지국에서 서빙(serving) 중인 이동단말로 전송되는 신호의 도착 시간(TOA: Time of Arrival)을 기반으로 상기 이동단말 간 거리 추정을 위해 각 기지국의 위치를 중심으로 상기 이동단말 사이의 거리를 각각 반지름으로 하여 기지국별 중첩되는 원을 생성한다.As shown in FIG. 3, a time-of-arrival (TOA) signal transmitted from a plurality of base stations distributed in a predetermined location in a network to a serving mobile terminal, A distance between the mobile stations is set to be a radius of each mobile station based on the position of each base station, and a circle is generated for each base station.
이때, 상기 도착 시간 삼각변 측량법은 이동단말과 기지국 사이의 거리를 측정하고, 이동단말의 위치를 결정하기 위해 세 개의 기지국의 좌표들과 측정된 거리에 해당하는 반지름을 기반으로 하는 세 개의 원들로부터 획득된 세 개의 방정식에 대한 해를 구하는 것으로, 이동단말과 i번째 기지국에 대한 거리 di에 대한 수학식은 하기의 수학식 1과 같이 주어진다.At this time, the arrival time triangulation method measures the distance between the mobile terminal and the base station, and determines the position of the mobile terminal from the three circles based on the coordinates of the three base stations and the radius corresponding to the measured distance By solving the three equations obtained, the equation for the distance d i to the mobile station and the i th base station is given by Equation (1) below.
(수학식 1)(1)
여기에서, i=1,2,3이다.Here, i = 1, 2, 3.
여기서, (x,y)와 (xi ,yi )는 이동단말과 i 번째 기지국의 좌표이다.Here, (x, y) and (x i , y i ) are the coordinates of the mobile station and the i th base station.
도착 시간 삼각변 측량법은 일반적으로 시간 지연 샘플들의 수를 사용하여 이동단말과 기지국 사이의 거리를 측정하는 것으로, 특정 반송 주파수에 대한 시간 지연 샘플들의 수는 하기 수학식 2에 의해 계산된다.The arrival time triangulation method generally measures the distance between the mobile terminal and the base station using the number of time delay samples, and the number of time delay samples for a particular carrier frequency is calculated by the following equation (2).
(수학식 2)(2)
ndi=ceil((di/c)*fc)nd i = ceil ((d i / c) * f c )
여기서, ndi는 지연 샘플의 개수이고, c는 빛의 속도이며, fc는 특정 반송 주파수를 나타낸다. 지연샘플의 개수는 정수이고, "ceil"을 제외한 수학식 2의 우변은 일반적으로 정수가 아니므로, 수학식 2의 우변에 올림 함수를 뜻하는 "ceil"을 사용한다.Here, nd i is the number of delayed samples, c is the speed of light, and f c is a specific carrier frequency. Since the number of delay samples is an integer and the right side of equation (2) except for "ceil" is generally not an integer, "ceil" is used in the right side of equation (2).
수학식 2를 사용하여 이동단말과 i번째 기지국의 거리는 수학식 3에 의해 추정된다.The distance between the mobile station and the ith base station using Equation (2) is estimated by Equation (3).
(수학식 3)(3)
die=(ndi*c)/fc d ie = (nd i * c) / f c
여기서, die는 추정된 이동단말과 i번째 기지국 사이의 거리이다.Here, d ie is the distance between the estimated mobile terminal and the i th base station.
이상과 같이, 이동단말의 위치 결정 장치는 복수의 기지국, 즉 적어도 세 개 이상의 기지국과 통신하며, 상기 기지국별 세 개의 중첩되는 원에 의해 생성되는 여섯 개의 교점을 생성하여 상기 세 개의 원들 중 서로 교차되어 페어링 가능한 두 개의 원들로부터 두 개의 교점을 생성하고, 상기 두 개의 교점을 연결하는 세 개의 직선들을 이용하여 이동단말의 위치 정보를 결정한다.As described above, the positioning apparatus of the mobile terminal communicates with a plurality of base stations, that is, at least three or more base stations, and generates six intersection points generated by three overlapping circles for each base station, Two intersections are generated from two pairs that can be paired, and the position information of the mobile terminal is determined using three straight lines connecting the two intersections.
위에서 설명한 방법은 세 원이 만나는 형태는 일반적으로는 특정 원안에 다른 원이 포함되지 않는 것으로 가정하는데, 경우에 따라 작은 원이 두 원안의 영역에 포함되는 특정 경우가 발생한다. The method described above assumes that the form in which the three circles meet generally does not include any other circles in a particular circle, and in some cases a particular case occurs where a small circle is included in the area of the two circles.
일반적인 경우에는 위에서 설명한 것처럼 선교점 방법을 이용하여, 위치추정 오차를 줄일 수 있으나, 위에서 설명한 특정 경우에는 오차를 줄일 수가 없다. In general, the position estimation error can be reduced by using the bridge point method as described above, but the error can not be reduced in the specific case described above.
이 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 작은 원이 두 원의 영역에 포함되는 특정 경우, 이웃하는 두 교점(작은 원과 큰 두 개의 원 중 하나의 원과의 교점과, 작은 원과 큰 두 개의 원 중 다른 원과의 교점)의 거리를 계산하고 이 과정을 다른 이웃하는 두 교점에도 시행한다. To solve this problem, in the present invention, in the specific case where the small circle is included in the area of two circles, two neighboring points (an intersection of a small circle and one circle of two large circles, The intersection of other circles with other circles) is calculated and this process is executed at the other two neighboring points.
두 계산된 거리 중 짧은 거리를 선택하고, 거기에 해당하는 두 개의 교점의 평균을 이동단말의 위치로 결정하는 방법을 제안한다.A short distance is selected from the two calculated distances and an average of the two intersections corresponding thereto is determined as the position of the mobile terminal.
도 4a와 도 4b는 거리추정에 의해 늘어난 반지름 기반의 세 원이 만나는 특정한 경우(작은 한 원이 큰 두 원의 영역에 포함되는)에 대한 설명을 도시한 개념도이다.FIGS. 4A and 4B are conceptual diagrams illustrating a specific case where a radius-based three-circle encountered by the distance estimation (a small circle is included in a region of two large circles).
도 4a를 참조하면, 작은 한 원(514)이 큰 두 개의 원(510, 512)의 영역에 포함되어 있다. 이동단말(518)의 위치는 적색 삼각형으로 표시되어 있다.Referring to FIG. 4A, a
도 4b를 참조하면, 작은 한 원(514)과 큰 두 개의 원(510, 512)은 6개의 교점(I, J, K, I',J', K')에서 만나고 있다.Referring to FIG. 4B, a
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 방법에 관한 전체 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a method of determining a location of a mobile terminal in a mobile communication system according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 먼저 S110 과정은 본 발명이 적용된 이동단말의 위치 결정 장치에서 네트워크 내 기설정된 위치에 분산된 복수의 기지국에서 서빙(serving) 중인 이동단말로 전송되는 신호의 도착 시간(TOA: Time of Arrival)을 기반으로 상기 이동단말 간 거리 추정을 위해 각 기지국의 위치를 중심으로 상기 이동단말 사이의 거리를 각각 반지름으로 하여 기지국별 중첩되는 원을 생성한다.Referring to FIG. 5, first, in step S110, an arrival time (TOA) of a signal transmitted from a plurality of base stations distributed in a predetermined location in a network to a serving mobile terminal in a mobile terminal, The distance between the mobile stations is set to be a radius of each mobile station based on the position of each base station for the distance estimation between the mobile stations based on the Time of Arrival.
계속해서, S112 과정에서는 상기 각 기지국을 중심으로 생성되어 상호 중첩되는 원에 의해 형성되는 교점을 생성한다. Subsequently, in step S112, an intersection formed by circles superimposed on each other is generated around each base station.
즉, 작은 한 원(514)과 큰 두 개의 원(510, 512)의 6개의 교점(I, J, K, I',J', K')을 구한다. 여기에서, I=1, J=2, I'=3, J'=4라고 한다.That is, six intersections (I, J, K, I ', J', K ') of a
이후에, S114 과정에서 위치 결정 장치는 작은 원(514)과 어느 하나의 큰 원(일예로 512)이 형성하는 교점 중의 어느 하나(일예로 I')(j=3이라고 한다)와, 작은 원(514)과 다른 하나의 큰 원(일예로 510)이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점(일예로 J')(j=4라고한다)을 선택한다.Thereafter, in step S114, the position determination apparatus determines whether any one of the intersections formed by the
그리고, S116 과정에서 위치 결정 장치는 선택된 작은 원(514)과 어느 하나의 큰 원(일예로 512)이 형성하는 교점 중의 어느 하나(일예로 I')와, 작은 원(514)과 다른 하나의 큰 원(일예로 510)가 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점(일예로 J')의 거리 dj j+1(j=3)을 산출한다. 이때, 사용되는 수식은 수학식 4이다.In step S116, the position determination apparatus determines whether one of the intersections formed by the selected
계속해서, S118 과정에서 위치 결정 장치는 작은 원(514)과 어느 하나의 큰 원(일예로 512)이 형성하는 교점 중의 다른 하나(일예로 I)(j=1이라고 한다)와, 작은 원(514)과 다른 하나의 큰 원(일예로 510)이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점(일예로 J)(j=2라고한다)을 선택한다.Subsequently, in step S118, the position determination apparatus determines whether or not the other one (for example, I) (j = 1) and the small circle (for example, 514) and the neighboring intersection (for example, J) (j = 2) in the intersection formed by another large circle (for example, 510).
그리고, S120 과정에서 위치 결정 장치는 선택된 작은 원(514)과 어느 하나의 큰 원(일예로 512)이 형성하는 교점 중의 다른 하나(일예로 I)와, 작은 원(514)과 다른 하나의 큰 원(일예로 510)이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점(일예로 J)의 거리 dj j+1(j=1)을 산출한다. 이때, 사용되는 수식은 수학식 4이다.Then, in step S120, the position determining apparatus determines whether or not the other one (e.g., I) of the intersection formed by the selected
(수학식 4)(4)
여기에서, j=1, 3이다.Here, j = 1, 3.
상기 수학식 4에서 j=1은 작은 원(514)과 어느 하나의 큰 원(일예로 512)이 형성하는 교점 중의 어느 하나(일예로 I)이고, j=2는 작은 원(514)과 다른 하나의 큰 원(일예로 510)이 형성하는 교점 중의 어느 하나(일예로 J)이며, j=3은 작은 원(514)과 어느 하나의 큰 원(일예로 512)이 형성하는 교점 중의 다른 하나(일예로 I')이고, j=4는 작은 원(514)과 다른 하나의 큰 원(일예로 510)이 형성하는 교점 중의 다른 하나(일예로 J')이다.J = 1 in the equation (4) is any one of the intersections formed by the
또한, (xj, yj)는 j번째 교점의 좌표값이다Also, (x j , y j ) is the coordinate value of the jth intersection point
이후에, S122 과정에서 위치 결정 장치는 위에서 구한 2개의 거리를 비교하여, S124 과정에서 작은 값을 선택한다.Thereafter, in step S122, the positioning apparatus compares the two distances obtained above, and selects a small value in step S124.
계속해서, S126 과정에서 위치 결정 장치는 선택된 거리를 구하는데 사용된 2개의 교점의 평균좌표(xm, ym)를 이동 단말의 위치로 결정한다.Subsequently, in step S126, the positioning apparatus determines the average coordinates (xm, ym) of the two intersections used to obtain the selected distance as the position of the mobile terminal.
이때, 사용되는 수학식이 아래 수학식 5이다.At this time, the mathematical expression used is Equation 5 below.
(수학식 5)(5)
xm=(Ix'+Jx')/2, ym=(Iy'+Jy')/2 xm = (I x '+ J x') / 2, ym = (I y '+ J y') / 2
여기에서, (Ix', Iy')와 (Jx', Jy')는 S124 과정에서 선택된 작은값을 구하기 위하여 사용된 2개의 교점의 각각의 좌표값이다.Here, (I x ', I y ') and (J x ', J y ') are the coordinate values of the two intersections used to obtain the selected small value in step S124.
이상에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 방법에 대해서 살펴보았다.Hereinabove, a positioning method of a mobile terminal in a mobile communication system according to an embodiment of the present invention has been described.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치에 관해 도 6을 참조하여 자세히 살펴보기로 한다.Hereinafter, an apparatus for positioning a mobile terminal in a mobile communication system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치에 관한 상세 구성도이다.6 is a detailed configuration diagram of a mobile terminal positioning apparatus in a mobile communication system according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명이 적용된 이동단말의 위치 결정 장치(600)는 수집부(610), 제어부(612), 위치 계산부(614) 및 위치 측정부(616)를 포함한다.Referring to FIG. 6, a mobile
상기 수집부(610)는 소정 이동단말을 기준으로 상기 이동단말을 서빙(serving)하는 기지국과 상기 서빙 기지국에 인접하는 적어도 둘 이상의 인접 기지국으로부터 상기 이동단말이 위치하는 거리 정보를 수집한다.The collecting
상기 제어부(612)는 이동단말로 전송되는 신호의 도착 시간(TOA: Time of Arrival)을 기반으로 상기 이동단말간 거리 추정을 위해 기준 위치를 중심으로 상기 이동단말 사이의 거리를 반지름으로 하여 원이 생성되도록 제어한다.The
상기 생성된 원은 이동단말의 위치를 기준으로 상기 이동단말을 서빙하는 기지국과 적어도 둘 이상의 인접 기지국과 연동되어 서로 중첩되게 생성된다.The generated circle is generated so as to be interlocked with the base station serving the mobile station and at least two adjacent base stations based on the position of the mobile station.
그리고, 제어부(612)는 작은 한 원(514)과 큰 두개의 원(510, 512)의 6개의 교점(I, J, K, I',J', K')을 구한다. 여기에서, I=1, J=2, I'=3, J'=4라고 한다.The
상기 위치 계산부(614)는 제어부(612)로부터 생성된 원에 의해 형성되는 교점 좌표에서 작은 원(514)과 어느 하나의 큰 원(일예로 512)이 형성하는 교점 중의 어느 하나(일예로 I')(j=3이라고 한다)와, 작은 원(514)과 다른 하나의 큰 원(일예로 510)이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점(일예로 J')(j=4라고한다)을 선택한다.The
그리고, 위치 계산부(614)는 선택된 작은 원(514)과 어느 하나의 큰 원(일예로 512)이 형성하는 교점 중의 어느 하나(일예로 I')와, 작은 원(514)과 다른 하나의 큰 원(일예로 510)이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점(일예로 J')의 거리 dj j+1(j=3)을 산출한다. 이때, 사용되는 수식은 수학식 4이다.The
또한, 위치 계산부(614)는 작은 원(514)와 어느 하나의 큰 원(일예로 512)이 형성하는 교점 중의 다른 하나(일예로 I)(j=1이라고 한다)과 작은 원(514)와 다른 하나의 큰 원(일예로 510)이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점(일예로 J)(j=2라고한다)을 선택한다.The
그리고, 위치 계산부(614)는 선택된 작은 원(514)와 어느 하나의 큰 원(일예로 512)이 형성하는 교점 중의 다른 하나(일예로 I)과 작은 원(514)와 다른 하나의 큰 원(일예로 510)가 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점(일예로 J)의 거리 dj j+1(j=1)을 산출한다. 이때, 사용되는 수식은 위의 수학식 4이다.The
한편, 위치 측정부(616)는 위치 계산부(614)가 구한 2개의 거리를 비교하여, 작은 값을 선택한다.On the other hand, the
그리고, 위치 측정부(616)는 선택된 거리를 구하는데 사용된 2개의 교점의 평균좌표(xm, ym)를 이동 단말의 위치로 결정한다. 이때, 사용되는 수학식이 수학식 5이다.Then, the
한편, 도 7과 8은 본 발명의 시뮬레이션 결과를 제시한다.7 and 8 show the simulation results of the present invention.
본 발명에서 제안된 방법 기반의 도착 시간 삼각변 측량법의 성능 평가를 위한 시뮬레이션을 위해 실시예는 (-3000, 5000), (1500, 3000), (7000, 600)의 좌표를 각각 가지는 세 개의 고정된 기지국을 이용한다고 가정하고, 좌표의 단위는 m이다. 또한, 반송 주파수로 10MHz, 50MHz, 100MHz, 500MHz, 1GHz, 10GHz를 고려하였다. 이동국의 좌표는 두 가지의 경우를 고려하였는데, 첫 번째 실시예의 경우는 이동국의 좌표가 -100m ~ +100m 사이의 범위에서 임의로 선택되고, 두 번째 실시예의 경우는 이동국의 좌표가 -500 ~ +500m 사이의 범위에서 임의로 선택된다고 가정하였다. 제안된 알고리즘의 성능은 이동국의 MSE(mean square error)에 의해 평가된다. In order to simulate the performance evaluation of the method-based arrival time triangulation method proposed in the present invention, the embodiment has three fixtures each having coordinates (-3000, 5000), (1500,3000), (7000,600) , And the unit of coordinate is m. Also, 10 MHz, 50 MHz, 100 MHz, 500 MHz, 1 GHz, and 10 GHz were considered as carrier frequencies. In the case of the first embodiment, the coordinates of the mobile station are arbitrarily selected in the range of -100 m to +100 m, and in the case of the second embodiment, the coordinates of the mobile station are -500 to +500 m Of the total length of the area. The performance of the proposed algorithm is evaluated by the mean square error (MSE) of the mobile station.
실제 거리 d와 추정된 거리 de의 오차는 다음 수학식 6으로 주어지고, 거리 MSE는 수학식 7로 주어진다.The error between the actual distance d and the estimated distance d is given by the following equation (6), and the distance MSE is given by the equation (7).
(수학식 6)(6)
(수학식 7)(7)
MSEdistance =E[Err2 distance]MSE distance = E [Err 2 distance ]
실제 이동국과 추정된 이동국의 위치에 대한 오차는 하기의 수학식 8에 의해 계산되고, 이동단말 위치에 대한 MSE는 수학식 9에 의해 계산된다.The error of the actual mobile station and the estimated position of the mobile station is calculated by the following equation (8), and the MSE for the mobile station position is calculated by equation (9).
(수학식 8)(8)
(수학식 9)(9)
도 7과 도 8에서 특정 경우에 대한 오차개선을 위해 제안된 교점거리 비교 방법과 선교점 방법에 대한 MSE가 제시되어 있는데, 두 개의 그림으로부터 본 발명에서 제안된 방법이 한 개의 작은 원이 두 개의 큰 원의 영역에 위치하는 특정한 경우, 선교점 방법 보다 월등히 낮은 MSE를 가진다는 것을 확인할 수 있다. In FIG. 7 and FIG. 8, MSEs for the proposed intersection distance comparison method and the missed point method for improving the error in a specific case are presented. From the two drawings, the method proposed by the present invention is based on two small circles It can be seen that in a particular case located in a large circle area, the MSE is much lower than the missed point method.
즉, 특정 경우 교점거리 비교 방법의 위치추정 성능이 선교점 방법의 위치추정 성능보다 월등히 우수하다는 것을 확인할 수 있다.In other words, it can be confirmed that the position estimation performance of the intersection distance comparison method is superior to the position estimation performance of the missed point method in a specific case.
이동국의 위치추정 기술은 나날이 발전하고 있는 이동통신 시스템의 핵심적 기술로서 다양한 응용 분야를 가지고 있다. Mobile station location estimation technology has various application fields as a key technology of mobile communication system which is evolving day by day.
이동통신 시스템이 발달하면서 보다 정확한 위치추정 성능을 요구하고 있는데, 현재 GPS를 이용하여 높은 정확도의 위치추정이 이루어지고 있다. As the mobile communication system develops, more precise position estimation performance is required. Currently, high accuracy position estimation is performed using GPS.
하지만 GPS 위성신호의 수신이 불가능한 경우 도착 시간 삼각변 측량법과 같은 네트워크 기반의 위치추정 기술을 사용하여야 하는데, 이 기술은 GPS에 비해 상대적으로 높은 위치추정 오차를 가지고 있다. However, if it is impossible to receive GPS satellite signals, network - based positioning techniques such as arrival time triangulation should be used. This technique has a relatively high positioning error compared to GPS.
본 발명에서는 이러한 도착 시간 삼각변 측량법의 오차를 효과적으로 개선하기 위한 교점거리 비교 방법을 제안한다. The present invention proposes an intersection distance comparison method for effectively improving the error of the arrival time triangulation method.
본 발명에서 제안된 방법을 사용하여 GPS 위성신호의 수신이 불가능한 경우에도 높은 정확도를 가지는 위치추정 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.It is considered that the position estimation result having high accuracy can be obtained even when the GPS satellite signal can not be received by using the method proposed in the present invention.
제안된 방법은 상용 이동통신 시스템은 물론, 높은 정확도가 요구되는 이동로봇 시스템 및 각종 군사용 장비에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.The proposed method is expected to be applicable not only to commercial mobile communication systems but also to mobile robotic systems and various military equipments requiring high accuracy.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments of the present invention are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.
100 : 이동통신 시스템 110, 112, 114 : 기지국
116 : 이동단말 118 : 위치 측정 서비스 서버
600 : 위치 결정 장치 610 : 수집부
612 : 제어부 614 : 위치 계산부
616 : 위치 측정부 100:
116: mobile terminal 118: location service server
600: Positioning device 610:
612: Control section 614: Position calculation section
616:
Claims (16)
상기 이동단말로 전송되는 신호의 도착 시간(TOA: Time of Arrival)을 기반으로 상기 이동단말 간 거리 추정을 위해 기준 위치를 중심으로 상기 이동단말 사이의 거리를 반지름으로 하여 제1 원 내지 제3 원을 생성하는 제어부;
상기 각 기지국을 중심으로 생성되는 제1 원이 다른 제2원 및 제3원의 영역에 포함되는 경우에, 이웃하는 두 교점의 거리를 계산하고 이 과정을 다른 이웃하는 두 교점에도 시행하는 위치 계산부; 및
상기 위치 계산부가 계산한 두개의 교점 거리중에서 짧은 거리를 선택하고, 해당하는 두 개의 교점의 평균을 이동단말의 위치로 결정하는 위치 측정부를 포함하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치.A collection unit for collecting distance information on the mobile terminal from at least two neighboring base stations adjacent to the serving base station and a base station serving the mobile terminal based on a predetermined mobile terminal;
A distance between the mobile stations is set as a radius around a reference position for estimating a distance between the mobile stations based on a time of arrival (TOA) of a signal transmitted to the mobile station, ;
When a first circle generated centering on each of the base stations is included in another area of a second circle and a third circle, a distance between two neighboring points is calculated and a position calculation part; And
And a position measurement unit for selecting a short distance among the two intersection distances calculated by the position calculation unit and determining an average of the corresponding two intersection points as a position of the mobile terminal.
상기 제어부는 아래 수학식 1을 적용하여 이동단말과 세 개의 기지국 간 거리를 측정하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치.
(수학식 1)
여기에서, i=1,2,3이며, (x,y)와 (xi ,yi )는 이동단말과 i 번째 기지국의 좌표임.The method according to claim 1,
Wherein the controller measures a distance between the mobile terminal and three base stations by applying Equation (1) below.
(1)
Here, a i = 1,2,3, (x, y ) and (x i, y i) are coordinates of the mobile terminal being the i-th base station.
상기 제어부의 도착 시간 기반 이동단말과 기지국 간의 거리 측정은,
아래 수학식 2를 통해 특정 반송 주파수에 대한 시간 지연 샘플들의 수가 계산된 시간 지연 샘플들의 수를 사용하여 측정됨을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치.
(수학식 2)
ndi=ceil((di/c)*fc)
여기서, ndi는 지연 샘플의 개수이고, c는 빛의 속도이며, fc는 특정 반송 주파수를 나타내며, ceil은 올림함수를 나타냄.The method according to claim 2,
The distance measurement between the mobile terminal and the base station based on the arrival time of the controller,
Wherein the number of time delay samples for a specific carrier frequency is measured using the number of time delay samples calculated by Equation (2) below.
(2)
nd i = ceil ((d i / c) * f c )
Where nd i is the number of delayed samples, c is the speed of light, f c is the specific carrier frequency, and ceil is the increasing function.
상기 제어부의 특정 반송 주파수에 대한 시간 지연 샘플들의 수가 계산되는 수학식2를 이용하여 이동단말과 소정 기지국 간 거리는 하기의 수학식 3에 의해 추정됨을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치.
(수학식 3)
die=(ndi*c)/fc
여기서, die는 추정된 이동단말과 i번째 기지국 사이의 거리임.The method according to claim 3,
Wherein a distance between a mobile station and a predetermined base station is estimated using Equation (2) in which the number of time delay samples for a specific carrier frequency of the control unit is calculated by Equation (3) .
(3)
d ie = (nd i * c) / f c
Here, d ie is the distance between the estimated mobile terminal and the ith base station.
상기 위치 계산부는 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점을 선택하고, 선택된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 산출하며, 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점을 선택하고, 선택된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 산출하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치.The method according to claim 1,
Wherein the position calculation unit selects any one of the intersections formed by the first circle and the second circle and the neighboring intersection in the intersection formed by the first circle and the third circle and selects the intersection formed by the selected first circle and the second circle Calculating a distance between one of the intersections and the intersecting points of the intersections formed by the first circle and the third circle and calculating the distance between the other one of the intersections formed by the first circle and the second circle, And calculates the distance between the other one of the intersections formed by the selected first and second circles and the intersection formed by the first and third circles A positioning apparatus for a mobile terminal in a communication system.
상기 위치 계산부는 교점의 거리 djj +1 산출을 아래 수학식 4를 사용하여 수행하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치.
(수학식 4)
여기에서, j=1, 3이며, j=1은 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나이고, j=2는 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나이며, j=3은 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나이고, j=4는 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나이며, (xj, yj)는 j번째 교점의 좌표임.The method of claim 5,
Wherein the position calculation unit calculates the distance d jj + 1 of the intersection using Equation (4) below.
(4)
Here, j = 1, 3, j = 1 is any one of the intersections formed by the first circle and the second circle, j = 2 is any one of the intersections formed by the first circle and the third circle, j = 3 is another one of the intersections formed by the first and second circles, j = 4 is another one of the intersections formed by the first and third circles, (x j , y j ) Coordinates of the intersection.
상기 위치 측정부는 산출된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리와 산출된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 비교하여, 두개의 교점의 거리에서 짧은 거리를 선택하며, 선택된 거리를 구하는데 사용된 2개의 교점의 평균좌표(xm, ym)를 이동 단말의 위치로 결정하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치.The method of claim 5,
Wherein the position measuring unit calculates the distance between any one of the intersections formed by the calculated first and second circles and the distance between adjacent intersections of the intersections formed by the first and third circles and the calculated first and second circles The distance between adjacent one of the intersecting points formed by the first circle and the third circle is compared to select a short distance from the distance of the two intersecting points and two (Xm, ym) of the intersection is determined as the position of the mobile terminal.
상기 위치 측정부는 아래 수학식 5를 사용하여 평균 좌표를 구하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 장치.
(수학식 5)
xm=(Ix'+Jx')/2, ym=(Iy'+Jy')/2
여기에서, (xm, ym)은 교점의 평균 좌표이고, (Ix', Iy')와 (Jx', Jy')는 2개의 교점의 각각의 좌표임.The method of claim 7,
Wherein the position measuring unit obtains an average coordinate using Equation (5): " (5) "
(5)
xm = (I x '+ J x') / 2, ym = (I y '+ J y') / 2
Here, (xm, ym) is the average coordinate of the intersection, (I x ', I y ') and (J x ', J y' ) is being respectively the coordinates of the two intersection points.
(B) 상기 위치 결정 장치가 상기 각 기지국을 중심으로 생성되는 제1 원이 다른 제2원 및 제3원의 영역에 포함되는 경우에, 이웃하는 두 교점의 거리를 계산하고 이 과정을 다른 이웃하는 두 교점에도 시행하는 단계; 및
(C) 상기 위치 결정 장치가 계산된 두개의 교점 거리에서 짧은 거리를 선택하고, 선택된 교점 거리를 구하기 위한 해당하는 두 개의 교점의 평균을 이동단말의 위치로 결정하는 단계를 포함하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 방법.(A) The distance between the mobile stations is estimated based on a time of arrival (TOA) of a signal transmitted from a plurality of base stations distributed in a predetermined position in a network to a serving mobile station Generating a first circle to a third circle to be overlapped with each other with respect to a base station, the distance being a radius between the mobile stations,
(B) when the positioning apparatus is included in the area of the second circle and the third circle in which the first circle generated centering on each base station is included in the other circle and the third circle, the distance between two neighboring points is calculated, To the two intersections; And
(C) determining, by the positioning apparatus, a short distance at the calculated two intersection distances and an average of the corresponding two intersection points for obtaining the selected intersection distance as the position of the mobile terminal A method of positioning a mobile terminal.
(수학식 1)
여기에서, i=1,2,3이며, (x,y)와 (xi ,yi )는 이동단말과 i 번째 기지국의 좌표임.[12] The method of claim 9, wherein in the step (A), the positioning apparatus measures a distance between the mobile terminal and three base stations by applying Equation (1) below.
(1)
Here, a i = 1,2,3, (x, y ) and (x i, y i) are coordinates of the mobile terminal being the i-th base station.
상기 (A) 단계에서 상기 위치 결정 장치의 도착 시간 기반 이동단말과 기지국 간의 거리 측정은,
아래 수학식 2를 통해 특정 반송 주파수에 대한 시간 지연 샘플들의 수가 계산된 시간 지연 샘플들의 수를 사용하여 측정됨을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 방법.
(수학식 2)
ndi=ceil((di/c)*fc)
여기서, ndi는 지연 샘플의 개수이고, c는 빛의 속도이며, fc는 특정 반송 주파수를 나타내며, ceil은 올림함수를 나타냄.12. The method of claim 10,
In the step (A), the distance between the mobile terminal and the base station, which is based on the arrival time of the positioning apparatus,
Wherein the number of time delay samples for a specific carrier frequency is measured using Equation (2) using the number of time delay samples calculated.
(2)
nd i = ceil ((d i / c) * f c )
Where nd i is the number of delayed samples, c is the speed of light, f c is the specific carrier frequency, and ceil is the increasing function.
상기 (A) 단계에서 상기 위치 결정 장치의 특정 반송 주파수에 대한 시간 지연 샘플들의 수가 계산되는 수학식2를 이용하여 이동단말과 소정 기지국 간 거
리는 하기의 수학식 3에 의해 추정됨을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 방법.
(수학식 3)
die=(ndi*c)/fc
여기서, die는 추정된 이동단말과 i번째 기지국 사이의 거리임.12. The method of claim 11,
Wherein in step (A), the number of time delay samples with respect to a specific carrier frequency of the positioning apparatus is calculated,
Wherein the mobile station estimates the location of the mobile station based on Equation (3).
(3)
d ie = (nd i * c) / f c
Here, d ie is the distance between the estimated mobile terminal and the ith base station.
상기 (B) 단계는
(B-1)상기 위치 결정 장치는 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점을 선택하는 단계;
(B-2) 상기 위치 결정 장치는 선택된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 산출하는 단계;
(B-3)상기 위치 결정 장치는 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점을 선택하는 단계; 및
(B-4) 상기 위치 결정 장치는 선택된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 산출하는 단계를 포함하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 방법.The method of claim 9,
The step (B)
(B-1) The positioning apparatus includes a step of selecting any one of intersections formed by the first circle and the second circle, and neighboring intersections of the intersections formed by the first circle and the third circle;
(B-2) The positioning apparatus includes a step of calculating any one of intersections formed by the selected first and second circles and a distance between adjacent intersections of the intersections formed by the first circle and the third circle;
(B-3) The positioning apparatus includes a step of selecting another one of the intersections formed by the first circle and the second circle and a neighboring intersection of the intersections formed by the first circle and the third circle; And
(B-4) The positioning apparatus includes a step of calculating the distance between the other one of the intersections formed by the selected first circle and the second circle and the neighboring intersection of the intersection formed by the first circle and the third circle Wherein the mobile terminal is a mobile terminal.
상기 (B-2) 단계와 (B-4) 단계에서 교점의 거리 djj +1 산출은 아래 수학식 4를 사용하여 수행하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 방법.
(수학식 4)
여기에서, j=1, 3이며, j=1은 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나이고, j=2는 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나이며, j=3은 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나이고, j=4는 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나이며, (xj, yj)는 j번째 교점의 좌표임.The method of claim 13,
Wherein the calculation of the distance d jj +1 between the intersections in the steps (B-2) and (B-4) is performed using the following equation (4).
(4)
Here, j = 1, 3, j = 1 is any one of the intersections formed by the first circle and the second circle, j = 2 is any one of the intersections formed by the first circle and the third circle, j = 3 is another one of the intersections formed by the first and second circles, j = 4 is another one of the intersections formed by the first and third circles, (x j , y j ) Coordinates of the intersection.
상기 (C) 단계는
(C-1) 상기 위치 결정 장치가 산출된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 어느 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리와 산출된 제1 원과 제2 원이 형성하는 교점 중의 다른 하나와, 제1 원과 제3 원이 형성하는 교점 중의 이웃하는 교점의 거리를 비교하는 단계;
(C-2) 상기 위치 결정 장치가 두개의 교점의 거리에서 짧은 거리를 선택하는 단계; 및
(C-3) 상기 위치 결정 장치가 선택된 거리를 구하는데 사용된 2개의 교점의 평균좌표(xm, ym)를 이동 단말의 위치로 결정하는 단계를 포함하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 방법.The method of claim 13,
The step (C)
(C-1) the distance between any one of the intersections formed by the first circle and the second circle calculated by the positioning apparatus and the distance between the intersections formed by the first circle and the third circle, Comparing the distance between the other one of the intersections formed by the circle and the second circle and the neighboring intersections of the intersection formed by the first circle and the third circle;
(C-2) the positioning device selecting a short distance at a distance of two intersection points; And
(C-3) determining the average coordinates (xm, ym) of the two intersections used for obtaining the selected distance by the positioning apparatus as the position of the mobile terminal .
상기 (C-3) 단계에서 상기 위치 결정 장치는 아래 수학식 5를 사용하여 평균 좌표를 구하는 이동통신 시스템에서 이동단말의 위치 결정 방법.
(수학식 5)
xm=(Ix'+Jx')/2, ym=(Iy'+Jy')/2
여기에서, (xm, ym)은 교점의 평균 좌표이고, (Ix', Iy')와 (Jx', Jy')는 2개의 교점의 각각의 좌표임.The method of claim 15,
In the step (C-3), the positioning apparatus obtains average coordinates using Equation (5) below.
(5)
xm = (I x '+ J x') / 2, ym = (I y '+ J y') / 2
Here, (xm, ym) is the average coordinate of the intersection, (I x ', I y ') and (J x ', J y' ) is being respectively the coordinates of the two intersection points.
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