Recently, the interest in location based service lead a lot of researches on finding mobiles’ location. The conventional geolocation system like the global positioning system (GPS) requires an expensive GPS receiver within a mobile station (MS), and the line-of-sight path between the MS and the satellites, which makes it not be suitable for indoor geolocation. Thus, there is a need for new location finding technique. A new location finding system can be developed using new signaling system and infrastructure of the location sensors, or by utilizing an existing wireless network infrastructure. In this thesis, we focus on the latter one to locate the mobile station.
Various positioning algorithms and ranging schemes for wireless location systems are reviewed in this thesis. Then the time of arrival (TOA) estimation technique for IEEE 802.15.4a system is proposed. In indoor environments, it is difficult to receive the GPS signal, and large multipaths make it hard to estimate angle of arrival (AOA). Hence, the distance measurements are generally used for finding users’ location in indoor area. The proposed system utilizes the chirp spread spectrum (CSS) in the physical layer (PHY) standard of IEEE 802.15.4a. Moreover, the matrix pencil algorithm, one of the super-resolution techniques is used for precise and low complexity TOA estimation. The estimated TOA can be converted into the distance measurement. The performance of the proposed system and the conventional MUSIC (MUltiple SIgnal Classfication) algorithm is compared by computer simulations. Also, the computational complexities are provided through the required number of real operations. The parameter which influences the performance is determined by empirical way. The determined parameter is applied for various channel models in IEEE 802.15.4a. The numerical results indicate that the proposed scheme outperforms the MUSIC algorithm even though it has comparatively low computational complexity.
In addition, this thesis deals with the location technique for orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) system. The proposed technique jointly utilizes the TOA and the AOA estimations to locate users and applied to the wireless broadband (WiBro) system. The simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed scheme.
근래 E911 등 사회 안전 분야를 비롯한 실외에서의 위치 기반 응용 기술뿐만 아니라 nursing home 등 실내에서의 위치 기반 응용기술에 대한 관심이 증대되면서, 정확한 위치 추정기술에 대한 연구가 요구되고 있다. 현재 가장 널리 사용되는 측위 시스템인 GPS(Global Positioning System)는 위성과의 직접 신호 경로(LOS: Line-of-Sight)를 필요로 하며, 위성 수신기를 필요로 하는 단점이 있다. 본 논문은 이러한 GPS를 사용하지 않고 기존 무선 통신망을 이용하는 측위에 관한 것으로써, 특별히 근거리 시스템인 IEEE 802.15.4a WPAN과 WiBro 시스템을 위한 측위 시스템을 제안한다.
첫째, 근거리 실내 통신 시스템인 IEEE 802.15.4a 환경에서 거리 측정을 기반으로 하는 측위 시스템을 제안한다. 실내 환경에서는 GPS의 수신이 어렵고, 또한 multipath가 다수 존재하여 각도 추정(AOA: Angle-of-Arrival)이 힘들기 때문에 거리 추정을 통한 측위를 하게 된다. 따라서 제안하는 시스템은 정확한 거리 측정을 통하여 정확한 측위가 가능하게 하는 것을 목적으로 하며, 기존에 정확도를 높이기 위해 사용했던 방법인 super-resolution 기법이 복잡도가 높은 점을 감안하여, 상대적으로 복잡도가 낮은 기법을 제안한다. 제안된 시스템은 IEEE 802.15.4a 물리계층 표준의 하나인 CSS (Chirp Spread Spectrum)를 사용하며, LS, MMSE 등의 선형 채널 추정과 함께 super resolution 기법인 matrix pencil 알고리즘을 적용하여 TOA(Time of Arrival)을 추정하고 추정된 TOA를 이용하여 거리를 계산한다. 또한, 제안된 시스템과 기존 super resolution 기법인 MUSIC(MUltiple Signal Classification)의 복잡도를 계산하여 비교하여 제안된 기법이 복잡도 면에서 이득이 있음을 보인다. 또한, 제안된 기법의 성능과 복잡도에 영향을 미치는 parameter로써 주파수 평면 샘플 수($\It{L}$)를 시뮬레이션을 통해 결정하고 결정된 parameter를 다양한 채널 모델에 적용하여 기존 기법에 비해 낮은 계산량으로 보다 정확한 위치 추정이 가능함을 실험적으로 확인한다.
둘째, OFDMA(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) 시스템에서 다수의 사용자를 위한 TOA 및 AOA 기반 측위 시스템을 제안한다. 제안된 TOA 및 AOA 기반 측위는 다수의 안테나를 사용하는 기지국에서 Super resolution 기법을 이용하여 사용자로부터의 TOA 와 AOA 정보를 추정하는 것으로써, TOA와 AOA 정보는 수신신호에서 각각 추출되어 matrix pencil 알고리즘을 적용하여 추정된다. 제안된 측위 시스템은 거리와 각도를 추정하여 사용자의 위치를 결정하므로, 하나의 기지국만으로 사용자의 위치를 추정할 수 있다. 따라서 본 기법을 이용하면 기지국이 3개 이상 필요했던 기존 기법 혹은 기지국 하나로 cell ID 만을 추정했던 기법에 비해 적은 비용으로 보다 정확한 위치 추정이 가능하게 된다. 또, 제안된 주파수 평면에서의 AOA 추정 기법을 이용하면 기지국 안테나 수보다 많은 수의 사용자 각도를 한 심볼을 통해 추정할 수 있다. WiBro system에 제안된 기법을 적용하여 컴퓨터 실험을 통해 측위 정밀도를 확인하고 유효성을 검증한다.
