[논문]LTE 신호의 CRS를 이용한 TOA 기반 거리 측정 방법

강태원; 이하림; 서지원

doi:10.12673/jant.2019.23.5.437

LTE 신호의 CRS를 이용한 TOA 기반 거리 측정 방법
TOA-Based Ranging Method using CRS in LTE Signals 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.5, 2019년, pp.437 - 443

강태원 (연세대학교 글로벌융합공학부) , 이하림 (연세대학교 글로벌융합공학부) , 서지원 (연세대학교 글로벌융합공학부)

초록
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본 논문에서는 LTE 기지국 (BS; base station)과 단말기 (UE; user equipment) 간의 거리를 신호 도달 시간 (TOA; time-of-arrival)을 이용해 계산하는 알고리즘을 소개하였다. 먼저, 수신된 신호를 발신한 기지국을 판별하기 위해 primary synchronization signal (PSS)와 secondary synchronization signal (SSS)를 이용하여 셀 아이디를 취득하였다. 제시된 알고리즘에서는 상용 LTE 신호에 포함된 기준 시퀀스인 cell-specific reference signal (CRS)를 구축된 자원 그리드에서의 2차원 상호 상관을 통해 지연 시간을 계산하였다. 지연 시간의 변화는 신호 도달 시간의 변화로 계산되어 알려진 BS의 위치로부터 UE와의 거리를 계산하는 과정에 사용할 수 있다. 제시된 알고리즘의 성능은 실제 환경에서의 상용 LTE 신호를 이용한 거리 계산 실험에 사용되어 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a new algorithm for the calculation of the range between an LTE base station (BS) and a user equipment (UE) using time-of-arrival (TOA) measurements of LTE signals is proposed. First, the cell identity (cell ID) of the received signal is acquired using the primary synchronization signal (PSS) and secondary synchronization signal (SSS) to identify the BS transmitted the signal. The proposed algorithm exploits the cell-specific reference signal (CRS), the reference sequence inserted in commercial LTE signals, to estimate the time delay using 2D cross-correlation. The obtained TOA estimations can be used to calculate the range employed from the known BS location. The performance of the proposed algorithm is evaluated with the experiment performed using real LTE signals transmitted from the commercial BS.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. LTE 신호의 기본 구조. Fig. 1. Basic structure of the LTE signal.
그림 그림 2. LTE 셀 아이디 취득 과정 Fig. 2. LTE Cell ID acquisition process.
그림 그림 3. Normal cyclic prefix 자원 그리드 내 CRS의 위치. 색칠된 위치가 CRS가 위치한 자원 요소이며, 빨강/노랑/파랑/초록은 각각 안테나 포트 0/1/2/3에서 발신된 CRS임을 의미한다. Fig. 3. CRS position in a normal cyclic prefix resource grid. Red/yellow/blue/green respectively depicts CRS sent over antenna port 0/1/2/3.
그림 그림 4. CRS를 이용한 지연 시간 및 거리 계산 과정 Fig. 4. Time delay and range calculation process using CRS.
그림 그림 5. 안테나에 연결된 ADI AD9361를 비롯한 LTE 수신 실험 환경 Fig. 5. Experimental setup of LTE signal acquisition showing ADI AD9361 connected with an antenna.
그림 그림 6. BS와 UE의 실험 장소. Fig. 6. Locations of the BS and UE for the experiment.
표 표 1. 수신된 LTE 신호 정보 Table 1. Information of the received LTE signal.
그림 그림 7. 실험 시간 동안의 거리 오차 Fig. 7. Distance error during the experiment.
그림 그림 8. 거리 오차의 누적 확률 분포 함수 Fig. 8. Experimental CDF of the distance error.
표 표 2. BS와 UE 간 거리 계산 결과 Table 2. Calculation result of the range between BS and UE.

AI 본문요약
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문제 정의

CRS는 PSS나 SSS와 달리 시간과 주파수 영역 모두에 산개되어 있어 2차원 상호 상관을 통해 지연 시간 (time delay)을 도출할 수 있다[23]-[24]. 본 논문에서는 CRS를 통해 거리를 측정하는 방법에 집중하였다.
본 논문에서는 수신된 LTE 신호를 자원 그리드에 표현하여 CRS를 2차원 상호 상관 분석하여 BS와 고정된 위치의 UE 간 거리를 연속적으로 계산하는 알고리즘을 제시하였다. 제시된 알고리즘을 이용하여 실제 LTE 신호를 수집하여 거리를 측정한 실험 결과 또한 제시되었다.
본 논문에서는 실제 상용 LTE 신호로 거리 측정을 할 수 있는 알고리즘에 대해 소개하고 알고리즘을 이용해 실제 LTE 신호를 수신하여 거리를 계산하였다. 논문에서 연구된 알고리즘은 LTE 신호 내의 자원 그리드를 구성하여 그 안의 CRS와 2차원 상호 상관을 통해 지연 시간 및 거리를 계산하였다.

제안 방법

본 논문에서는 실제 상용 LTE 신호로 거리 측정을 할 수 있는 알고리즘에 대해 소개하고 알고리즘을 이용해 실제 LTE 신호를 수신하여 거리를 계산하였다. 논문에서 연구된 알고리즘은 LTE 신호 내의 자원 그리드를 구성하여 그 안의 CRS와 2차원 상호 상관을 통해 지연 시간 및 거리를 계산하였다. 제안된 알고리즘에는 복잡한 채널 추정과 필터링 과정이 포함되어 있지 않아 연속적인 거리 계산에 유리하다.
지연 시간 계산은 1 프레임(10 ms)마다 이루어졌으며 연속적인 5 프레임 (50 ms)마다 지연 시간 변화의 평균을 계산하여 거리로 환산하였다. 본 실험에서는 5 초 동안 수집한 LTE 신호 안에서 100 회의 연속적인 거리 계산이 이루어졌다. 표 2는 거리 계산 결과의 평균 제곱근 오차와 표준편차, 최대 오차를 계산한 결과이다.
수신된 LTE 신호의 지연 시간을 구하기 위해 CRS를 이용하였다. 3장에서는 고정된 위치의 UE에서 지연 시간을 연속적으로 계산하고 이로부터 BS와 UE 간 거리를 계산하였다.
수신된 신호는 889 MHz 중심 주파수 신호이다. 수집된 신호는 자체 개발된 MATLAB 코드를 통해 셀 ID 및 지연 시간을 취득하고 이로부터 거리를 계산하였다. 수신된 신호 후처리 단계에서 셀 ID 59를 검출하였고, 셀 ID 59를 발신하는 BS와 UE와의 직선 거리는 약 92.
본 논문에서는 수신된 LTE 신호를 자원 그리드에 표현하여 CRS를 2차원 상호 상관 분석하여 BS와 고정된 위치의 UE 간 거리를 연속적으로 계산하는 알고리즘을 제시하였다. 제시된 알고리즘을 이용하여 실제 LTE 신호를 수집하여 거리를 측정한 실험 결과 또한 제시되었다.

대상 데이터

수신된 신호는 889 MHz 중심 주파수 신호이다. 수집된 신호는 자체 개발된 MATLAB 코드를 통해 셀 ID 및 지연 시간을 취득하고 이로부터 거리를 계산하였다.
LTE 신호 수신을 위해 상용 안테나에 연결된 Analog Device 사(社)의 ADI AD9361 시스템 온 모듈 (SOM; system-on-module) 소프트웨어 기반 수신기가 사용되었다. 신호 수집은 인천 연세대학교 국제캠퍼스 교내에서 진행되었으며, 교내의 수신 가능한 신호를 발신하는 BS들의 위치와 각각의 BS들이 발신하는 신호의 셀 ID는 실험 이전에 실시간 이동측위 (RTK; real time kinematic)를 이용해 센티미터 오차 수준의 정확도로 측정 및 조사되었다. UE의 실험 위치는 GPS를 통해 측정되었다.

데이터처리

그림 7과 그림 8은 각각 셀 ID 59의 신호로부터 계산한 시간에 따른 LTE 신호 기반 거리측정 오차와 거리 오차의 누적 확률 분포 함수를 그린 그래프이다. 지연 시간 계산은 1 프레임(10 ms)마다 이루어졌으며 연속적인 5 프레임 (50 ms)마다 지연 시간 변화의 평균을 계산하여 거리로 환산하였다. 본 실험에서는 5 초 동안 수집한 LTE 신호 안에서 100 회의 연속적인 거리 계산이 이루어졌다.

이론/모형

그림 5는 LTE 신호 수신을 위한 실험 환경 사진이다. LTE 신호 수신을 위해 상용 안테나에 연결된 Analog Device 사(社)의 ADI AD9361 시스템 온 모듈 (SOM; system-on-module) 소프트웨어 기반 수신기가 사용되었다. 신호 수집은 인천 연세대학교 국제캠퍼스 교내에서 진행되었으며, 교내의 수신 가능한 신호를 발신하는 BS들의 위치와 각각의 BS들이 발신하는 신호의 셀 ID는 실험 이전에 실시간 이동측위 (RTK; real time kinematic)를 이용해 센티미터 오차 수준의 정확도로 측정 및 조사되었다.

성능/효과

본 논문에서 보인 거리 오차 정확도인 약 20 m는 PRS의 측위 정확도인 약 50 m[28], TOA를 구하기 위해 채널 임펄스 응답을 이용한 결과인 약 43 m[29]보다 좋으며, 채널 추정이나 신호 추적 (tracking), 추가적인 SIB (signal information block) 디코딩[27]의 필요 없이 좋은 성능의 거리 계산이 가능함을 확인하였다.
제안된 알고리즘에는 복잡한 채널 추정과 필터링 과정이 포함되어 있지 않아 연속적인 거리 계산에 유리하다. 본 논문의 알고리즘을 사용한 실험에서 연속적인 거리측정 오차 약 20 m를 달성하였으며, PRS나 채널 추정 기법을 활용한 결과보다 높은 성능을 보임을 확인하였다.
수집된 신호는 자체 개발된 MATLAB 코드를 통해 셀 ID 및 지연 시간을 취득하고 이로부터 거리를 계산하였다. 수신된 신호 후처리 단계에서 셀 ID 59를 검출하였고, 셀 ID 59를 발신하는 BS와 UE와의 직선 거리는 약 92.19 m 였다. 거리에는 BS와 UE의 수직 및 수평 거리 모두 고려되었다.
논문에서 연구된 알고리즘은 LTE 신호 내의 자원 그리드를 구성하여 그 안의 CRS와 2차원 상호 상관을 통해 지연 시간 및 거리를 계산하였다. 제안된 알고리즘에는 복잡한 채널 추정과 필터링 과정이 포함되어 있지 않아 연속적인 거리 계산에 유리하다. 본 논문의 알고리즘을 사용한 실험에서 연속적인 거리측정 오차 약 20 m를 달성하였으며, PRS나 채널 추정 기법을 활용한 결과보다 높은 성능을 보임을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수신된 LTE 신호에 대해 시간 영역에서 PSS나 SSS의 시퀀스를 상호 상관 (cross-correlation)을 통해 찾아내고 시간 지연을 계산하여 의사 거리 (pseudorange)를 도출해는 방법의 문제점은?	수신된 LTE 신호에 대해 시간 영역에서 PSS나 SSS의 시퀀스를 상호 상관 (cross-correlation)을 통해 찾아내고 시간 지연을 계산하여 의사 거리 (pseudorange)를 도출해 낼 수 있다[18]-[19]. 그러나 이 방법은 GPS와 유사하게 다중 경로(multipath)에 취약하다는 단점이 있다[20]. 위 단점을 해결하기 위해 세 번째 기준 시퀀스인 CRS (cell-specific reference signal)을 사용할 수 있다.
	LTE란?	LTE (long-term evolution) 는 4세대 무선 통신 시스템의 기준으로 최근 측위에 사용할 수 있는 기회 신호 중 하나로 크게 주목받는 신호이다. LTE 신호의 높은 정보 전송률, 전파 대역폭 및 커버리지는 측위에 적합한 장점으로 여겨지고 있다[16].
	UE는 수신된 LTE 신호의 프레임 시작 시각을 추정하기 위해 무엇을 이용하는가?	UE는 수신된 LTE 신호의 프레임 시작 시각을 추정하기 위해 매 프레임의 특정 시간에 삽입된 PSS와 SSS 두 동기화 신호를 이용한다. PSS는 Zadoff-Chu 시퀀스 기반의 기준 시퀀스로 슬롯 0과 10의 마지막 심볼에 담겨 전송된다.

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