A Study on Advanced Localization Based on Time of Arrival Trilateration

Abstract

Location detection technology (LDT) is one of the core techniques for location-based service (LBS) in the wireless communication for improving resource management and quality of services. The location of a mobile station (MS) is estimated using the time of arrival (TOA) trilateration technique based on three circles with their centers corresponding to the coordinates of the three base stations (BSs) and their radii corresponding to distances between the MS and BSs. For accurately estimating the location of MS, three circles should meet at a point for the trilateration method, but they generally do not meet a point because the radius is increased depending on the number of time delay samples for estimating the distance between the MS and BS and the sampling rate. I classify all possible cases (four cases) where three circles do not meet at a single point. Those cases are classified based on the size of the estimated circles and the coordinate of BSs. In order to enhance the performance of the TOA trilateration, the advanced localization algorithms suited to each case have been proposed. In the general case (case 1), there are six intersection points of three intersecting circles based on the increased radii, the shortest distance and the line intersection algorithms are proposed. The mathematical analysis is provided to indicate the relation between the line intersection algorithm and the shortest distance algorithm. In the specific case (case 2) where there are total six intersections based on the three extended circles and a small circle has four intersections with two large circles, the comparison approach of intersection distances has been proposed. For the case 3, where there are four intersection points based on three extended circles and a small circle has two intersection points with one large circle, the small circle intersection approach has been proposed. For the case 4, there are two intersection points of two large circles and a small circle lies completely inside the overlapping area of two large circles, the closest point algorithm has been proposed. For the best performance of the location estimation, the proposed four algorithms should be employed with a hybrid form. For this purpose, I propose a mode selection algorithm to efficiently select the proper case, and a hybrid TOA trilateration algorithm based on four algorithms. In this study, I consider all possible cases for occurring the location estimation error and verify that the proposed algorithm has a lower error comparing to the conventional TOA algorithm. This advanced hybrid TOA trilateration algorithm is expected to be mainly employed in the various fields requiring excellent location estimation performance. |위치 탐지 기술 (LDT)은 무선통신에서 자원 관리 및 서비스 품질을 향상시키기 위한 위치 기반 서비스 (LBS)의 핵심 기술 중 하나이다. 이동국(MS)의 위치는 기지국(BS)의 좌표를 중심으로 하고 이동국과 기지국들 사이의 거리를 반지름으로 갖는 3개의 원을 기반으로 하는 도래시간(TOA) 삼각변측량법으로 추정한다. 삼각변측량법을 사용하는 경우 이동국의 위치를 정확하게 추정하기 위해서는 3개의 원이 한 점에서 만나야 하지만 이동국과 기지국간의 거리를 추정하기 위한 시간 지연 샘플의 수 및 샘플링 주파수에 따라 반경이 증가하기 때문에 일반적으로 한 점에서 만나지 않는다. 본 논문에서는 3개의 원이 한 곳에서 만나지 않는 모든 가능한 경우(4가지 경우)를 분류하였다. 이러한 경우는 추정된 원의 크기와 기지국의 좌표에 따라 분류된다. 또한, TOA 삼각변측량법의 성능을 향상시키기 위한 각 경우에 적합한 향상된 위치추정 알고리즘을 제안하였다. 일반적인 경우 (Case 1)에는 증가된 반지름을 기반으로 하는 교차되는 3개의 원이 6개의 교차점을 가지는데, 이 경우에 특화된 최단거리 알고리즘과 선 교차 알고리즘을 제안한다. 또한, 선 교차 알고리즘과 최단거리 알고리즘 간의 관계를 표현하기 위한 수학적 분석이 제공된다. Case 2는 세 개의 확장된 원이 총 6 개의 교차점을 생성하고, 작은 원이 두 개의 큰 원안에 위치하며 두 개의 큰 원과 네 개의 교차점을 갖는 경우로써, 이에 특화된 교차거리 비교법을 제안한다. Case 3은 세 개의 확장된 원이 네 개의 교차점을 가지고, 작은 원이 한 개의 큰 원과 두 개의 교차점을 갖는 경우로써, 이에 특화된 작은 원 교점법을 제안한다. Case 4의 경우 두 개의 큰 원이 2개의 교차점을 갖고 한 개의 작은 원이 두 개의 큰 원의 중첩영역 내에 위치하는 경우로써, 이에 특화된 최접근 점 알고리즘을 제안한다. 최적화된 위치추정 성능을 위해서는, 위에서 제시된 위치추정 기법들이 각 경우에 대해 하이브리드 형식으로 사용되어야 한다. 이를 위해, 각 경우를 효율적으로 선택할 수 있는 모드선택 알고리즘과, 모든 알고리즘을 고려한 하이브리드형 위치추정 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안된 알고리즘은 위치추정 오차가 발생할 수 있는 모든 경우를 고려하였고, 성능평가를 통해 일반적인 TOA 삼각변측량법에 비해 작은 위치추정 오차가 발생하는 것을 확인하였다. 개선된 하이브리드형 TOA 삼각변측량법은 우수한 위치추정 성능을 필요로 하는 다양한 분야에서 주도적으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.