A-GNSS( 위성항법시스템 ) 표준동향 공승현 KAIST 항공우주공학과교수 1. 머리말다양한이동통신서비스에있어서위치기반서비스 (LBS: Location Based Service) 에대한수요는꾸준히증가하며측위기술의위치정확도와신뢰도에대한중요성도계속높아지고있다. 세계최초로 1999 년미국 FCC 에서제정한긴급구조서비스의정확도와신뢰도에대한요구조건에따르면네트워크기반의측위기법의경우 67% 확률로 100m 의정확도를, 95% 의확률로 300m 의정확도를가지도록한다. A-GNSS 기술을포함한모바일기반의측위기법의경우 67% 의확률로 50m 의정확도를, 95% 의확률로 150m 의정확도를가지도록하였다 [1]. 이러한요구조건을만족하기위해미국퀄컴은기존 GPS 보다 20dB 이상의고감도신호탐지가가능하고기존 1분가량의 GPS 초기위치결정시간 (TTFF: Time To First Fix) 을수초정도로줄일수있는 Assisted GPS( 이하 A-GPS) 기술을구현한 Snpatrack 사를인수하면서 A-GPS 는이동통신핸드폰의중추적인측위기술로활용되고있다. GNSS(Global Navigation Satellite Systems) 는기존미국의 GPS 와러시아의 Glonass 그리고현재개발중 인유럽의 Galileo 와중국의 Compass 등모든위성항법시스템을통칭하며이러한이동통신에 A-GPS 와비슷한방법으로적용하는기술을 A-GNSS 로명칭한다. 현재까지이동통신측위표준은이동통신망에따른 GNSS 기반및네트워크기반측위를지원하는제어평면 (control plane) 방식과이동통신망에독립적으로응용되는사용자평면 (user plane) 방식의표준이제정되어있다. 본고에서는이와같은표준에언급되고있는 A-GNSS 기술에대해살펴보고 3GPP, 3GPP2 및 OMA에서정의된측위표준과최초제정이후개정을통하여새롭게추가된내용을포함한 A-GNSS 표준현황을소개하고표준화동향을알아보고자한다. 2. A-GNSS 기술개요기존의독립형 GPS 수신기 (Stand-alone GPS) 의경우초기동기획득시간 (TTFF: Time To First Fix) 이 40 초 ~ 수분까지소요되며고층빌딩이많은도심이나실내에서는위성신호가미약하여탐지되지않는경우가발생한다. 085
A-GNSS 는 GNSS 신호를이용한측위를할때, 이동통신망이나무선인터넷망으로연결된보조서버 (Assistance Server) 를사용하여다양한보조정보를제공받아보다신속하고정확한위치파악이가능하도록하는시스템이다. 예를들어, 단말기의신속한위치결정과미약신호의탐지를위하여획득보조정보 (Acquisition Assistance Data) 를단말기로전송하여초기동기획득시간을줄이며감도보조정보 (Sensitivity Assistance Data) 를제공하여단말기의신호탐지성능을높인다. 이외에도차등보정 (Differential Correction) 정보등을이용하여측위정확도를높이기위한여러가지오차정보를제공한다. 본절에서는이러한보조정보의내용과그활용이어떻게이루어지는지에대해좀더알아보도록한다. GPS 를사용하지않는일반적인비동기방식의기지국에서는획득보조정보의정확도가떨어져탐색영역이크게좁혀지지않는다. 2.2 감도보조정보 (Sensitivity Assistance) GNSS 는일반적으로 (GPS 기준 ) 50bps 와같은낮은비트율 (bit rate) 과 (GPS 기준 ) 약 1Mcps 의높은코드율 (code rate) 을갖는데데이터구간보다긴구간의신호누적을위하여데이터에대한정보는매우유용하다. 따라서감도보조정보는현재 GNSS 신호에담겨있는항법메시지비트 (navigation message bit) 값및현재측정되고있는신호의비트에폭 (epoch) 에대한정보등을포함하고, 단말기가비트천이 (bit transition) 를예측할수있어동기적산 (coherent integration) 시간을증가시킬수있다. GNSS satellites 2.3 기타보조정보 보조서버는획득보조정보및감도보조정보외 에도기지국의측위관련기능, 위치계산을위한기 준정보 ( 시각및위치 ), 정확도향상을위한 D-GNSS Mobile Station BTS BSC A-GNSS server 정보 ( 이온층및대류권보정정보등 ), 그리고무결성 (Integrity) 검증에관한정보 ( 위성시계오차, 궤도오차등 ) 를단말기로제공한다. [ 그림 1] A-GNSS 의측위방식 2.1 획득보조정보 (Acquisition Assistance) GNSS 신호는대부분대역확산 (Spread Spectrum) 신호로써각위성마다서로다른도플러 (Doppler) 주파수와코드위상 (code phase) 을가지고수신된다. 획득보조정보는 A-GNSS 단말기가각 GNSS 신호를신속히탐색하도록보다정확한코드위상가설영역및도플러주파수가설영역을제공한다. 단말기로전달되는획득보조정보는단말기가속한기지국의 GPS 시각동기및자체주파수, 그리고기지국의위치 ( 또는단말기의대략적위치 ) 등을기준으로만들어지므로, 2.4 동기방식과비동기방식에서의네트워크측위방식동기방식에서사용하는네트워크측위방식은 AFLT (Advanced Forward Link Trilateration) 로, 위치를알고있는서로다른기지국으로부터수신되는파일럿 (Pilot) 신호의 TDOA(Time difference of arrival) 를측정하여삼변측량 (Trilateration) 으로위치를계산하는방식이다. AFLT 는기지국신호들간의근원문제 (Near-Far Problem) 로항상 3개의기지국신호가탐지되기어렵고중계기를사용하여기지국의위치를알수없는경우사용할수없게되고대신 Cell-ID 혹은 Sector-ID 방식을사용할수있다. 086 11/12 2011
비동기방식에서는 AFLT와비슷한네트워크측위방식으로 OTDOA(Observed Time Difference Of Arrival) 과 E-OTD(Enhanced Observed Time Difference) 가표준화되어있다. 비동기기지국간의동기오차는 LMU(Location Measurement Unit) 를사용하여측정하고이를 SMLC 에전달하여단말기가얻은 OTDOA 에서동기오차성분이제거된 TDOA 를얻는다. OTDOA 방식의측위가불가능할경우, Cell-ID 혹은 Sector-ID 방식의사용이가능하다. 보조서버는네트워크방식으로단말기의대략적인위치를최대한파악하고기지국에서받은위성정보를 LCS (RRLP) [2] 가있으며, UMTS 를위한측위에요구되는기능규격에대해정리한 TS25.305 [3] 와그에대한프로토콜인 TS25.331 Radio Resource Control (RRC)[3], 그리고 LTE를위한프로토콜인 TS36.355 LTE Positioning (LPP) [4] 이있다. RRLP와 RRC 모두 A-GPS, D-GPS, A-GANSS, D-GANSS 방식등을지원한다. 3GPP2 에서정의한측위표준으로 C.S0022-0 v1.0[5] 이있으며, 이후두번의제정을거쳐현재 C.S0022-B v2.0 [6] 이나와있다. C.S0022-B v2.0 에서는 A-GPS, D-GPS, A-GNSS, D-GNSS 방식이지원된다. 바탕으로단말기로전달할보조메시지만든다. 네트워 크측위는 GNSS 측위가실패할경우, GNSS 대체측위 방식으로활용되지만다중경로로인한큰위치오차가 발생하고, 국내의경우중계기등으로인하여네트워크 측위방식은활용되지않고있다. 3. A-GNSS 표준화현황 A-GNSS 에서측위를위한데이터의교환은제어평면 및사용자평면에서이루어지며데이터의포맷은표준화 추진단체및특성에따라정의된규격을따른다. < 표 1> 표준화 추진단체 < 표 1> 측위표준규격 정의된규격 비고 RRLP (TS44.031 Radio Resource LCS ) 3GPP RRC (TS25.331 Radio Resource Control) Control Plane LPP (TS36.355 LTE Positioning ) 3GPP2 IS-801 (C.S0022-0 v3.0) Control Plane OMA SUPL 1.0, SUPL 2.0, SUPL 3.0 User Plane 3.2 OMA OMA SUPL(Open Mobile Alliance Secure User Plane Location ) 의경우사용자평면방식의 측위규격을정의하여특정이동통신망의규격에의 존하지않는유연한측위가가능하도록하고있다. [ 그 림 2] 는 OMA SUPL 1.0, 2.0, 3.0[7]-[9] 의프로토콜스 택 (stacks) 을나타낸다. IP 네트워크계층위에서보안 은 (Transport Layer Security) 에의해제공되며 ULP(User Plane Location protocol) 래퍼 (wrapper) 는 RRLP, RRC, LPP, TIA-801 측위프로토콜을위해사용 된다. SUPL 3.0 에서는기존지원하던측위프로토콜인 RRLP, RRC 지원이삭제되고 LPP 로대체되었다. RRLP RRC TIA-801 ULP 1.0 RRLP RRC LPP TIA-801 ULP 2.0 [ 그림 2] OMA SUPL protocol stacks LPP TIA-801 ULP 3.0 3.1 3GPP/3GPP2 3GPP 에서정의한 A-GANSS (Galileo and Additional Navigation Satellite Systems 의약자로 GNSS 와동일한의미 ) 측위관련주요표준으로는 GSM 을위한측위프로토콜인 TS44.031 Radio Resource 3.3 표준동향분석 < 표 2> 와 < 표 3> 은 3GPP 에서제정한 TS44.031 과 TS25.331, 그리고 3GPP2 에서제정한 C.S0022 표준의변화과정에서주요 A-GNSS 관련기능에대한추가사항을정리한것이다. 087
< 표 2> 3GPP A-GNSS 관련주요기능변화 TS44.031 (RRLP) TS25. 331 (RRC) GPS Acquisition Assistance OTDOA Assistance Data Release 4 (2001.9) D-GPS Correction, E-OTD Release 3 (2001.3) GPS Assistance Data GPS Real Time Integrity GPS Real Time Integrity GANSS Acquisition Assistance OTDOA-IPDL Assistance Data GANSS Multi-frequency Measurement Release 7 (2008.6) GANSS Real Time Integrity GANSS-Ephemeris Extension Release 4 (2002.3) GPS-Ephemeris Extension D-GANSS Release 8 (2009.9) GANSS(Modernized GPS, GLONASS) SBAS(QZSS, EGNOS, WAAS 등 ) Release 7 (2007.10) Release 8 (2009.9) GANSS Assistance Data OTDOA in WCDMA Cells Augmentation of GANSS DGNSS < 표 3> 3GPP A-GNSS 관련주요기능변화 IS-801 C.S0022-0 v3.0[15] (IS-801-1) (2001.2) C.S0022-A v1.0 (IS-801-A) (2004.3) C.S0022-B v1.0 (2009.4) GPS Location Response / Acquisition Assistance / Sensitivity Assistance/ Navigation Message GPS Extended Location Response / General Acquisition Assistance / Extended Sensitivity Assistance / Extended Navigation Message / Real Time Integrity DGPS Assistance Ephemeris Extension GNSS Acquisition Assistance / Sensitivity Assistance / Navigation Message Modernized GPS Navigation Message DGNSS Assistance Carrier Phase Measurement < 표 2> 에따라서 2 절에서소개된기본적인 A-GANSS 기 추가된새로운기능은다음과같이요약할수있다. 능에추가된새로운기능으로요약하면다음과같다. 위치응답 (Location Response) 제공 반송파위상측정을포함한다중주파수측정 (Multi-frequency Measurement) 지원 궤도력확대 (Ephemeris Extension) 정보제공 기존 GPS 외에도현대화 GPS(Modernized GPS), Galileo 나 Glonass 같은새로운위성시스템, 그리고 SBAS(WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN, QZSS) 등의광역 D-GANSS 보강시스템으로지원범위확대 정밀측위를위한 General, Extended 보조정보제공 기존 GPS 외에도현대화 GPS(Modernized GPS), Galileo 나 Glonass 같은새로운위성시스템, 그리고 SBAS (WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN, QZSS) 등의광역 D-GNSS 보강시스템으로지원범위확대 4. 맺음말 따라서, 2 절에서소개된기본적인 A-GNSS 기능에 본고에서는 A-GNSS 기술과 A-GNSS 기술을지원 088 11/12 2011
하기위한표준에대하여간략히소개하였다. A-GNSS 관련표준으로처음만들어진 IS-801 의경우, 초기신호획득시간을단축하고수신기의신호탐지감도를높이는것이주요기능이었으나, 이후측위오차의보정 (DGNSS) 및반송파위상측위 (Carrier Phase Measurement) 기술을포함하여정확도를높이고, 신호의무결성검증 (Real-time Integrity) 등을통하여신뢰도높은측위를보장하고있다. 또한새롭게추가된 GNSS 시스템의반영으로가용위성신호의폭이넓어졌고, 궤도력확대정보를이용하여 1회의보조정보로약 2주까지도보조서버의협력없이도빠른초기위치결정시간을갖게되는등, 네트워크의존도를줄이는방향으로도기술의응용가능범위가확장되었다. OMA에서는 SUPL 규격을통해이동통신망을이용한보조이상의범용보조가가능하도록지원하게됨을알수있었다. A-GNSS 관련표준이다방면으로확대됨에따라더욱진보된차세대 GNSS 신호와 A-GNSS 융합기술은 GNSS 의활용을더욱넓힐것으로기대한다. [ 참고문헌 ] [1] D.N. Hatfield, A report on technical and operational issues impacting the provision of wireless enhanced 911 services,ʼ Federal Communications Commission, Tech. Rep., 2002. [2] 3GPP TS 44.031, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network; Location Services(LCS); Mobile Station (MS) Serving Mobile Location Centre(SMLC) Radio Resource LCS (RRLP). [3] 3GPP TS 25.331, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; RRC Specification, V9.0.0, Dec. 2009 [4] 3GPP TS 36.355, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); LTE Positioning (LPP) (Release 9), Jun. 2010 [5] 3GPP2 C.S0022-0, Location Services (Position Determination Service), Version 1.0, Dec. 1999. [6] 3GPP2 C.S0022-B, Position Determination Service Standard for Dual Mode Spread Spectrum Systems, Version 2.0, Oct. 2010. [7] OMA-AD-SUPL-V1-0-20070615-A, User Plane Location [8] OMA-AD-SUPL-V2-0-20091208-C, User Plane Location [9] OMA-AD-SUPL-V3-0-20100427-D, User Plane Location 정보통신용어해설 아이아이에스 Internet In a Suitcase, IIS [ 통신망 ] 자기나라의통신망을쓰지않고광범위한지역에무선망을만들어국제인터넷과접속할수있는네트워크. 국가통제시스템들과별도로인터넷을사용할수있게해주는가방형태의통신장비시스템이다. 인터넷을검열하거나차단하는국가에서도사람들이특수한소프트웨어로자기나라의통제에서벗어나인터넷에서트위터나페이스북따위를쓸수있다. 그물형망 (mesh network) 기술로정부의감시를피해휴대전화나컴퓨터끼리연결할수있으며중앙집중식허브없이도웹사이트를만들수있다. 089