KR100789420B1 - 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위를 위한 오차보정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위를 위한 오차 보정 방법으로 측정 신호에 포함된 전파시간정보를 기준으로 장애물로 인해 발생하는 부가적인 시간지연의 조건부 확률밀도함수에 기반한 최우추정법을 응용하여 목적물의 위치를 추정하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명은 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위를 위한 오차 보정 방법으로 비가시선 환경의 특성을 내장한 광선추적기를 사용하여 비가시선 환경 내에서 가능한 전파경로(propagation path) 및 전파속도를 구하는 단계; 및 상기 전파경로 및 속도를 기준으로 광선추적법을 응용하여 목적물의 위치의 가상의 궤적을 구하는 단계; 및 상기 가상의 궤적을 통해 궤적의 교점 또는 그 근사치를 찾아 목적물의 위치를 추정하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위를 위한 오차 보정방법 {Method for accuracy enhancement for UWB indoor non-LoS location}

도 1은 종래 가시선환경에서 ToA(time of arrival) 방식의 측위기법을 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 있어서 초광대역 실내 비가시선 환경에서 무선측위기법을 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 있어서 광선추적법(ray-tracing)을 이용하여 두 노드간의 최단 전파경로를 구한 바람직한 실시예를 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 있어서 광선추적법을 이용한 초광대역 무선측위 방법을 통해 바람직한 실시예를 도시한 도면,

도 5는 비가시선 환경에서 ToA방식의 측위기법에 의해 부가적인 시간 지연을 고려하지 않은 실시예를 도시한 도면.

본 발명은 초광대역(UWB) 무선측위에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실내 비 가시선(non-LoS) 환경에서의 초광대역 위치추적 시 발생하는 오차를 보정하기 위한 방법에 관한 것이다.

초광대역 통신방식은 매우 넓은 대역폭(bandwidth)의 펄스신호를 이용해 데이터를 전송하는 무선 통신 기술이다. 초광대역 시스템에서 사용하는 신호는 그 대역폭이 수 GHz에 이르며 그 폭은 일반적으로 0.3 ns 미만이다. 이러한 신호는 그 시간해상도(time resolution)가 극히 높아, 신호의 전파시간(propagation time)에 기반하여 거리나 위치를 추정하는 거리추정 혹은 측위 시스템을 위한 응용에 매우 적합하다. 특히 복잡한 다중경로(multipath) 구조를 갖는 실내 비가시선환경에서의 무선측위를 구현하기 위한 핵심 기술로 부상하고 있다. 현재 IEEE 802.15.4a 표준화그룹에서는 상기 응용분야 위한 무선기술의 표준화가 진행 중에 있다.

종래 무선측위 방식에는 여러 가지가 있으며, 그 중 하나가 신호의 전파시간(propagation time)을 측정하여 목적물과 레퍼런스 노드(reference node)간의 거리를 계산하고, 이를 기반으로 목적물의 위치를 추정하는 time of arrival(ToA) 방식이다. 상기 방식에 의하면 전파의 전파속도는 빛의 속도와 같으므로, 신호의 도착시간(ToA)에 기반한 측위가 가능하게 된다.

도 1은 ToA 방식의 측위기법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1과 관련하여 가시선 환경에서 ToA 방식을 상술하면, 도면에서 위치가 알려진 3개의 레퍼런스 노드와, 위치를 추정하고자 하는 한 개의 모바일 노드가 나타나 있다. 2차원 상의 무선측위를 위해서는 최소 3개의 레퍼런스 노드가 필요하며, 3차원상의 무선측위를 위해서는 최소 4개의 레퍼런스 노드가 필요하다. 모바일 노드와 레퍼런스 노드는 양방향 혹은 단방향 통신기능을 가지고 있는 통신주체이다. 모바일 노드와 레퍼런스 노드간의 신호의 전파시간이 측정되면, 각 레퍼런스 노드를 중심으로 모바일 노드의 가능한 위치의 궤적을 구할 수 있는데, 이 궤적은 2차원상에서는 원이 되며, 3차원상에서는 구가 된다. 이때 얻어진 세 개의 원 혹은 구의 교점을 모바일 노드의 위치로 추정하는 방식이 ToA 무선측위방식이다.

그러나 목적물과 레퍼런스 노드 사이에 장애물이 존재하는 비가시선 환경에서는 ToA에 기반한 정확한 거리계산이 어렵게 된다. 그것은 두 가지 이유에서인데, 첫 번째로 장애물로 인해 발생하는 굴절현상으로 인해 송수신기에 존재하는 가장 짧은 전파경로가 직선경로가 아닌 굴절된 경로가 된다. 이러한 경우 신호의 실제 전파 거리는 두 노드간의 거리보다 커지게 되므로 거리추정의 오차가 발생하게 된다. 두 번째로, 장애물 매질의 유전상수(dielectric constant)는 자유공간의 유전상수보다 크므로, 매질 내에서의 전파의 전파속도는 빛의 속도보다 작아지게 된다. 상술한 원인들로 인해 비가시선 환경에서는 가시선 환경에 비해 부가적인 시간지연 (excess time delay)이 발생하게 되며, 이로 인해 추정된 거리는 실제거리보다 커지게 된다. 특히 가구, 기물, 벽 등 장애물이 많이 존재하는 실내 환경에서 이러한 오차의 발생은 더욱 현저하게 된다. 실험 결과에 의하면 송수신기간에 20cm 가량의 콘크리트벽이 가로막혀져 있을 경우, 약 30cm의 거리추정 오차가 발생하는 것으로 알려져 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 장애물이 존재하는 비가시선 채널환경에서 발생하는 초광대역 무선측위 오차를 보상하는 방법을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다. 더욱 구체적으로 상술하면 본 발명의 목적은 비가시선환경에 있어서, 실험을 통해 얻어진 부가적인 시간지연의 확률분포를 기반으로 통계적 추정기법의 하나인 최우추정법(Maximum likelihood estimation)에 기초하여 이를 초광대역 무선측위 오차를 보상하는 방법에서 도입함으로서 오차를 최소화하며, 비가시선 환경에 대한 사전지식이 없이도 오차 보상이 가능하다는데 본 발명의 목적이 있다. 또한 본 발명의 또 다른 목적은 비가시선환경에 대한 정보를 내장한 광선추적기(ray-tracer)를 이용 광선추적법에 기초하여 이를 초광대역 무선측위 오차를 보상하는 방법에 사용하는바 오차 보정의 정확도를 높이는데 본 발명의 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위를 위한 오차 보정 방법은, 측정 신호에 포함된 전파시간정보를 기준으로 장애물로 인해 발생하는 부가적인 시간지연의 조건부 확률밀도함수에 기반한 최우추정법을 응용하여 목적물의 위치를 추정하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명의 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위를 위한 오차 보정 방법은, 비가시선 환경의 특성을 내장한 광선추적기를 사용하여 비가시선 환경 내에서 가능한 전파경로 및 전파속도를 구하는 단계; 및 상기 구한 전파경로 및 속도를 기준으로 광선추적법을 응용하여 목적물의 위치의 가상의 궤적을 구하는 단계; 및 상기 가상의 궤적을 통해 궤적의 교점 또는 그 근사치를 찾아 목적물의 위치를 추정하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위 오차 보정 방법을 상세하게 설명한다.

첫째로, 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위 오차 보정방법을 최우추정법을 응용하여 상세히 설명한다.

최우추정법이라 함은 조건부확률분포함수를 최대화하는 값을 파라미터의 추정값으로 선택하는 기법으로, 조건부확률분포함수가 주어진 경우에 최적의 성능을 갖는 장점이 있다.

본 발명의 방법과 관련하여 측정 신호에 포함된 전파시간정보를 기준으로 장애물로 인해 발생하는 부가적인 시간지연의 조건부 확률밀도함수에 기반한 최우추정법을 응용하여 목적물의 위치를 추정하는 단계에 대하여 상술하면

도 2에서 도시된 바와 같이 목적물의 위치를 추정하기 위하여 3개의 레퍼런스 노드가 설치되어 있으며, 상기 레퍼런스 노드의 개수는 제한이 없으며, 이러한 각각의 레퍼런스 노드의 위치는 예를 들면 n번째 레퍼런스 노드의 위치는 좌표

로 미리 알려져 있다. 본 발명에서 목적물의 위치를 추정하고자하는 모바일 노드는 알려져 있지 않은 좌표

에 위치하고 있다.

은 모바일 노드와 n번째 레퍼런스 노드간의 거리이며 이는 하기 수학식 1에 따라 계산된다.

[수학식 1]

상기 ToA 위치인식 방식에 따라, n번째 레퍼런스 노드와 모바일 노드간의 신호의 전파 시간

을 측정하고, 빛의 속도를 기준으로 거리

을 계산한다.

상기 측정된 전파 시간

, 거리

에 있어서 비가시선 환경에서는 송수신기 간에 장애물이 존재하므로, 상기 측정된 전파시간은 부가적인 시간지연

을 포함하게 되며, 이는 하기 수학식 2를 만족한다.

[수학식 2]

상기 부가적인 시간지연

은 오차의 원인이 되며, 정확한 위치추정을 위해서는 이의 보상이 필요하다. 이때

는 독립항등분포(iid: independent, identically distributed) 확률변수(random variable)가 된다. 도 2에서 실선으로 표시된 궤적은 실제 거리에 기반하여 얻어진 궤적이며, 점선으로 표시된 궤적은 부가적인 시간지연으로 인해 발생한 거리추정오차를 포함한 궤적이다. 본 발명에서는 상기 수학식 2를 통한 오차 보정을 위해 통계적 추정방법의 하나인 최우추정법을 사용하였으며, 이에 따르면 모바일 노드의 추정좌표

은 하기 수학식 3에 따라 구해진다.

[수학식 3]

상기 수학식 3에서

은 부가시간지연

의 조건부확률밀도함수이며, 실험을 통한 통계적 모델링에 의해 하기 수학식 4와 같이 표현된다.

[수학식 4]

상기 수학식 4에서 파라미터

와

는 송수신기간의 거리

의 함수이며 하기 수학식 5에 따라 모델링 된다.

[수학식 5]

상기 수학식 5에서 상수

이다.

상기 수학식 1 내지 5의 과정을 통해 상기 수학식 3을 만족하는 추정 좌표

을 구할 수 있으며, 이는 라인서치(line search) 방식을 통해 구함이 바람직하다. 따라서 상기 수학식 3 내지 5에 부가적인 시간지연의 조건부확률분포함수가 주어져 있으므로 최우추정법에 의해 상기 오차 보정의 단계를 거쳐 추정좌표를 구하 는 경우 오차가 최소화된다.

또한 종래의 ToA 측위 방식에서는, 장애물로 인해 발생하는 부가적인 시간지연으로 인한 오차의 분포를 활용하고 있지 않으나, 상기 과정에서는 이를 활용한 추정기법을 사용함으로써, 오차를 최소화하는 것이 가능하다.

둘째로, 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위 오차 보정방법을 하기 광선추적법을 응용하여 상세히 설명한다.

비가시선 환경의 특성을 내장한 광선추적기를 사용하여 비가시선 환경 내에서 가능한 전파경로 및 전파속도를 구하는 단계에서는,

도 3에서 도시된 바와 같이 바람직한 실시예로, 광선추적기는 무선측위를 수행할 건물의 단면도를 기반으로 하고 있으며, 건물을 구성하고 있는 건축자재의 유전상수(dielectric constant), 전도율(conductivity) 등의 매질정보가 저장되어 있다. 또한 노드 a와 노드 b간의 신호의 전파 시, 신호는 가시선을 가로막고 있는 벽 등의 구조물을 투과하여야 하며, 이때 굴절 현상 등으로 인한 부가적인 시간지연이 발생한다. 상기 광선추적기는 신호가 전파해가는 가상의 경로를 추적할 수 있는 기능을 가지고 있으며, 이때 발생하는 시간지연을 계산해내는 알고리듬을 내장하고 있다. 신호가 매질을 투과할 경우, 입사각

과 투과각

는 하기 수학식 6을 만족하도록 설계되었다.

[수학식 6]

상기 수학식 6에서

과

는 매질1과 매질2의 유전상수이다. 또한 입사각이 하기 수학식 7의 조건을 만족할 때, 전반사가 일어난다고 가정하였다.

[수학식 7]

자유공간에서의 신호의 전파속도는 빛의 속도와 같으나 매질 내부에서의 전파속도

는 빛의 속도보다 작아지게 되며, 하기 수학식 8과 같이 계산된다.

[수학식 8]

상기 수학식 8에서

은 매질의 유전상수이다.

상기 과정을 통해 비가시선 환경 내의 가상의 전파경로 및 전파속도를 구하게 된다.

상기 전파경로 및 속도를 기준으로 광선추적법을 응용하여 목적물의 위치의 가상의 궤적을 구하는 단계에서는,

도 4에서 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예로, 광선추적법을 응 용하는 것으로 건물 내에는 3개의 레퍼런스 노드와 1개의 모바일 노드가 존재하며, 모바일 노드는 송신 기능을, 레퍼런스 노드는 수신기능을 가지고 있다. 모바일 노드에서 송신된 신호의 도착시간을 각 레퍼런스 노드에서 측정하게 되며, 이에 기반하여 모바일 노드의 가능한 위치의 궤적을 찾는다. 가시선 환경의 경우, 상기 궤적은 원이 되나 비가시선 환경에서는 장애물로 인한 전파효과로 인하여 변형된 궤적을 이루게 된다. 상기 변형된 궤적을 도시함에 있어서는 폴라서치(polar search) 방식을 사용함이 바람직하며, 상기 광선추적기에는 폴라서치 방식을 사용하여 모바일 노드의 변형된 궤적을 추적할 수 있는 기능을 가지고 있으며, 도 4에서는 상기 과정에 의한 바람직한 실시예로 가상의 궤적이 도시되어 있다. 상기 폴라서치 방식이라 함은 레퍼런스 노드를 중심으로 2차원 평면상의 모든 방향으로의 가상의 전파경로를 모두 추적하여 이미 측정된 전파시간에 상응하는 점의 궤적을 찾는 기법을 의미한다.

상기 가상의 궤적을 통해 궤적의 교점 또는 그 근사치를 찾아 목적물의 위치를 추정하는 단계에서는,

상기 궤적의 교점 또는 그 근사치를 추정되는 지점이 목적물의 위치인 모바일 노드의 위치가 되며, 상기 궤적의 교점 또는 그 근사치를 추정함에 있어서 모든 궤적이 한 점에서 만나는 교점이 존재할 시에는 그 교점을 모바일 노드의 추정위치로 선택하면 되나, 일반적으로 오차로 인해 이러한 교점이 존재하지 않을 수 있다. 이런 경우, 교점의 근사치를 추정위치로 선택할 수 있는데 일반적으로 최소제곱 법(Least square error estimation)을 적용함이 바람직하다. 상기 최소제곱법은 가상의 궤적들까지의 거리의 제곱의 합이 최소가 되는 지점의 좌표를 추정위치로 선택하는 방식이다.

상기 과정을 통해 목적물의 위치를 찾아내는 것의 특징을 종래의 방법과 비교하여 도 5를 통해 설명하면, 도 5는 도 4에 도시된 것과 동일한 환경에서 부가적인 시간지연을 고려하지 않고 ToA 측위를 실시한 예를 보여주는 도면이다. 삼각형 부분은 실제 위치하고 있는 모바일 노드의 위치이며, 세 개의 레퍼런스 노드를 중심으로 한 원의 궤적이 표시되어 있으며, 이에 기반하여 일반적인 최소제곱법을 통해 추정된 위치가 별표로 표시되어 있다. 도 4에서는 부가적인 시간지연을 고려하여 추정위치를 표시한 것인바 상기 양 도면에 나타난 결과를 비교할 때 부가적인 시간지연을 고려하지 않은 경우 더 큰 오차가 발생하였음을 볼 수 있으며, 따라서 상기 광선추적법을 응용하여 추정위치를 구하는 오차 보정방법을 이용하는 경우 오차가 개선되었음을 알 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위 시, 신호의 전파효과로 인해 발생하는 오차를 보정하여 측위의 정확도를 개선시킬 수 있다. 첫째로 통계적 추정기법의 하나인 최우추정법을 응용하여 사용할 경우, 무선측위를 수행하는 비가시선환경의 사전지식 없이 예를 들면, 건물의 구조 에 대한 구체적인 사전지식이 없이도 오차 보정을 수행할 수 있다는 장점이 있다. 또한 둘째로 본 발명에서 제시한 또 다른 방식인 광선추적법을 이용한 방법의 경우에는, 비가시선 환경에 대한 정보를 내장한 예를 들면, 건물의 단면도와 건축자재의 특성에 대한 정보를 내장한 광선추적기가 구축되어 있는 환경에서만 적용이 가능하나, 오차 보정의 정확도를 극대화 시킬 수 있다는데 발명의 우수한 효과가 있다.

Claims (5)

1. 무선측위를 위한 오차 보정방법에 있어서,

   ToA 방식에 의해 측정 신호에 포함된 전파시간정보를 기준으로 부가적인 시간지연의 확률분포에 근거한 최우추정법에 의해 목적물의 위치를 추정하는 단계로 이루어지고, 상기 최우추정법에 의할 경우 조건부 확률밀도함수가

   

   이고, 상기 조건부 확률밀도함수의

   

   와

   

   이 각각

   

   인 것을 특징으로 하는 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위를 위한 오차 보정방법.
2. 삭제
3. 무선측위를 위한 오차 보정방법에 있어서, 비가시선 환경의 특성을 내장한 광선추적기를 사용하여 비가시선 환경 내에서 가상의 전파경로 및 속도를 구하는 단계; 및 상기 가상의 전파경로 및 속도를 통해 광선추적기를 사용 광선추적법에 의해 전파시간을 기준으로 목적물 위치의 가상의 궤적을 구하는 단계; 및 상기 가 상의 궤적을 통해 궤적의 교점 또는 근사치를 찾아 목적물의 위치를 추정하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위를 위한 오차 보정방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 가상의 궤적을 구하는 단계에 있어서, 폴라서치방식을 이용하여 가상의 궤적을 구하는 것을 특징으로 하는 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위를 위한 오차 보정방법.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 궤적의 교점 또는 근사치를 찾아 목적물의 위치를 추정하는 단계에 있어서, 상기 궤적들까지의 거리의 제곱의 합이 최소가 되는 지점의 좌표를 찾는 최소제곱법을 사용하여 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 실내 비가시선 환경에서의 초광대역 무선측위를 위한 오차 보정방법.

Images