KR100999557B1 - 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각기 다른 방향으로 설치된 독립적으로 동작하는 다중 방향성 안테나를 적용한 리더를 이용한 실시간 위치 추적 시스템을 정의하고, 충돌을 줄이고, 하나의 리더가 동시에 여러 태그와 송수신 가능하게 하며, 양질의 신호를 분별하여 측위 정밀도를 높이고, 3개 미만의 리더만으로 태그의 위치 측위가 가능하도록 하는 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템을 제공하기 위한 것으로서, 자신의 정보를 무선 주파수(RF)를 통하여 전달하는 RTLS 태그와, 서로 다른 방향을 바라보게 설치된 다중 방향성 안테나를 이용하여 각 안테나 별로 RTLS 태그의 신호를 송수신하는 RTLS 리더와, 상기 RTLS 리더에서 측위된 거리 및 신호의 방향성 정보를 이용하여 RTLS 태그의 위치를 추정하는 RTLS 서버를 포함하는데 있다.

RTLS, 방향성 안테나, RTLS 리더, RF 모듈

Description

다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템{Real time locating system using multi-directional antenna array}

본 발명은 실시간 위치 추적 시스템에 관한 것으로, 특히 실시간 위치 추적 시스템은 사람 또는 사물에 RTLS 송신기(transmitter)를 부착하여 이들의 위치와 경로를 실시간으로 추적하는 시스템에 관한 것이다.

실시간 위치 추적 시스템(Real Time Locating System : RTLS)은 RTLS 태그, RTLS 리더 및 RTLS 서버로 구성되며, RTLS 태그는 자신의 정보를 전달하는 역할을 하며, RTLS 리더는 RTLS 태그의 신호를 수신하고, 신호를 바탕으로 RTLS 태그와의 거리를 계산하여 RTLS 서버로 전달한다. 마지막으로 RTLS 서버는 RTLS 리더들로부터 거리 값을 전달받아 이를 이용하여 RTLS 태그의 위치를 결정짓는다.

이러한 RTLS의 응용분야는 유원지, 항만, 물류, 창고 등 사람이나 사물의 위치를 추적 하는 곳에 이용된다. RTLS는 적용되는 환경의 특성상, 많은 수의 태그가 존재하고, 멀티패스, 비가시선(None Line of Sight : NLOS) 등 위치 측위 성능에 악영향을 미치는 요인들이 존재한다.

일반적인 RTLS의 경우, 리더의 수에 비하여 태그의 수가 월등히 많기 때문 에, 하나의 리더는 여러 태그의 신호를 송수신하게 되어 있는데, 하나의 리더가 여러 태그와 통신하는 과정에서 많은 충돌이 발생하게 되며 이런 현상은 태그의 수가 늘어날수록 심해진다. 또한, 리더는 태그와의 LOS(Line of Sight)를 위해 높은 곳에 설치되게 되는데, 리더와 태그의 높이 차이로 인하여 송수신 거리가 줄어들게 된다. 이에 따라, 리더가 태그의 신호를 받게 되어도, 멀티패스 등을 통하여 신호를 수신한 경우에는 오차가 큰 거리값을 측정하게 되어 정확한 태그의 위치 측위가 어렵게 된다.

또한, 태그의 위치 측정을 위해서는 반드시 3개 이상의 리더가 태그의 신호를 수신해야 하며, 따라서, 통신의 장애나 NLOS 등으로 인하여 신호가 수신되지 않아 3개 미만의 리더가 태그의 신호를 수신한 경우, 태그의 위치추적은 실패하게 된다. 이러한 실제 환경에서의 많은 오차 요인들로 인하여 실시간 위치 추적 시스템은 정밀한 태그의 위치 추적 결과 및 동작을 보증 할 수 없게 된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 각기 다른 방향으로 설치된 독립적으로 동작하는 다중 방향성 안테나를 적용한 리더를 이용한 실시간 위치 추적 시스템을 정의하고, 충돌을 줄이고, 하나의 리더가 동시에 여러 태그와 송수신 가능하게 하며, 양질의 신호를 분별하여 측위 정밀도를 높이고, 3개 미만의 리더만으로 태그의 위치 측위가 가능하도록 하는 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 다중 방향성 안테나를 이용하여 송수신 성능을 개선시키고, 충돌을 줄이며, 양질의 신호를 가려내고, 3개 미만의 리더만으로도 태그의 위치를 추적 할 수 있게 함으로써, 기존의 실시간 위치 추적 시스템의 한계를 극복할 수 있는 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 독립적으로 동작하는 안테나와 RF 모듈을 이용하여 하나의 리더는 여러 태그의 신호를 동시에 송수신 할 수 있게 하여 충돌의 발생을 줄일 수 있는 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 각 안테나 별로 수신된 신호의 시간을 이용하여 멀티패스 유무를 가려 양질의 신호를 선택하게 하여 시스템의 측위 정밀도를 높일 수 있는 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 리더로부터 수신된 거리와 방향성 정보를 이용하여 3개 미만의 리더를 사용하여 태그의 위치를 측위할 수 있는 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템의 특징은 자신의 정보를 무선 주파수(RF)를 통하여 전달하는 RTLS 태그와, 서로 다른 방향을 바라보게 설치된 다중 방향성 안테나를 이용하여 각 안테나 별로 RTLS 태그의 신호를 송수신하는 RTLS 리더와, 상기 RTLS 리더에서 측위된 거리 및 신호의 방향성 정보를 이용하여 RTLS 태그의 위치를 추정하는 RTLS 서버를 포함하는데 있다.

바람직하게 상기 다중 방향성 안테나에 연결되어 각각의 다중 방향성 안테나를 독립적으로 동작시켜 신호가 수신된 방향을 측정하는 RF 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템의 다른 특징은 자신의 정보를 무선 주파수(RF)를 통하여 전달하는 RTLS 태그와, 독립적으로 동작하는 방향성 안테나 및 신호가 수신된 방향을 측정하는 RF 모듈을 이용하여 여러 RTLS 태그의 신호를 동시에 송수신하는 RTLS 리더와, 상기 RTLS 리더에서 측위된 거리 및 신호의 방향성 정보를 이용하여 RTLS 태그의 위치를 추정하는 RTLS 서버를 포함하는데 있다.

바람직하게 상기 방향성 안테나는 적어도 2개 이상의 방향성 안테나를 사용하여 서로 다른 방향을 바라보게 설치된 멀티어레이(multi-array) 형태인 다중 방향성 안테나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템은 실제 환경에서 발생하는 멀티패스나 NLOS(None Line of Sight) 등으로 인한 문제점을 해결하고, 3개 미만의 리더만으로 태그의 위치 추적이 가능하게 한다.

또한, 이러한 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템은 3개 미만의 리더가 태그의 신호를 수신하여도 태그의 위치 추적이 가능하고, 송수신 거리의 증가로 적은 수의 리더를 이용하여 넓은 영역을 커버 할 수 있어 비용 측면에서 유리하며, 여러 태그의 신호를 동시에 송수신 가능하여 동작 속도가 빠르고 기존의 방식에 비해 충돌이 적음 등 기존의 시스템에 비해 많은 장점을 갖고 있다. 그리고 이러한 장점들로 인해 실제 환경에서 기존의 RTLS 시스템에 비해 정밀한 태그의 위치 측위가 가능하다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 은 일반적인 실시간 위치 추적 시스템의 구조를 나타낸 구성도이다.

도 1과 같이, 실시간 위치 추적 시스템은 RTLS 태그(200)와, RTLS 리더(100)와, 그리고 RTLS 서버(300)로 구성된다.

이와 같이 구성되는 실시간 위치 추적 시스템(RTLS)에서 무선 주파수의 도착 시각(TOA : time of arrival)을 이용한 RTLS 태그(200)는 자신의 정보를 무선 주파수를 통하여 전달하는 역할을 하며, RTLS 리더(100)는 전방향 안테나(Omnidirectional Antenna)(110)를 이용하여 RTLS 태그의 메시지를 수신하고, 메시지의 전송에 걸리는 시간과 전파의 속도를 이용하여 RTLS 태그(200)와 RTLS 리더(100)의 거리를 구한 뒤, 그 값을 RTLS 서버(300)로 전달한다. 마지막으로 RTLS 서버(300)는 RTLS 리더(100)들로부터 전달받은 거리값을 이용하여 태그의 위치를 결정지어 사용자(400)에게 제공한다.

도 2 는 도 1의 RTLS에서 발생되는 송수신 문제점을 설며하기 위한 구성도이다.

도 2와 같이, RTLS는 RTLS 리더(100)는 RTLS 태그(200)와의 LOS(Line of Sight)를 위해 높은 곳에 위치하게 되는데, RTLS 리더(100)에 사용되는 전방향 안테나(Omnidirectional Antenna)(110)는 수평 방향의 방사 패턴을 가지므로, RTLS 리더(100)보다 낮은 곳에 위치한 RTLS 태그(200)는 강한 세기의 리더 신호를 받기가 어렵게 된다. 뿐만 아니라, 높이 차이 및 안테나 특성으로 인한 약한 송수신 신호는 수신이 되지 않거나, 혹은 벽(500)의 반사로 인한 멀티패스에 의한 신호와 분별이 어렵기 때문에 큰 오차를 포함한 신호를 인식 할 가능성이 높아지게 된다.

따라서 RTLS 리더와 RTLS 태그가 강한 신호로 송수신 할 수 있게 하기 위해 RTLS 리더는 전방향성 안테나가 아닌 방향성 안테나를 이용하여 RTLS 태그가 위치한 아래 방향으로 신호를 송수신하게 구성되어야 한다.

도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 다중 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템의 구조를 나타낸 구성도이다.

도 3과 같이, 실시간 위치 추적 시스템은 자신의 정보를 무선 주파수(RF)를 통하여 전달하는 RTLS 태그(200)와, 독립적으로 동작하는 방향성 안테나 및 RF 모듈을 이용하여 여러 RTLS 태그(200)의 신호를 동시에 송수신하는 RTLS 리더(100)와, 상기 RTLS 리더(100)에서 측위된 거리 및 신호의 방향성 정보를 이용하여 RTLS 태그(200)의 위치를 추정하는 RTLS 서버(300)로 구성된다.

상기 RTLS 리더(100)는 방향성 안테나(120)를 이용하여 기존에 전방향 안테나(110)로 인해 수평 방향의 방사 패턴을 가진 것으로 RTLS 태그(200)가 위치한 아래 방향의 방사 패턴을 가지게 되어 아래 방향에 위치하는 RTLS 태그(200)와 신호를 송수신 하는데 효과적이다. 이처럼 RTLS 리더(100)에서 사용되는 안테나로서 방향성 안테나(120)를 이용하면, 신호의 세기가 증가하고, 방사패턴이 RTLS 태그(200)의 방향으로 형성 되므로, 송수신 거리가 증가하게 된다.

상기 방향성 안테나(120)는 좁은 빔 형태의 방사 패턴을 가지므로, 모든 방향의 RTLS 태그(200)와 송수신하게 하기 위하여 도 4와 같이 멀티어레이(multi-array) 형태로 여러 개의 방향성 안테나를 사용하여 모든 방향을 커버할 수 있는 다중 방향성 안테나로 구성한다.

또한, 하나의 RTLS 리더(100)에 두 개 이상의 RTLS 태그(200)가 신호를 송신 할 경우, 충돌이 발생하였던 현상을 해결하기 위해 도 5와 같이 각 안테나가 독립적으로 동작하는 RF 모듈(122)과 연결하여 안테나 별로 동시에 송수신이 가능하게 한다. 이처럼 독립적으로 동작하는 방향성 안테나(120)와 RF 모듈(122)을 이용하여 하나의 RTLS 리더(100)는 여러 RTLS 태그(200)의 신호를 동시에 송수신 할 수 있게 함으로써, 충돌의 발생을 줄일 수 있게 된다.

상기 RF 모듈(122)은 신호 세기 측정이 가능하게 하여, 여러 방향성 안테나(120)에서 동일한 신호를 수신한 경우, 신호 세기를 바탕으로 신호가 수신된 방향을 측정하게 한다. 또한 신호가 수신된 시간을 비교하여 가장 먼저 수신된 신호를 가려냄으로써, 최단 경로로 전송된 신호를 이용하여 정밀한 거리 측정이 가능하게 한다.

기존의 실시간 위치 추적 시스템의 경우, RTLS 태그(200)의 위치를 측위하기 위해서는 반드시 3개 이상의 RTLS 리더(100)가 RTLS 태그(200)의 신호를 수신해야 한다. 이러한 제한은 환경적인 요인 및 기기의 오작동으로 인하여 3개 미만의 RTLS 리더(100)가 RTLS 태그(200)의 신호를 인식한 경우, RTLS 태그(200)의 위치 측정을 불가능하게 만든다.

따라서 본 발명에서는 방향성 안테나(120)로부터 측정된 방향성 정보를 이용하여 3개 미만의 RTLS 리더(100) 만으로도 RTLS 태그(200)의 위치 측위를 가능하게 한다.

도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 2개의 RTLS 리더를 이용하여 태그의 위치를 측위 하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하여 설명하면, RTLS 서버(300)는 방향성 안테나(120)를 갖는 2개의 RTLS 리더(100)로부터 RTLS 태그(200)의 신호 정보를 수신하고, 수신된 신호 정보를 이용하여 RTLS 태그(200)와의 거리를 측위한다. 이렇게 측위된 거리를 이용하면 도 6과 같이 2개의 RTLS 서버(300)에 따른 2개의 교점(P)을 구할 수 있다.

그리고 상기 RTLS 서버(300)는 상기 방향성 안테나(120)를 통해 수신된 방향성 정보를 이용하여 상기 구해진 2개의 교점(P) 중 하나를 RTLS 태그(200)의 위치로 선택하게 한다. 상기 방향성 정보를 이용한 위치 선택방법은 이미 공지된 기술로 이에 따른 상세한 설명은 생략한다.

도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 1개의 RTLS 리더를 이용하여 태그의 위치를 측위 하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하여 설명하면, RTLS 서버(300)는 방향성 안테나(120)를 갖는 1개의 RTLS 리더(100)로부터 RTLS 태그(200)의 신호 정보를 수신하고, 수신된 신호 정보를 이용하여 RTLS 태그(200)와의 거리를 측위한다. 그러면 도 7과 같이 측위된 거리와 신호의 방향성 정보를 이용하여 RTLS 태그(200)가 위치를 대략적으로 측정 가능하다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1 은 일반적인 실시간 위치 추적 시스템의 구조를 나타낸 구성도

도 2 는 도 1의 RTLS 시스템에서 발생되는 송수신 문제점을 설며하기 위한 구성도

도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 방향성 안테나를 이용한 실시간 위치 추적 시스템의 구조를 나타낸 구성도

도 4 는 도 3의 방향성 안테나의 구조를 나타낸 사시도

도 5 는 도 3의 RTLS 리더에 독립적으로 탑재한 RF 모듈을 나타낸 사시도

도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 2개의 RTLS 리더를 이용하여 태그의 위치를 측위 하는 과정을 나타낸 도면

도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 1개의 RTLS 리더를 이용하여 태그의 위치를 측위 하는 과정을 나타낸 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : RTLS 리더 110 : 전방향 안테나

120 : 다중 방향성 안테나 200 : RTLS 태그

300 : RTLS 서버 400 : 사용자

500 : 벽

Claims (4)

1. 자신의 정보를 무선 주파수(RF)를 통하여 전달하는 RTLS 태그와,

   서로 다른 방향을 바라보게 설치된 다중 방향성 안테나를 이용하여 각 안테나 별로 RTLS 태그의 신호를 송수신하는 RTLS 리더와,

   상기 RTLS 리더에서 측위된 거리 및 신호의 방향성 정보를 이용하여 RTLS 태그의 위치를 추정하는 RTLS 서버를 포함하며,

   상기 다중 방향성 안테나에 연결되어 각각의 다중 방향성 안테나를 독립적으로 동작시켜 신호가 수신된 방향을 측정하는 RF 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 위치 추적 시스템.
2. 삭제
3. 자신의 정보를 무선 주파수(RF)를 통하여 전달하는 RTLS 태그와,

   독립적으로 동작하는 복수개의 방향성 안테나 및 상기 방향성 안테나 각각에 구성되어 신호가 수신된 방향 및 측위된 거리를 측정하는 RF 모듈을 이용하여 여러 RTLS 태그의 신호를 동시에 송수신하는 RTLS 리더와,

   상기 RTLS 리더에서 측위된 거리 및 신호의 방향성 정보를 이용하여 RTLS 태그의 위치를 추정하는 RTLS 서버를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 위치 추적 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 방향성 안테나는 적어도 2개 이상의 방향성 안테나를 사용하여 서로 다른 방향을 바라보게 설치된 멀티어레이(multi-array) 형태인 다중 방향성 안테나로 구성되는 것을 특징으로 하는 실시간 위치 추적 시스템.

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