KR101037435B1

KR101037435B1 - Ｃｓｓ 기반의 위치 인식 시스템

Info

Publication number: KR101037435B1
Application number: KR1020090063463A
Authority: KR
Inventors: 이장연; 양진욱; 조진웅; 권대길
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2011-05-31
Also published as: KR20110006029A

Abstract

본 발명은 무선통신망을 이용한 태그 노드의 위치 산출 및 산출된 위치를 상위 노드인 싱크 노드로 전송하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 특징에 따른 위치 인식 네트워크 시스템은 인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드를 검색하고, 검색된 상기 베이스 노드로 셀 정보를 요청하며, 앵크 노드와의 거리 측정을 위한 제1데이터를 앵커 노드로 전송하며, 상기 앵커 노드로부터 상기 제1데이터의 수신시간과 처리지연시간을 포함한 제2데이터를 수신하고, 상기 제2데이터에 포함된 시간 정보와 상기 제1데이터의 송신시간을 이용하여 상기 앵커 노드와 제1거리값을 산출하고, 상기 산출한 제1거리값이 포함된 거리 정보를 베이스 노드로 전송하는 태그 노드; 셀 내부에 고정되며, 상기 태그 노드로부터 수신한 상기 제1데이터의 수신 시점과 처리 지연 시간을 포함한 상기 제2데이터를 생성하여 상기 태그노드로 전송하는 앵커 노드; 상기 태그 노드로부터 요청받은 셀 정보를 전송하며, 전송받은 상기 거리 정보와 상기 앵커 노드의 고정된 위치 정보를 이용하여 상기 태그 노드의 위치를 산출하는 베이스 노드를 포함하여 이루어진다.

CSS, 노드, 위치인식, 셀, 태그 노드, 베이스 노드, 앵커 노드, 거리 정보, 에드-훅, 스케줄링

Description

ＣＳＳ 기반의 위치 인식 시스템{System for location awareness based Chirp Spread Spectrum}

위치 인식 기술은 앞으로 다가올 유비쿼터스 시대에서 보이지 않는 기술로 교통, 군사, 유통, 물류, 홈 네트워크 등의 환경에서 다양한 서비스 제공을 위한 핵심 기초 기반 기술로 이해되고 있다. 위치 인식 기술은 크게 2가지로 분류할 수 있는데 GPS를 이용한 광역통신과 근거리 위치 인식을 위한 WPAN(Wireless Personal Area Network)로 분류할 수 있다. 현재 교통, 군사 등의 분야에서 널리 사용되고 있는 GPS는 넓은 범위를 측정할 수 있는 대신에 터널, 실내 등 시야가 확보되지 않는 지역에서는 위치 인식이 불가능하며 정확도가 낮은 단점을 가지고 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 다양한 방법으로 실내 및 음영지역의 위치 인식을 위한 연구가 활발하게 이루어고 있으며, 대표적인 기술로 Wi-Fi, Zigbee, 블루투스, RFID, 초음파 등이 있다. Wi-Fi, Zigbee, 블루투스, RFID를 이용한 위치 인식 기술은 저 전력으로 동작하는 기술이지만 낮은 정확도와 이동궤적을 추적하기 힘든 단점이 있으며, 초음파(Ultra Sonic), 적외선 센서를 이용한 위치 인식 기술은 정확한 위치 인식이 가능하지만 통신 LOS(Line-OF-Sight) 확보와 높은 비용이 요구되는 단점이 있다.

이런 문제를 해결하기 위해 IEEE 802.15.4a 태스킹 그룹(Tasking Group)은 저속의 무선통신을 기본으로 저 전력과 높은 정확도로 거리를 측정할 수 있는 새로운 기술 표준을 정하였다.

이 표준은 UWB(Ultra Wideband) 대역을 사용하는 임펄스 라디오(Impulse Radio: IR) 진영과 ISM(Industrial Scientific Medical) 밴드 주파수 대역을 사용하는 첩 확산 스펙트럼(Chirp Spread Spectrum: CSS) 진영을 선정하였다.

이중에서 ISM 주파수 대역을 사용하는 DBO-CSS(Deferentially Bi-Orth ogonal Chirp Spread Spectrum)방식은 확산대역(Spread Spectrum) 신호 중 하나인 첩(Chirp) 신호를 사용하는 방식으로 이 신호의 상관관계 특성(Correlation property)을 이용하여 높은 정확도를 갖는 거리 측정을 할 수 있다.

하지만 거리를 측정하는 방식으로 RF 신호만을 사용하기 때문에 높은 전력소비가 요구되며 다중 네트워크 환경의 명확한 프로토콜이 제시되지 않고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 저 전력으로 태그 노드의 위치를 인접한 다른 노드들과의 거리 정보를 이용하여 산출하며, 산출된 태그 노드의 위치 정보를 최적의 경로를 이용하여 위치 인식 네트워크를 구성하고 있는 싱크 노드로 제공함으로서, 상대적으로 낮은 전력으로 높은 정확도를 갖는 위치 인식 네트워크를 구성함을 목적으로 한다.

본 발명의 일 특징에 따른 위치 인식 네트워크 시스템은 인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드를 검색하고, 검색된 상기 베이스 노드로 셀 정보를 요청하며, 앵커 노드와의 거리 측정을 위한 제1데이터를 앵커 노드로 전송하며, 상기 앵커 노드로부터 상기 제1데이터의 수신시간과 처리지연시간을 포함한 제2데이터를 수신하고, 상기 제2데이터에 포함된 시간 정보와 상기 제1데이터의 송신시간을 이용하여 상기 앵커 노드와 제1거리값을 산출하고, 상기 산출한 제1거리값이 포함된 거리 정보를 베이스 노드로 전송하는 태그 노드; 셀 내부에 고정되며, 상기 태그 노드로부터 수신한 상기 제1데이터의 수신 시점과 처리 지연 시간을 포함한 상기 제2데이터를 생성하여 상기 태그노드로 전송하는 앵커 노드; 상기 태그 노드로부터 요청받은 셀 정보를 전송하며, 전송받은 상기 거리 정보와 상기 앵커 노드의 고정된 위치 정보를 이용하여 상 기 태그 노드의 위치를 산출하는 베이스 노드를 포함하여 이루어진다.

전술한 구성에서, 상기 위치 인식 네트워크 시스템의 앵커 노드는 송신시간이 포함된 제3데이터를 상기 태그 노드로 전송하며, 상기 태그 노드로부터 전송받은 제4데이터에 포함된 시간정보들과 상기 제4데이터의 수신시간이 포함된 제5데이터를 상기 태그 노드로 전송하며, 상기 태그 노드는 상기 제3데이터의 수신시간과 처리 지연시간을 포함된 상기 제4데이터를 상기 앵커 노드로 전송하며, 상기 앵커 노드로부터 수신한 상기 제5데이터에 포함된 시간 정보를 이용하여 상기 앵커 노드와의 제2거리값을 산출하며, 상기 제1거리값과 상기 제2거리값을 이용하여 거리 정보를 생성할 수 있다.

한편, 상기 셀 정보는 셀을 구성하고 있는 앵커 노드의 개수를 포함하며, 상기 태그 노드는 셀의 구성하고 있는 앵커 노드들과 순차적으로 상기 제1거리값과 상기 제2거리값을 산출하고, 상기 제1거리값과 제2거리값을 이용하여 생성한 거리 정보를 상기 베이스 노드로 전송한 후 슬립 상태로 전환한다.

다음으로, 상기 태그 노드는 일정 주기 간격으로 통신을 수행하기 위한 활성상태와 통신을 수행하지 않는 슬립상태를 반복하며, 상기 베이스 노드는 상기 태그 노드로부터 셀 정보 전송이 요청되면, 셀을 구성하고 있는 다른 태그 노드의 상태가 활성상태이면 요청받은 상기 셀 정보 전송을 거부할 수 있다.

부가하여, 위치 인식 네트워크 시스템은 상기 베이스 노드, 태그 노드, 앵커 노드들 중 적어도 하나의 노드에 대해 현재 전원 상태 및 위치 정보를 포함하는 정 보의 전송을 요청하거나, 동작 모드 및 셀의 크기 정보 변경을 요청하는 관리 에이전트를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 위치 인식 네트워크 시스템은 인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드로 셀 정보를 요청하여, 앵커 노드와 거리정보를 산출하여 베이스 노드로 전송하는 태그 노드; 상기 태그 노드로부터 요청받은 셀 정보를 전송하며, 전송받은 상기 거리 정보와 상기 앵커 노드의 고정된 위치 정보를 이용하여 상기 태그 노드의 위치 정보를 산출하며, 산출한 상기 태그 노드의 위치 정보를 전송하기 위한 경로를 탐색하는 베이스 노드; 상기 태그 노드의 위치 정보를 수신하는 싱크 노드를 포함한다.

전술한 구성에서 상기 경로 탐색은 인접 셀과의 거리, 전송하고자 하는 트래픽의 양, RF 신호의 세기를 이용하여 탐색할 수 있다.

다음으로, 위치 인식 네트워크 시스템은 탐색된 경로 상에 위치하고 있는 베이스 노드의 잔여 전력이 설정된 임계치보다 작으면, 상기 베이스 노드와 인접한 베이스 노드를 이용하여 상기 태그 노드의 위치 정보를 전송할 수 있다.

부가하여, 베이스 노드는 수신한 태그 노드의 위치 정보 및 직접 산출한 상기 태그 노드의 위치 정보를 전송할 인접 베이스 노드에 관한 정보를 저장하며, 전송할 상기 태그 노드의 위치 정보가 발생되면 저장된 상기 인접 베이스 노드로 전송할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 위치 인식 네트워크 시스템은 인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드를 검색하고, 검색된 상기 베이스 노드로 셀 정보를 요청하며, 앵커 노드와의 거리 측정을 위한 제1데이터를 앵커 노드로 전송하며, 상기 앵커 노드로부터 상기 제1데이터의 수신시간과 처리지연시간을 포함한 제2데이터를 수신하고, 상기 제2데이터에 포함된 시간 정보와 상기 제1데이터의 송신시간을 이용하여 상기 앵커 노드와 제1거리값을 산출하고, 상기 산출한 제1거리값이 포함된 거리 정보를 베이스 노드로 전송하는 태그 노드; 셀 내부에 고정되며, 상기 태그 노드로부터 수신한 상기 제1데이터의 수신 시점과 처리 지연 시간을 포함한 제2데이터를 생성하여 상기 태그노드로 전송하는 앵커 노드; 상기 태그 노드로부터 요청받은 셀 정보를 전송하며, 전송받은 상기 거리 정보와 상기 앵커 노드의 고정된 위치 정보를 이용하여 상기 태그 노드의 위치를 산출하는 베이스 노드; 상기 태그 노드의 위치 정보를 수신하는 싱크 노드를 포함한다.

전술한 구성에서, 상기 위치 인식 네트워크 시스템의 앵커 노드는 송신시간이 포함된 제3데이터를 상기 태그 노드로 전송하며, 상기 태그 노드로부터 전송받은 제4데이터에 포함된 시간정보들과 상기 제4데이터의 수신시간이 포함된 제5데이터를 상기 태그 노드로 전송하며, 상기 태그 노드는 상기 제3데이터의 수신시간과 처리 지연시간을 포함된 상기 제4데이터를 상기 앵커 노드로 전송하며, 상기 앵커 노드로부터 수신한 상기 제5데이터에 포함된 시간 정보를 이용하여 상기 앵커 노드 와의 제2거리값을 산출하며, 상기 제1거리값과 상기 제2거리값을 이용하여 거리 정보를 생성할 수 있다.

다음으로, 상기 베이스 노드는 수신한 태그 노드의 위치 정보 및 직접 산출한 상기 태그 노드의 위치 정보를 전송할 인접 베이스 노드에 관한 정보를 저장하며, 전송할 상기 태그 노드의 위치 정보가 발생되면 저장된 상기 인접 베이스 노드로 전송할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 위치 인식 네트워크 시스템은 인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드로 셀 정보를 요청하며, 상기 앵커 노드로부터 제1데이터의 수신시간과 처리지연시간을 포함한 제2데이터를 수신하고, 상기 제2데이터에 포함된 시간 정보와 상기 제1데이터의 송신시간을 이용하여 앵커 노드와 거리정보를 산출하여 베이스 노드로 전송하는 태그 노드; 셀 내부에 고정되며, 상기 태그 노드로부터 수신한 1데이터의 수신시간과 처리 지연 시간이 포함된 상기 제2데이터를 생성하여 상기 태그 노드로 전송하는 앵커 노드; 상기 태그 노드로부터 요청받은 셀 정보를 전송하며, 전송받은 상기 거리 정보와 상기 앵커 노드의 고정된 위치 정보를 이용하여 상기 태그 노드의 위치 정보를 산출하며, 수신한 태그 노드의 위치 정보 및 산출한 상기 태그 노드의 위치 정보를 전송할 인접 베이스 노드에 관한 정보를 저장하며, 전송할 상기 태그 노드의 위치 정보가 발생되면 저장된 상기 인접 베이스 노드로 전송하는 베이스 노드를 포함한다.

전술한 구성에서 상기 셀 정보는 셀을 구성하고 있는 앵커 노드의 개수를 포함하며, 상기 태그 노드는 셀의 구성하고 있는 앵커 노드들과 순차적으로 상기 거리 정보를 산출하여 상기 베이스 노드로 전송한 후 슬립 상태로 전환할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드를 검색하고, 검색된 상기 베이스 노드로 셀 정보를 요청하는 제어부; 앵커 노드와의 거리 측정을 위한 제1데이터를 앵커 노드로 전송하는 전송부; 상기 앵커 노드로부터 상기 제1데이터의 수신시간과 처리지연시간을 포함한 제2데이터를 수신하는 수신부;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 제2데이터에 포함된 시간 정보와 상기 제1데이터의 송신시간을 이용하여 상기 앵커 노드와 제1거리값을 산출하며, 상기 전송부는 산출한 상기 제1거리값이 포함된 거리 정보를 상기 베이스 노드로 전송하는 태그 노드를 제안한다.

본 발명의 위치 인식 네트워크는 셀을 구성하고 있는 태그 노드의 위치는 고정된 앵커 노드를 이용하여 산출하며, 이와 같이 함으로서 태그 노드의 위치를 저 전력으로 산출할 수 있으며, 동시에 정확한 이동 궤적을 산출할 수 있다. 즉, 상대적으로 낮은 전력으로 높은 정확도를 갖는 위치 인식 네트워크를 구성할 수 있으므로 음역지역에 효율적으로 적용할 수 있다. 또한, 산출된 태그 노드의 좌표값은 비용을 고려하여 멀티 홉 릴레이 방식으로 싱크 노드로 전달한다.

본 발명의 위치 인식 네트워크를 구성하는 태그 노드는 전력 소비를 줄이고 수명을 최대로 하기 위해 활성 모드와 슬립 모드를 가지며, 슬립 모드동안에는 전원을 차단하여 불필요한 전원이 소모되는 것을 방지한다. 또한, 본 발명은 두 개의 태그 노드들 각각이 동일 시점에서 앵커 노드와 거리를 산출하는 것을 방지함으로서 데이터 오류를 줄일 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 무선통신망을 이용한 태그 노드의 위치 산출 및 산출된 위치를 싱크 노드로 전송하는 시스템 및 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

이하 먼저 본 발명의 이해를 위해 CSS의 특성 및 네트워크 기술에 대해 간략하게 알아보기로 한다.

저 전력 기반의 위치 인식을 위해 제안된 IEEE 802.15.4a는 CSS와 IR-UWB(Impulse Radio-Ultra Wide Band)를 포함한 표준으로 CSS를 위한 2.45 GHz대역의 주파수 대역과 UWB를 위한 3.1 ~ 10.6 GHz대역 및 250 ~ 750 MHz대역의 주파수 대역을 포함하고 있다. CSS의 주파수 대역은 최소 250 kb/s에서 최대 2 Mb/s의 속도를 제공하며, IR-UWB에서는 일반적으로 842kb/s를 제공한다.

CSS의 변조 방식으로 DBO(Differential Bi-Orthogonal Shift Keying)방식을 사용하는데 이는 특정 선형 첩(Linear Chirp)에 위상 변조(Phase Modulation)를 수행한 후 데이터를 전송한다. 위상 변조 방식은 BPSK(Binary Phase Shift Key) 변조 방식과 QPSK(Quadrature Phase Shift Key) 변조 방식으로 구성할 수 있다. BPSK 변 조 방식은 π만큼의 위상 차이를 두어 신호를 구분하는 방식이며, QPSK 변조 방식은 π/2만큼의 위상 차이를 두어 4개의 반송파를 생성하여 사용하는 방식이다.

또한, CSS의 부호화 방식은 차분적 이분 직교(Differential Bi-Orthogonal) 방식을 사용하는데 8-ary와 64-ary방식이 있다. 8-ary방식은 3개의 비트를 입력 받아 4개의 이분 직교 코드(Bi-Orthogonal Code)로 부호화하여 8개의 신호를 생성 한다. 64-ary 방식은 6개의 비트를 입력 받아 30개의 코드로 부호화하며 총 64개의 신호를 생성 한다.

CSS의 데이터 전송모드는 코히어런트 검파(Coherent Detection)보다 성능이 떨어지는 차등 검파(Differential Detection) 모드를 사용하는데 이는 코히어런트 검파로 SOP(Simultaneously Operating Piconet)구성을 위해 첩의 기울기와 시작 주파수를 다르게 하였을 경우 하드웨어의 복잡도가 증가하기 때문이다. CSS의 데이터 전송모드는 차등 검파를 사용하며, 성능을 보완하기 위해서 3/4 이진 직교 코딩 방식을 사용한다.

레인징(Ranging)은 시간을 측정하기 위해 가장 먼저 도착한 신호를 구분하는 방법이 요구되며, 도 1에서 점선은 첩 신호를 정합(conjugate)한 시간 기준(Time Reference)이고, 실선은 전송된 첩 신호인데 이렇게 어긋난 2개의 첩 신호가 곱해 졌을 때 사각형의 주파수 성분을 갖게 된다. 다중경로(Multipath)도 마찬가지로 시간차에 비례하여 사각의 주파수 성분을 가지는 신호가 생성된다. 이 특성을 이용하면 수신부에서 역으로 스펙트럼 분석을 하면 가장 먼저 도착한 성 분(Component)을 찾아낼 수 있다.

W-PAN에서 사용되는 시스템에서는 동시에 여러 그룹통신을 위하여 SOP (Simultaneously Operating Piconet)을 규정하게 되어 있는데 up/down chirp을 이용한 방법, Different Time-Gap을 이용방법, 이 두 가지를 혼합하여 피코넷(piconet)을 구분한다.

CSS는 하이-밴드(high-band)에 up/down sweep을 적용시키고, 로우-밴드(low band)에 2가지 스윕(sweep)을 적용시켜 4가지 종류가 나오도록 설계하였는데, 이를 통해서 첩의 특성을 유지하면서 피코넷을 구별 할 수 있는 능력을 갖추었다.

SOP 정책의 두 번째 방법으로 각 피코넷별로 서로 다른 시간차이(Time-gap)를 적용시키는 것인데 이는 CSS에서 차분적 부호화/복호화(differential encoding/decoding)를 사용하였기 때문에, 시간 차이를 이용한 SOP를 수행 할 수 있다.

마지막으로 위의 두 가지 방법을 사용하여 피코넷을 구분하는 방식으로 Up/ Down Chirp의 특성과 시간 차이를 이용하여 피코넷을 구분하는 방식을 사용 하는 SOP 정책으로 Up/Down Chirp과 심볼의 시간 간격을 다르게 하여 각각의 피코넷을 구분하는 방식을 사용한다.

시간 측정을 이용하여 두 개의 노드 사이의 거리를 측정하는 방법은 안테나로부터 전송되는 전파의 송신 시점과 수신 시점의 차이를 측정하여 2개의 노드 사이의 거리를 측정한다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.

센서 네트워킹 기술은 노드들이 스스로 네트워크를 구성해 하는 자동 구성의 특징과 라우터와 데이터 소스의 두 가지 역할을 동시에 수행한다는 점에서 애드 혹(ad-hoc) 네트워크의 일종이라고 볼 수 있다. 그러나 센서 네트워킹 기술은 제한된 노드 자원, 배터리 의존성, 이동성, 데이터 전송 모델, 데이터 집중/융합, 데이터 실시간 특징 및 센서 데이터베이스와 같은 차별적인 특성을 지닌다.

이런 차별적인 특성 때문에 다양한 구조의 네트워킹 기술이 연구되며, 대표적인 네트워킹 기술로 데이터 중심적, 클러스터링/계층구조, 플랫(Flat)구조/ 저 전력, QoS/실시간, 위치기반 등으로 구분 할 수 있다.

대량으로 배치되고 상대적으로 제한된 자원을 가지는 모든 노드들에게 각 노드들의 ID 값을 부여 하는 것이 어렵다. 이런 문제를 해결하기 위해 광범위한 센서 네트워크에서 특정 노드를 구분할 수 있는 있는 방법으로 노드들은 자신이 제공할 수 있는 데이터에 의해서 구분된다. 이를 위해 사용자는 속성 기반의 네이밍(Naming)을 이용하여 관심(Interest)을 기술하고, 노드들에게 전송한다. 기술된 관심을 수신한 노드들 중 자신의 정보와 일치한 노드만 수집된 정보를 응답하는 방식으로 대표적인 네트워킹 기술로 Directed diffusion 방식이 있다.

클러스터링 방식은 데이터를 집중/융합 할 수 있는 장점을 가지고 있는데 광범위한 망에서 기대 비용을 계산하여 Head 노드 선정하고 Head 노드에 의해서 하위 노드들의 동작을 제어하여 전력 소모도 줄일 수 있다. 대표적인 계층 구조 방식의 프로토콜로 LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)가 있다.

플랫(Flat)구조는 노드들의 균일한 배터리 소모가 목적인 프로토콜로 전원 정보를 상호 정보를 교환 하여 우회 경로를 구성하는 방식이다. 대표적인 Flat구조의 네트워크 프로토콜로 SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)과 EAR(Energy-Aware Routing)이 있다.

SPIN은 유효데이터 전송을 위해 수집한 메타데이터를 이용하여 전송하기 전에 수신 노드와 협상하고 데이터를 전송하는 방식으로 flooding 기법보다 훨씬 더 에너지를 절약 할 수 있으며, 중복데이터 전송을 줄 일 수 있는 효과가 있다. 하지만 데이터 전송을 보장 할 수 없다는 단점이 있다. EAR은 네트워크 수명을 늘리기 위해 다중 경로들을 상황에 맞게 번갈아 가면서 사용하는 프로토콜로 기대 비용을 계산하여 전송 경로를 설정하는 방법이다.

프로토콜 SPEED는 광범위한 네트워크에서 종단과 종단까지의 데이터 전송에 발생되는 지연시간을 줄이기 위해 고안된 개념이다. SPEED는 주기적인 비컨 메시지를 교환하여 이웃노드들을 파악하고 통신 링크의 지연을 기준으로 혼잡시 다른 경로를 찾는 방법이다. SPEED의 핵심 적인 모듈로 SNGF(The Stateless Non-deterministic Geographic Forwarding algorithm)은 위치 정보를 이용하여 다음 노드를 정하는 방법으로 위치를 계산하기 위한 특정 노드를 사용해야 한다.

위치를 인식하기 위한 네트워크는 측정하려는 센서와 측정 방식에 따라 네트워크의 구성이 이루어지며, 대표적인 방법으로 TOA, TDOA, AOA, 삼각 측량법 등 기술적인 방법과 센서의 타입에 따른 네트워크 구성 방법으로 분류된다. 대표적인 방 법으로 거리를 이용하여 위치를 측정하는 방식의 네트워크 구성은 거리 값을 측정하기 위해 고정된 노드(앵커 노드)와 위치 인식 대상이 되는 태그 노드, 셀 내부를 제어하는 베이스 노드로 구성되며, 태그 노드의 좌표를 측정하기위해 네트워크는 스타(Star) 토플로지로 구성된다.

네트워크의 운영은 크게 2가지로 분류 되는데 태그 노드로부터 정보를 수집하는 클라이언트 베이스(Client-Based) 기반의 동작방법과 고정된 앵커 노드에서 정보를 수집하여 전송하는 네트워크 기반의 운영 방법이 있다.

트리 라우팅 기능은 트리에 조인한 노드들이 별도의 라우팅 테이블이나 경로 검색을 사용하지 않고 단지 정보만을 이용하여 자신의 부모를 판단하여 전송하는 방식으로 고정된 경로로 데이터를 전송하기 때문에 별도의 알고리즘이 필요 없이 동작하는 것이 장점이나 경로가 되는 노드의 수명이 다하거나 오류가 발생하였을 경우 싱크 노드까지 데이터의 전송을 보장할 수 없는 것이 단점이다.

메시 라우팅 기능은 트리 구조를 무시하고 기대 비용을 고려하여 싱크 노드까지 정보를 발생한 정보를 전송하는 방식으로 트리구조보다 데이터의 안정성을 보장 하지만 전력소비, 전송비용을 통한 최적의 알고리즘이 요구되는 네트워크 구조이다.

이하 본 발명에서 제안하는 셀을 구성하고 있는 태그 노드의 위치를 산출하고, 산출한 위치 정보를 싱크 노드로 전송하는 방안에 대해 알아보기로 한다. 본 발명은 클라이언트 기반의 위치 인식 네트워크를 적어도 하나의 셀(cell) 단위로 구분하고, 각각의 셀은 베이스 노드(Base node)에 의해 상호 연결되는 매시 형태의 네트워크 토플리지로 구성한다. 싱크 노드(Sink node)까지 각 셀에서 발생한 정보를 전달하기 위한 위치 인식 네트워크의 라우팅 알고리즘은 거리 측정을 통한 기대비용을 계산하여 릴레이(Relay) 방식으로 전송한다.

셀은 베이스 노드, 앵커 노드, 태그 노드를 포함한다. 베이스 노드는 정보를 수집하고 가공하거나 다른 베이스 노드 또는 싱크 노드로 데이터를 전송하는 역할을 수행하는 노드이다. 물론 베이스 노드는 특정한 경우에는 싱크 노드의 기능을 수행할 수 있다. 태그 노드는 위치 인식의 대상이 되는 역할을 수행하는 노드이며, 앵커 노드는 태그 노드의 위치 값을 계산하기 위한 셀 내에 고정되어 있는 노드이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 네트워크의 구조를 도시한 구성도이다. 도 2에 의하면, 다중 네트워크는 복수의 셀로 구성되며, 각 셀은 적어도 두 개의 앵커 노드들과 베이스 노드를 포함하며, 특정 셀은 위치 값을 산출하기 위한 태그 노드를 포함한다. 즉, 셀1, 셀5는 하나의 베이스 노드를 포함하며, 셀2와 셀3, 셀4은 하나의 베이스 노드와 태그 노드를 포함하며, 셀6은 하나의 베이스 노드와 두 개의 태그 노드를 포함하며, 셀7은 두 개의 베이스 노드와 하나의 태그 노드를 포함한다.

베이스 노드는 수집한 정보를 릴레이 방식으로 싱크 노드로 전송하며, 싱크 노드로부터 필요한 정보를 수신한다. 도 2에 의하면, 셀7의 베이스 노드는 수집된 정보를 셀4의 베이스 노드, 셀1의 베이스 노드를 경유하여 싱크 노드로 전송한다. 또한, 셀7의 베이스는 수집된 정보를 셀6의 베이스 노드, 셀3의 베이스 노드를 경유하여 싱크 노드로 전송할 수 있다. 물론 도 2에 의하면, 셀 7의 베이스 노드는 상술한 경로 이외에 다른 경로를 이용하여 싱크 노드로 수집된 정보를 전송하거나, 필요한 정보를 수신할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 네트워크를 구성하는 특정 셀의 구성을 도시한 도면이다. 도 3에 의하면, 위치 인식 네트워크를 구성하는 특정 셀의 노드 구성은 TOA(Time of Arrival) 좌표 측정 알고리즘을 사용하여 다른 노드의 위치를 측정하기 위한 고정된 앵커 노드1(301)과 앵커 노드2(302), 정보를 수집하여 위치 정보를 가공하고, 가공한 위치 정보가 포함된 데이터 프레임을 전달하는 베이스 노드(303, 304), 위치 인식의 대상이 되는 태그 노드(305, 306, 307)를 포함한다. 일반적으로 베이스 노드(303)는 인접 베이스 노드와 통신을 하기 위해 셀의 중앙에 위치하며, 셀의 크기가 커질 경우 2개의 베이스 노드를 사용하여 셀을 구성할 수 있다. 이는 도 2에 도시되어 있는 셀7에서 알 수 있다. 이와 같이 베이스 노드는 인접 셀의 베이스 노드와 통신이 가능한 위치에 구성함으로서 언제라도 원활하게 통신을 수행할 수 있게 된다.

도 3에 의하면, ①단계에서 태그 노드(307)가 자신의 위치를 산출하기 위해 활성 모드로 전환되면, 베이스 노드(303)로 필요한 정보를 요청한다. ②단계에서 베이스 노드(303)는 다른 태그 노드(305, 306)와 통신 중이 아니면 레인징을 허가 한다. ③단계에서 태그 노드(307)는 앵커 노드들(301, 302)과의 거리를 측정하고, 측정된 거리 정보를 수집한다. ④단계에서 태그 노드(307)는 수집된 거리 정보를 베이스 노드(303)로 전송한다. ⑤단계에서 베이스 노드(303)는 전송받은 거리 정보를 이용하여 태그 노드(307)의 좌표를 계산하고, 계산된 좌표가 포함된 데이터 프레임을 인접 베이스 노드(304)로 전송하는 과정을 수행함으로서 최종적으로 싱크 노드까지 전달된다.

이하 셀을 구성하는 각 노드의 동작 및 송수신되는 데이터의 프레임 구조에 대해 순차적으로 알아보기로 한다.

베이스 노드는 태그 노드에게 자신의 셀 정보를 제공하고, 태그 노드의 동작을 스케줄링한다. 또한, 베이스 노드는 태그 노드로부터 수집된 거리 정보를 수신하여 좌표 값을 계산하고, 거리, RF신호의 세기, ID 정보 등이 포함된 데이터 프레임을 생성하여 싱크 노드로 전송한다.

도 4는 활성 모드로 전환된 태그 노드가 베이스 노드로 전송하는 데이터 프레임 구조를 도시하고 있다. 도 4에 의하면, 데이터 프레임은 8바이트로 구성되며, 데이터 프레임 구조는 정보를 구분하는 프레임 ID, 데이터의 길이, 노드의 버전, 태그 ID, 활성 시간(Wake Up Time), RF 파워(Power), 전원 정보 등을 포함한다.

베이스 노드는 태그 노드로부터 자신의 셀 정보를 요청받으면, 태그 노드에게 자신의 셀 정보를 전송하기 위한 데이터 프레임을 생성한다. 데이터 프레임은 8바이트로 구성되며, 데이터 프레임의 구조는 프레임 ID, 데이터의 길이, 셀을 구분 하기 위한 ID, 셀에 속해 있는 앵커 노드의 수, 자신의 셀 번호 등을 포함한다.

베이스 노드는 태그 노드로부터 거리 정보(태그 노드와 앵커 노드간의 거리 정보)를 수신하면, TOA 알고리즘을 이용하여 태그 노드의 좌표 값을 계산하여 싱크 노드로 태그 노드의 좌표 값(위치 정보)을 전송하기 위해 릴레이 프레임(Relay Frame)을 생성한다.

릴레이 프레임은 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 28바이트로 구성되며, 2바이트로 구성된 상위-하위 경로를 저장하기 위한 멀티 경로(MP/H, MP/L), 홉(hoc)을 카운터하기 위한 H/C, 24바이트로 구성된 측정된 태그 노드의 데이터(DATA)를 포함한다.

본 발명에서 베이스 노드는 4가지 동작을 수행한다. 첫째, 베이스 노드는 태그 노드에 셀 정보를 제공하면서 태그 노드들을 스케줄링을 하며, 둘째로 셀 안의 태그 노드로부터 수집된 거리 값을 이용하여 태그 노드의 좌표 값을 계산한다. 베이스 노드는 셋째로 하위 셀에서 수집된 위치 정보와 자신의 셀에서 발생한 위치 정보를 상위 셀로 전송하는 역할을 수행하며, 넷째로 관리 노드에서 정보요청이 발생하면 셀의 정보와 응답 프레임을 전송한다.

태그 노드는 전력 소비를 줄이기 위해 활성 모드와 슬립 모드로 동작하며, 일정한 주기 간격으로 활성 모드로 전환하여 베이스 노드에게 셀 정보를 요청한다. 태그 노드는 베이스 노드로부터 셀 정보를 수신하면, 앵커 노드와의 거리를 측정하고, 측정한 거리값(거리 정보)을 수집하여 베이스 노드로 전송한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그 노드의 동작을 도시하고 있다. 도 6에 의하면, 태그 노드(600)는 활성 모드로 진입한 후 베이스 노드(602)로 셀 정보를 요청하면, 베이스 노드(602)로부터 셀 정보를 수신한다. 이후 태그 노드(600)는 앵커 노드(604)와 레인징을 수행한다. 태그 노드(600)와 앵커 노드(604)간의 레인징에 대해서는 후술하기로 한다. 태그 노드(600)는 앵커 노드(604)와 레인징을 통해 수집한 정보를 베이스 노드(602)로 전송한다.

태그 노드는 전송부, 수신부, 제어부를 포함할 수 있으며, 제어부는 인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드를 검색하고, 검색된 베이스 노드로 셀 정보를 요청한다. 제어부는 제2데이터에 포함된 시간 정보와 상기 제1데이터의 송신시간을 이용하여 앵커 노드와 제1거리값을 산출한다. 전송부는 앵커 노드와의 거리 측정을 위한 제1데이터를 앵커 노드로 전송하며, 산출한 제1거리값이 포함된 거리 정보를 베이스 노드로 전송한다. 수신부는 앵커 노드로부터 제1데이터의 수신시간과 처리지연시간을 포함한 제2데이터를 수신한다.

본 발명에서 사용된 레인징 알고리즘은 SDS-TWR(Symmetric Double Sided Two-Way Ranging)을 사용한다. SDS-TWR는 태그 노드(600)에서 앵커 노드(604)로, 앵커 노드(604)에서 태그 노드(600)로 두 번의 시간을 측정하여 평균값을 계산하여 거리로 환산하는 방식이다. 밀리 초 단위로 동작하는 클럭 시간(Clock Time)을 저장하기 위해 사용되는 레인징 프레임(Ranging Frame)은 도 7과 같이 구성한다.

레인징 프레임은 로컬 레인징 프레임(Local Ranging Frame)과 원격 레인징 프레임(Remote Ranging Frame)으로 구분되는데 로컬 레인징 프레임은 자신의 노드 안에서 처리되는 값들을 저장하며, 원격 레인징 프레임은 상대 노드에서 발생된 지연시간과 송신 시점 및 수신 시점을 저장하고, 저장된 정보를 송신할 때 사용한다.

도 8은 태그 노드(600)와 앵커 노드(604) 사이의 거리를 측정하는 레인징 방법을 도시한 흐름도이다. 도 8에 의하면, 레인징은 두 번에 걸쳐 수행되는데 각각의 노드가 로컬 노드와 원격 노드로 구분되어 수행한다. 로컬 노드는 원격 노드에게 레인징 프레임을 전송하며, 원격 노드는 응답시간을 저장하여 로컬 노드에게 응답한다. 즉, 태그 노드(600)는 ①단계에서 앵커 노드(604)로 데이터 레인징 프레임(data ranging frame)을 전송하며, 앵커 노드(604)는 수신된 데이터 레인징 프레임에 응답하여 하드웨어 액 프레임(hardware ack frame)을 전송한다. 이와 같이 ①단계에서 태그 노드(600)는 로컬 레이징 프레임을 송신하고, 앵커 노드(604)는 원격 레인징 프레임을 송신한다.

앵커 노드(604)는 ②단계에서 태그 노드(600)로 데이터 레인징 프레임을 전송하며, 태그 노드(604)는 수신된 데이터 레인징 프레임에 응답하여 하드웨어 액 프레임을 전송한다. 이와 같이 ②단계에서 태그 노드(600)는 원격 레이징 프레임을 송신하고, 앵커 노드(604)는 로컬 레인징 프레임을 송신한다.

이와 같이 시간 측정의 정확도를 높이기 위해 태그 노드와 앵커 노드가 각각 한 번씩 로컬 노드가 되어 시간을 측정하며, 태그 노드에서 평균 시간 값을 계산하 고, 이를 이용하여 거리 값으로 산출하여 평균치를 적용한다.

가공된 레인징 프레임은 [] 단위의 클럭 시간이며, 데이터의 시간 값으로 총 송수신 응답 시간에서 태그 노드에서 응답 받기까지 걸린 시간과 앵커 노드에 서 걸린 지연시간을 제한값을 2로 나누어 순수하게 태그 노드와 앵커 노드 간의 전파가 송신된 시간만 산출한다. 거리 값 변환은 산출된 시간을 [] 단위로 변환하고 시간에 따른 전파의 속도를 적용하여 거리 값으로 변환한다. 산출된 값은 단위로 측정되며 사용한 전파의 속도는 공기 중에서 Pico Second당 299.792 로 계산하며, 케이블 에서는 0.66 []의 지연 값을 부가한다.

태그 노드에서 거리 정보가 수집되면, 수집된 거리 값을 베이스 노드로 전송하는 데이터 프레임의 구성은 36바이트로 구성되며, 최대 4개의 앵커 노드간의 거리 값을 저장할 수 있다.

태그 노드는 활성모드로 전환되면, 베이스 노드와의 거리를 측정하여 자신의 속해 있는 셀을 인식하고, 인식된 베이스 노드에게 셀 정보를 받을 때까지 정보를 요청한다. 태그 노드는 셀 정보에 대한 응답을 받으면, 셀 안의 앵커 노드의 수만큼 반복하여 거리를 측정한 후 송신 버퍼에 저장한다. 태그 노드는 거리 측정이 완료 되면 베이스 노드로 수집된 정보를 전송하고 슬립 모드로 전환한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태그 노드의 동작을 도시한 흐름도이다. 이하 도 9를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태그 노드의 동작에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

S900단계에서 태그 노드는 슬립 모드에서 활성 모드로 전환한다. S902단계에서 태그 노드는 인접한 베이스 노드들과 거리를 측정한다. 태그 노드는 인접한 베이스 노드들과 거리 측정을 통해 자신과 가장 인접한 베이스 노드를 선택한다.

S904단계에서 태그 노드는 S902단계에서 선택한 베이스 노드에게 셀 정보를 요청한다. S906단계에서 태그 노드는 베이스 노드로부터 셀과 관련된 정보를 수신한다. S908단계에서 태그 노드는 앵커 노드의 개수를 확인한다. 태그 노드는 앵커 노드의 개수를 확인함으로서 레인징의 횟수를 산출한다. S910단계에서 태그 노드는 앵커 노드로 레인징 프레임을 송신하고, S912단계에서 앵커 노드로부터 레인징 프레임을 수신한다.

S914단계에서 태그 노드는 수신된 레인징 프레임에 포함된 정보를 이용하여 앵커 노드와의 거리를 측정한다. S916단계에서 태그 노드는 송신 프레임을 생성한다. 태그 노드는 셀을 구성하고 있는 앵커 노드들 중 레인징을 수행하지 않은 노드가 있는 경우에는 S908단계로 이동하고, 레인징을 수행하지 않은 노드가 없는 경우에는 S918단계로 이동한다.

S918단계에서 태그 노드는 S914단계에서 측정한 거리 정보를 포함도니 송신 프레임을 베이스 노드로 전송한다. 이후, 태그 노드는 슬립 모드로 진입한다.

앵커 노드의 위치를 계산하기 위해 고정된 노드로 적어도 2개의 앵커 노드를 사용하며, 셀의 구조와 크기에 따라 하나의 셀에 최대 4개의 앵커 노드를 구성할 수 있다.

앵커 노드는 태그 노드에서 레인징 신호가 들어오기 전까지 대기 모드로 동작하며, 레인징 프레임이 들어왔을 경우 수신받은 시점과 태그 노드로 전송하기 전까지의 자신의 처리 지연 시간을 레인징 프레임에 저장하여 태그 노드에게 전송한다. 또한 앵커 노드는 관리 에이전트로부터 정보 요청과 변경 요청이 수신되면 변경된 노드의 정보값을 변경하고, 변경 결과를 전송한다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 앵커 노드의 동작을 도시한 알고리즘이다. 이하 도 10을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 앵커 노드의 동작에 대해 알아보기로 한다.

S1000단계에서 앵커 노드는 데이터를 수신한다. 앵커 노드는 태그 노드 또는 후술할 관리 에이전트(Management Agent)로부터 데이터를 수신한다.

S1002단계에서 앵커 노드는 수신된 데이터가 태그 노드로부터 수신된 데이터인지 관리 에이전트로부터 수신된 데이터인지 판단한다. 앵커 노드는 수신된 데이터가 태그 노드로부터 수신하였으면 S1004단계로 이동하고, 관리 에이전트로부터 수신하였으면 S1016단계로 이동한다.

S1004단계에서 앵커 노드는 클럭 타이머를 가동하고, S1006단계에서 클럭 타이머를 중단하며, S1008단계에서 지연 시간을 측정한다. 앵커 노드는 S1004단계 내지 S1008단계를 수행함으로서 태그 노드로부터 수신된 데이터를 처리한 후 재전송하는데 소요되는 지연시간을 측정한다.

S1010단계에서 앵커 노드는 S1004단계 내지 S1008단계를 수행한 결과 정보가 포함되도록 레인징 프레임을 가공하고, S1012단계에서 가공한 레인징 프레임을 태그 노드로 송신한다.

S1014단계에서 앵커 노드는 관리 에이전트로부터 수신된 프레임의 ID를 확인하고, 해당 동작을 수행하기 위한 모드로 전환한다. S1016단계에서 앵커 노드는 관리에이전트로부터 ID 변경이나 모드 변경이 요청되면 해당 동작을 수행한다. S1018단계에서 앵커 노드는 수행한 결과에 대한 정보가 포함된 프레임을 생성하고, S1020단계에서 앵커 노드는 S1018단계에서 생성한 프레임을 관리 에이전트로 전송한다. 이후 앵커 노드는 S1022단계에서 슬립 모드로 진입한다.

상술한 바와 같이 앵커 노드는 태그 노드 또는 관리 에이전트로부터 필요한 데이터를 수신하고, 수신한 데이터를 처리하고, 처리한 결과가 포함된 프레임을 생성하여 태그 노드 또는 관리 에이전트로 전송한 후 슬립 모드로 진입한다.

이하 저 전력 및 신호 간섭 회피 알고리즘에 대해 알아보기로 한다. CSS 기반의 장비는 RF신호만을 이용하여 거리 값을 계산하기 때문에 송신부의 안정된 출력이 요구된다. CSS 기반의 장비는 안정된 출력이 요구되기 때문에 기존의 센서 네트워크 장비보다 많을 양의 전류를 소모하게 된다. 따라서 본 발명은 노드의 수명을 최대화하고 안정된 거리 정보를 수집하기 위해서 태그 노드의 동작에 주기를 주어 불필요한 통신 시간을 줄이고 일정한 시간(duty cycle)동안만 활성 상태로 동작한다.

도 11은 태그 노드의 동작 상태를 도시하고 있다. 도 11에 의하면, 태그 노 드는 활성 상태와 슬립 상태를 설정된 주기로 반복한다. 태그 노드는 활성 상태에서 셀을 인식하며, 거리 정보를 수집하며, 수집된 거리 정보를 전송한다. 태그 노드는 활성 상태에서 해당 동작을 수행한 후 슬립 상태로 진입한다.

도 12는 하나의 셀 안에서 적어도 두 개의 태그 노드가 앵커 노드와 통신을 수행하는 상태를 도시한 도면이다. 일반적으로 적어도 두 개의 태그 노드의 활성상태가 중첩될 경우, 중첩으로 인해 데이터 송수신에 심각한 오류가 발생할 수 있다. 데이터의 오류는 하나의 셀 안에 태그 노드의 개수가 증가할수록 심각하게 발생할 수 있음은 자명하다. 도 12에 의하면, 태그 노드1과 태그 노드2, 앵커 노드를 도시하고 있으며, 태그 노드1과 태그 노드2는 활성 상태와 슬립 상태를 설정된 주기 간격으로 반복한다. 설정된 주기 간격으로 활성 상태와 슬립 상태를 반복하는 태그 노드1과 태그 노드2는 특정 시점에서 활성 상태로 진입하게 되고, 이런 경우 데이터 송수신 시 상호 간섭에 의해 오류가 발생한다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 셀 안에 위치하고 태그 노드의 동작을 제어할 수 있는 방안이 필요하다. 본 발명은 베이스 노드를 이용하여 시간 영역에서 태그 노드들의 동작을 스케줄링하는 방안을 제안한다. 베이스 노드는 셀 정보를 전송하기 전에 현재 자신의 셀에서 수행되는 다른 태그 노드를 검사하고, 검사 결과 동작하는 태그 노드가 없을 경우에만 셀 정보를 송신하도록 한다.

도 13은 베이스 노드를 이용하여 태그 노드의 동작을 스케줄링하는 과정을 도시한 도면이다. 도 13은 베이스 노드와 태그 노드1, 태그 노드2, 앵커 노드를 포 함하고 있다. 베이스 노드는 첫 번째 활성상태에서 태그 노드1로부터 셀 정보 전송을 요청받고, 셀 정보를 전송한다. 베이스 노드로부터 셀 정보를 전송받은 태그 노드1은 활성상태로 진입하여 필요한 동작을 수행한다. 베이스 노드는 첫 번째 활성상태에서 태그 노드2로부터 셀 정보 전송을 요청받는다. 하지만, 베이스 노드는 첫 번째 활성상태에서 태그 노드1이 활성상태로 진입하여 필요한 동작을 수행하고 있으므로 상호 간섭을 이유로 태그 노드2의 정보 전송을 거절한다.

베이스 노드는 두 번째 활성상태에서 태그 노드2로부터 셀 정보 전송을 요청받는다. 베이스 노드는 두 번째 활성상태에서 태그 노드1이 해당 동작의 수행을 완료하고, 슬립 모드로 진입하였으므로 요청받은 셀 정보를 태그 노드2로 전송한다. 태그 노드2는 베이스 노드로부터 셀 정보를 전송받고 활성상태로 진입하여 필요한 동작을 수행한다. 이런 과정들을 통해 베이스 노드는 셀 안에 위치하고 있는 태그 노드들의 동작을 스케줄링한다.

위치 인식을 위한 네트워크는 태그 노드가 정확한 좌표를 측정하기 위해 자신이 속해 있는 셀을 정확히 인지하고 좌표를 측정하는 것이 요구된다. 태그 노드는 셀 정보를 요청하기 전에 자신이 속해 있는 셀을 탐색하기 위해 인접한 베이스 노드들과의 거리를 측정한다. 태그 노드는 산출된 값을 바탕으로 가장 작은 거리 값을 갖는 베이스 노드를 자신이 속해 있는 베이스 노드로 인식하고 셀 정보를 요청한다.

이하, 태그 노드로부터 수집된 정보를 이용하여 베이스 노드에서 태그 노드 의 위치를 계산하는 방법에 대해 알아보기로 한다. 본 발명의 베이스 노드는 TOA 방식을 이용하여 태그 노드의 위치를 계산한다. 일반적으로 많은 수의 앵커 노드로부터 정보를 수신할수록 베이스 노드는 태그 노드의 위치를 정확히 산출할 수 있다. 이하에서는 두 개의 앵커 노드를 이용하여 태그 노드의 좌표 값을 계산하는 방법에 대해 알아보기로 한다.

도 14는 앵커 노드1(AN1), 앵커 노드2(AN2)와 태그 노드1(Tag(1)), 태그 노드2(Tag(2))를 포함하는 셀을 도시하고 있다. 앵커 노드와 태그 노드간의 거리를 측정하여 좌표 값을 계산하는 TOA 알고리즘은 다음과 같다.

수학식1에서 Di는 측정된 거리를 나타내며 Xi,Yi는 앵커 노드 노드의 좌표 값을 의미한다. 수학식1을 적용하여 XT,YT의 태그 노드의 위치를 나타낼 수 있다. 태그 노드의 좌표 값 XT,YT을 구하기 위해 수학식1을 간략화하면 수학식2와 같이 나타낼 수 있다.

따라서 태그 노드의 현재 위치를 평면상에서 표시하기 위한 좌표 값은 수학식1과 같이 정의된다. 예를 들어 앵커 노드1과 앵커 노드2의 좌표가 각각 앵커 노드1(0, 0), 앵커 노드2(600, 0) (단위:cm)라고 가정하면, 앵커 노드1과 앵커 노드2를 이용하여 태그 노드의 좌표는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 3을 이용하면 태그 노드의 좌표인 XT과 YT을 구할 수 있다. 이와 같이 베이스 노드는 적어도 두 개의 앵커 노드의 좌표, 태그 노드와 앵커 노드의 거리를 이용하여 태그 노드의 좌표를 산출한다.

베이스 노드는 수학식1 내지 수학식3을 이용하여 산출한 태그 노드의 위치 정보를 싱크 노드까지 전송하기 위한 방법으로 멀티-혹 릴레이(Multi-hoc Relay) 방식을 사용하며, 경로 탐색 방법으로 전송 비용을 최소화하기 위해 거리와 베이스 노드의 ID, RF 신호의 세기, 트래픽 등을 고려하여 경로를 탐색한다.

도 15는 멀티-혹 릴레이 전송 방법을 도시한 도면이다. 도 15에 의하면, 네트워크는 셀1 내지 셀10을 포함하며, 각 셀은 하나의 베이스 노드와 적어도 2개의 앵커 노드를 포함한다. 또한 각 셀은 위치(좌표값)를 산출하고자 하는 태그 노드를 포함할 수 있다. 도 15에 의하면, 셀8에 위치하고 있는 베이스 노드는 수집한 정보를 셀 11의 베이스 노드로 전송하며, 셀11의 베이스 노드는 수집한 정보 또는 전송받은 정보를 셀9의 베이스 노드로 전송한다. 셀10에 위치하고 있는 베이스 노드는 수집한 정보를 셀7의 베이스 노드로 전송하며, 셀7의 베이스 노드는 수집한 정보 또는 전송받은 정보를 셀 9의 베이스 노드로 전송한다. 셀 9의 베이스 노드는 수집한 정보 또는 전송받은 정보를 셀2의 베이스 노드로 전송하며, 셀 2의 베이스 노드는 수집한 정보 또는 전송받은 정보를 싱크 노드로 전송한다.

본 발명은 싱크 노드까지 빠른 정보 전송과 데이터 트래픽 방지를 위해 기대 비용을 측정하여 동적 경로를 생성하도록 구성한다. 경로 선택을 위한 기대 비용을 계산하기 위한 계산 방식으로 인접 셀의 거리 값을 r, RF의 세기를 Rp, 트래픽의 양을 BT , 베이스 노드의 ID값을 Bn이라고 했을 때 기대 비용 Mpath는 수학식 4와 같이 계산된다.

본 발명은 수학식4에 의해 계산된 Mpath값의 최소값을 산출하여 위치 정보를 싱크 노드까지 전송하며, 베이스 노드의 트래픽을 최소화 하기위해 BT를 강조하며, 거리값과 베이스 노드의 ID 값을 강조하여 전송 경로를 생성한다. 도 16은 수학식 4에 의해 산출된 최소값을 고려하여 싱크 노드까지 경로를 산출한 과정을 도시하고 있다.

또한, 도 15에 의하면, 셀9의 베이스 노드는 셀11의 베이스 노드, 셀8의 베이스 노드, 셀7의 베이스 노드, 셀10의 베이스 노드로부터 전송받은 정보를 셀 2의 베이스 노드로 전송한다. 이와 같은 동작을 수행함으로서 셀 9의 베이스 노드는 많은 전력을 소모하게 되며, 이는 네트워크를 구성하고 있는 베이스 노드 상호간의 전력 소모의 불균형을 초래하게 된다. 따라서 본 발명은 각 셀의 베이스 노드의 남은 전력을 고려하여 특정 셀의 베이스 노드의 전력이 임계치보다 작은 경우 인접 셀의 베이스 노드로 정보를 전송할 수 있다. 이렇게 함으로서 네트워크를 구성하는 각 셀의 베이스 노드는 동일한 전력을 소모할 수 있게 된다.

LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network) 환경에서는 많은 수의 노드가 요구되고 소형 배터리로 노드들이 동작하기 때문에 네트워크의 유지 보수가 필요하다. 본 발명은 CSS 기반의 다중 네트워크 환경에서 거리 값을 활용하여 노드의 상태를 효율적으로 관리 할 수 있는 관리 에이전트를 제안한다.

관리 에이전트는 모니터링 모드와 제어 모드 2가지 모드로 구분되며, 모니터링 모드는 셀 안에서 태그 노드와 동일한 동작을 수행하며, 셀을 구성하고 있는 장치의 RF신호의 세기와 전원 상태, 거리 값을 수신하여 모니터링 한다. 제어 모드는 셀을 구성하고 있는 장치(노드)들의 좌표 값 계산을 위한 Offset값과 태그 노드의 슬립 타임, ID, 동작 모드를 원격으로 변경한다. 즉, 베이스 노드로 전송되는 제어 프레임은 동작 모드와 ID, 좌표 계산 오프셋 값을 관리자가 입력하여 생성하여, 앵커 노드의 경우 ID, 동작 모드를 별도의 노드의 퓨징(fusing)없이 변경할 수 있도록 한다.

상술한 바와 같이 관리 에이전트는 동작 모드로 관리 모드와 제어 모드로 동작하며 특정노드에게 정보를 요청하여 수신한다. 관리 에이전트의 모드는 2가지 모드로 구성되는데 모니터링 모드는 모바일 단말을 사용하여 관리 에이전트에 접속한 후 관리할 대상이 되는 노드에게 정보를 요청한다. 관리 에이전트는 관리 대상이 되로 노드에서 응답하면 모바일 단말을 경유하여 정보를 가공하여 출력한다.

제어 모드는 관리 에이전트를 사용하여 제어 대상이 되는 노드에게 관리자가 입력한 정보를 프레임으로 생성하여 전송한다. 만약 앵커 노드, 베이스 노드는 관리 에이전트가 요청한 정보수정이 성공하면 응답 프레임을 생성하여 관리 에이전트로 송신한다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 관리 에이전트의 동작을 도시한 흐름도 이다. 이하 도 17을 이용하여 관리 에이전트의 동작에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

S1600단계에서 관리 에이전트는 모바일 단말로부터 요청받은 접속을 허락한다. S1602단계에서 관리 에이전트는 접속을 요청한 모바일 단말의 관리 모드를 확인한다. 접속을 요청한 모바일 단말의 관리 모드가 모니터링 모드이면, 관리 에이전트는 S1604단계로 이동하고, 제어 모드이면 S1614단계로 이동한다.

S1604단계에서 관리 에이전트 모니터링할 노드의 ID와 셀 정보를 입력하고, S1606계에서 프레임을 생성한다.

S1608단계에서 관리 에이전트는 생성한 프레임을 베이스 노드로 전송하며, S1610단계에서 베이스 노드로부터 해당 노드의 모니터일 정보가 포함된 응답이 수신되면, S1612단계에서 해당 노드의 정보를 출력한다.

S1614단계에서 관리 에이전트는 제어 대상이 되는 노드의 변경 정보를 입력하고, S1616단계에서 변경된 정보가 포함된 프레임을 생성한다.

S1618단계에서 관리 에이전트는 생성한 프레임을 앵커 노드 또는 베이스 노드로 전송하며, S1620단계에서 앵커 노드 또는 베이스 노드로부터 수정이 완료되었음을 알리는 프레임을 수신한 후 접속을 종료한다.

본 발명의 위치 인식 기반 네트워크 및 네트워크를 구성하는 베이스 노드, 태그 노드, 앵커 노드의 동작은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

도 1은 CSS 시스템에서 시간 성분을 추출하는 과정을 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 인식 네트워크 시스템의 구성을 도시한 구성도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 인식 네트워크를 구성하는 특정 셀에 포함된 노드들간의 상호 동작을 도시한 구성도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 모드로 전환된 태그 노드가 베이스 노드로 전송하는 데이터 프레임 구조를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 노드에서 생성하는 릴레이 프레임 구조를 도시한 도면,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그 노드의 동작을 도시한 흐름도,

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그 노드와 앵커 노드간 거리 측정을 위한 레인징 프레임의 구조를 도시한 도면,

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그 노드와 앵거 노드간 거리를 측정하는 과정을 도시한 도면,

도 9는 본 발명의 일 실시에에 따른 태그 노드의 동작을 도시한 다른 흐름도,

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 앵커 노드의 동작을 도시한 흐름도,

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성상태와 슬립상태를 반복하는 태그 노드의 모드 변경을 도시한 도면,

도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그 노드 상호간에 간섭에 의해 데이터 오류가 발생하는 과정을 도시한 도면,

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 간섭에 의한 데이터 오류를 방지하기 위해 베이스 노드에서 태그 노드를 모드를 제어하는 과정을 도시한 도면,

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 노드에서 태그 노드의 좌표를 산출하는 과정을 도시한 도면,

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 멀티 홉 방식을 도시한 도면,

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 노드에서 싱크 노드로 정보를 전송하기 위한 경로를 탐색하는 과정을 도시한 도면,

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 관리 에이전트의 동작을 도시한 흐름도이다.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

600: 태그 노드, 602: 베이스 노드,

604: 앵커 느도

Claims

인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드를 검색하고, 검색된 상기 베이스 노드로 셀 정보를 요청하며, 앵커 노드와의 거리 측정을 위한 제1데이터를 앵커 노드로 전송하며, 상기 앵커 노드로부터 상기 제1데이터의 수신시간과 처리지연시간을 포함한 제2데이터를 수신하고, 상기 제2데이터에 포함된 시간 정보와 상기 제1데이터의 송신시간을 이용하여 상기 앵커 노드와 제1거리값을 산출하고, 상기 산출한 제1거리값이 포함된 거리 정보를 베이스 노드로 전송하는 태그 노드;

셀 내부에 고정되며, 상기 태그 노드로부터 수신한 상기 제1데이터의 수신 시점과 처리 지연 시간을 포함한 상기 제2데이터를 생성하여 상기 태그노드로 전송하는 앵커 노드;

상기 태그 노드로부터 요청받은 셀 정보를 전송하며, 전송받은 상기 거리 정보와 상기 앵커 노드의 고정된 위치 정보를 이용하여 상기 태그 노드의 위치를 산출하는 베이스 노드를 포함하는 위치 인식 네트워크 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 앵커 노드는 송신시간이 포함된 제3데이터를 상기 태그 노드로 전송하며, 상기 태그 노드로부터 전송받은 제4데이터에 포함된 시간정보들과 상기 제4데 이터의 수신시간이 포함된 제5데이터를 상기 태그 노드로 전송하며,

상기 태그 노드는 상기 제3데이터의 수신시간과 처리 지연시간을 포함된 상기 제4데이터를 상기 앵커 노드로 전송하며, 상기 앵커 노드로부터 수신한 상기 제5데이터에 포함된 시간 정보를 이용하여 상기 앵커 노드와의 제2거리값을 산출하며, 상기 제1거리값과 상기 제2거리값을 이용하여 거리 정보를 생성하는 위치 인식 네트워크 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 셀 정보는 셀을 구성하고 있는 앵커 노드의 개수를 포함하며, 상기 태그 노드는 셀의 구성하고 있는 앵커 노드들과 순차적으로 상기 제1거리값과 상기 제2거리값을 산출하고, 상기 제1거리값과 제2거리값을 이용하여 생성한 거리 정보를 상기 베이스 노드로 전송한 후 슬립 상태로 전환하는 위치 인식 네트워크 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 태그 노드는 일정 주기 간격으로 통신을 수행하기 위한 활성상태와 통신을 수행하지 않는 슬립상태를 반복하며,

상기 베이스 노드는 상기 태그 노드로부터 셀 정보 전송이 요청되면, 셀을 구성하고 있는 다른 태그 노드의 상태가 활성상태이면 요청받은 상기 셀 정보 전송 을 거부하는 위치 인식 네트워크 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 베이스 노드, 태그 노드, 앵커 노드들 중 적어도 하나의 노드에 대해 현재 전원 상태 및 위치 정보를 포함하는 정보의 전송을 요청하거나, 동작 모드 및 셀의 크기 정보 변경을 요청하는 관리 에이전트를 포함하는 위치 인식 네트워크 시스템.
인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드로 셀 정보를 요청하여, 앵커 노드와 거리정보를 산출하여 베이스 노드로 전송하는 태그 노드;

상기 태그 노드로부터 요청받은 셀 정보를 전송하며, 전송받은 상기 거리 정보와 상기 앵커 노드의 고정된 위치 정보를 이용하여 상기 태그 노드의 위치 정보를 산출하며, 산출한 상기 태그 노드의 위치 정보를 전송하기 위한 경로를 탐색하는 베이스 노드;

상기 태그 노드의 위치 정보를 수신하는 싱크 노드를 포함하는 위치 인식 네트워크 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 경로 탐색은 인접 셀과의 거리, 전송하고자 하는 트래픽의 양, RF 신호의 세기를 이용하여 탐색하는 위치 인식 네트워크 시스템.
제 6 항에 있어서,

탐색된 경로 상에 위치하고 있는 베이스 노드의 잔여 전력이 설정된 임계치보다 작으면, 상기 베이스 노드와 인접한 베이스 노드를 이용하여 상기 태그 노드의 위치 정보를 전송하는 위치 인식 네트워크 시스템.
제 6 항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 베이스 노드는 수신한 태그 노드의 위치 정보 및 직접 산출한 상기 태그 노드의 위치 정보를 전송할 인접 베이스 노드에 관한 정보를 저장하며, 전송할 상기 태그 노드의 위치 정보가 발생되면 저장된 상기 인접 베이스 노드로 전송하는 위치 인식 네트워크 시스템.
인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드를 검색하고, 검색된 상기 베이스 노드로 셀 정보를 요청하며, 앵커 노드와의 거리 측정을 위한 제1데이터를 앵커 노드로 전송하며, 상기 앵커 노드로부터 상기 제1데이터의 수신시간과 처리지연시간을 포함한 제2데이터를 수신하고, 상기 제2데이터에 포함된 시간 정보와 상기 제1데이터의 송신시간을 이용하여 상기 앵커 노드들과 제1거리값을 산출하고, 상기 산출한 제1거리값이 포함된 거리 정보를 베이스 노드로 전송하는 태그 노드;

셀 내부에 고정되며, 상기 태그 노드로부터 수신한 상기 제1데이터의 수신 시점과 처리 지연 시간을 포함한 제2데이터를 생성하여 상기 태그노드로 전송하는 앵커 노드;

상기 태그 노드로부터 요청받은 셀 정보를 전송하며, 전송받은 상기 거리 정보와 상기 앵커 노드들의 고정된 위치 정보를 이용하여 상기 태그 노드의 위치를 산출하는 베이스 노드;

상기 태그 노드의 위치 정보를 수신하는 싱크 노드를 포함하는 위치 인식 네트워크 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 앵커 노드는 송신시간이 포함된 제3데이터를 상기 태그 노드로 전송하며, 상기 태그 노드로부터 전송받은 제4데이터에 포함된 시간정보들과 상기 제4데이터의 수신시간이 포함된 제5데이터를 상기 태그 노드로 전송하며,

상기 태그 노드는 상기 제3데이터의 수신시간과 처리 지연시간을 포함된 상기 제4데이터를 상기 앵커 노드로 전송하며, 상기 앵커 노드로부터 수신한 상기 제5데이터에 포함된 시간 정보를 이용하여 상기 앵커 노드와의 제2거리값을 산출하며, 상기 제1거리값과 상기 제2거리값을 이용한 거리 정보를 생성하는 위치 인식 네트워크 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 베이스 노드는 인접 베이스 노드로부터 수신한 태그 노드의 위치 정보 및 직접 산출한 상기 태그 노드의 위치 정보를 전송할 인접 베이스 노드에 관한 정보를 저장하며, 전송할 상기 태그 노드의 위치 정보가 발생되면 저장된 상기 인접 베이스 노드로 전송하는 위치 인식 네트워크 시스템.
인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드로 셀 정보를 요청하며, 앵커 노드로부터 제1데이터의 수신시간과 처리지연시간을 포함한 제2데이터를 수신하고, 상기 제2데이터에 포함된 시간 정보와 상기 제1데이터의 송신시간을 이용하여 앵커 노드와 거리정보를 산출하여 베이스 노드로 전송하는 태그 노드;

셀 내부에 고정되며, 상기 태그 노드로부터 수신한 1데이터의 수신시간과 처리 지연 시간이 포함된 상기 제2데이터를 생성하여 상기 태그 노드로 전송하는 앵커 노드;

상기 태그 노드로부터 요청받은 셀 정보를 전송하며, 전송받은 상기 거리 정보와 상기 앵커 노드의 고정된 위치 정보를 이용하여 상기 태그 노드의 위치 정보를 산출하며, 수신한 태그 노드의 위치 정보 및 산출한 상기 태그 노드의 위치 정보를 전송할 인접 베이스 노드에 관한 정보를 저장하며, 전송할 상기 태그 노드의 위치 정보가 발생되면 저장된 상기 인접 베이스 노드로 전송하는 베이스 노드를 포함하는 위치 인식 네트워크 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 셀 정보는 셀을 구성하고 있는 앵커 노드의 개수를 포함하며, 상기 태그 노드는 셀의 구성하고 있는 앵커 노드들과 순차적으로 상기 거리 정보를 산출하여 상기 베이스 노드로 전송한 후 슬립 상태로 전환하는 위치 인식 네트워크 시스템.
제 14 항에 있어서,

경로 탐색은 인접 셀과의 거리, 전송하고자 하는 트래픽의 양, RF 신호의 세기 중 적어도 하나를 이용하여 탐색하는 위치 인식 네트워크 시스템.
인접 베이스 노드들과의 거리를 측정하고, 측정한 거리에 의해 자신이 포함된 셀의 베이스 노드를 검색하고, 검색된 상기 베이스 노드로 셀 정보를 요청하는 제어부;

앵커 노드와의 거리 측정을 위한 제1데이터를 앵커 노드로 전송하는 전송부;

상기 앵커 노드로부터 상기 제1데이터의 수신시간과 처리지연시간을 포함한 제2데이터를 수신하는 수신부;를 포함하며,

상기 제어부는 상기 제2데이터에 포함된 시간 정보와 상기 제1데이터의 송신시간을 이용하여 상기 앵커 노드와 제1거리값을 산출하며,

상기 전송부는 산출한 상기 제1거리값이 포함된 거리 정보를 상기 베이스 노드로 전송하는 태그 노드.