KR101040254B1 - 단방향 측정 기법을 이용한 위치 추정 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 위치 추정 대상이 되는 대상 노드에서 발신된 신호의 도달 시간 차이와 참조 노드에서 발신된 신호의 도달 시간 차이만을 이용하여 대상 노드의 위치를 단방향 측정 기법을 통해 측정하고, 이를 바탕으로 대상 노드의 위치를 추정하는 단방향 측정 기법을 이용한 위치 추정 방법 및 시스템에 대한 것이다.
본 발명은, 본 발명은, 기준 노드, 제 1 고정 노드, 참조 노드, 및 대상 노드를 포함하는 무선 네트워크에서 상기 대상 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서, (a) 상기 참조 노드에서 발신된 RF 신호가 상기 기준 노드로 직접 전달되는 시간과 상기 제 1 고정 노드에서 중계되어 상기 기준 노드로 도달되는 시간을 산출하는 단계; (b) 상기 대상 노드에서 발신된 RF 신호가 상기 기준 노드로 직접 전달되는 시간과 상기 제 1 고정 노드에서 중계되어 상기 기준 노드로 도달되는 시간을 산출하는 단계; 및 (c) 상기 (a)단계와 상기 (b)단계에서 산출된 시간을 바탕으로 상기 대상 노드의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 단방향 측정 기법 및 이를 이용한 위치 추적 방법과 그 시스템을 제공한다.
WSN, 센서 네트워크, 위치 추적, TWR, SDS-TWR, 단방향 측정

Description

단방향 측정 기법을 이용한 위치 추정 방법 및 시스템{Method and System for Localization Using One-way Ranging Technique}
본 발명은 단방향 측정 기법을 이용한 위치 추정 방법 및 시스템에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은, 위치 추정 대상이 되는 대상 노드에서 발신된 신호의 도달 시간 차이와 참조 노드에서 발신된 신호의 도달 시간 차이만을 이용하여 대상 노드의 위치를 단방향 측정 기법을 통해 측정하고, 이를 바탕으로 대상 노드의 위치를 추정하는 단방향 측정 기법을 이용한 위치 추정 방법 및 시스템에 대한 것이다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network : WSN)는 분산된 센싱 능력을 보유한 무선 네트워크 시스템 및 기반 구조를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 WSN 기술은 유비쿼터스(ubiquotous) 로봇 응용분야 및 유비쿼터스 도시(U-City) 사업을 위해 유용한 것임이 입증되어져 왔다. 유비쿼터스 서비스 로봇 및 유-시티의 공통된 목적은 지능 환경 관리를 통하여 지역을 관리하여 운용하는 것이다. 지능 관리는 자율 감시, 모니터링, 이-러닝(e-learning), 건강 감시 등을 포함한다. 이러한 업무에 있어서 핵심적인 기술적 문제 중의 하나는 보행자, 이동 객 체, 및 고정 타켓 등에 부착되어 있는 이동형 태그(tag)의 위치를 바람직한 정밀도를 가지고 추적하는 것이다.
그 동안 다양한 위치 추적 기술이 연구되어져 왔다. 가장 대표적인 위치 추적 기술로는 GPS 또는 이동통신망을 이용한 위치 추적 방법이며, 이를 이용한 다양한 위치 기반 서비스(Location Based Service : LBS)가 제공되고 있다. 그러나 GPS 또는 이동통신망을 이용한 광역 위치 추적 기술은 위치 추정의 정확도가 낮을 뿐만 아니라 실내 및 음영 지역에서는 사용하기 어렵다는 문제가 있었다.
최근에는 Wi-Fi, WLAN(Wirless LAN), Zigbee, UWB(Ultra-WideBand), Bluetooth, RFID, 초음파, IrDA(Infrared Data Association) 등과 같은 근거리 통신 기술을 이용한 실내 및 근거리 위치 추적 기술에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 근거리 위치 추적 기술은 적용 지역의 범위에는 한계가 있으나 근거리 지역에서 높은 정확도를 제공할 수 있는 장점이 있다.
근거리 위치 추적 기술에 있어서 특정 센서 또는 단말의 위치 정보를 획득하는 방법으로 과거에는 RSS(Received Signal Strength)를 이용하는 기술이 많이 활용되었으나, 최근에는 TWR(Two-Way Ranging) 기술로 인해 장치들 간의 시간 동기를 맞추어야 하는 문제가 해결되어 TOF(Time Of Flight)를 이용한 거리측정(Ranging) 기술이 큰 관심을 얻고 있다. 참고로 IEEE 802.15.4a 표준은 IEEE 802.15.4에 기술된 Zigbee의 PHY 기술에 시간 정보를 이용할 수 있도록 첩 확산 대역(Chirp Spread Spectrum : CSS)이나 IR UWB(Impulse Radio Ultra Wideband)를 채택한 바 있다.
특히 최근에는 CSS기반의 통신 프로토콜과 칩셋 기술이 실내 위치 추적 시장 을 장악하고 있다. CSS에서 사용되는 주요한 위치 추적 기술은 Symmetric Double Sided Two Way Ranging(SDS-TWR) 기술이다.
도 1은 SDS-TWR 기술을 설명하는 도면이다.
기본적으로 TWR(Two-Way Ranging) 기술은 왕복 시간(Round-Trip Time : RTT)을 이용하기 때문에 송신부(10)와 수신부(12) 사이의 시간 동기화가 불필요하다. TWR의 기본 원리에 따르면 도 1에서, 왕복 시간 T1을 이용하여 전파 시간(propagation time) 또는 비행 시간(TOF) tp를 측정하는 것이다. 송신부(10)에서 신호를 전송한 후 수신부(12)에서 이에 대한 응답 신호를 전송하기까지 수신부(12)에서는 응답 시간(treplyB)이 소요되는데, 응답 시간(treplyB)은 사전에 미리 설정되어야 한다. 그러나 통상적으로는 오실레이터(Oscillator)의 클록 편차(Clock Drift)가 존재하므로 사전에 설정된 응답 시간에는 크리스탈 오프셋(Crystal Offset)을 포함할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 SDS-TWR은 도 1에 도시된 바와 같이 추가적인 왕복 시간 T2를 산출하여 이용함으로써 크리스탈 오프셋을 현저히 감소시키도록 한다. 다만 T2를 산출함에 있어서 송신부(10)에서의 응답시간(treplyA)는 treplyB와 마찬가지로 사전에 설정되어야 한다.
그러나 상기 SDS-TWR 기술에는 다음과 같은 문제점이 존재한다.
SDS-TWR은 왕복 시간을 이용함으로써 수신부와 송신부 각각의 장치는 모두 송신 기능과 수신 기능을 보유하여야 하며 이는 전력 소모 및 연산 부담을 증가시 키는 단점이 있다.
또한 상술한 바와 같이 송신부와 수신부에서의 응답 시간은 사전에 설정되는데, 이는 변화되는 환경 조건을 반영할 수 없다는 문제점이 있다. 더구나 전술한 바와 같이 클록 편차와 오실레이터의 크리스탈 오프셋은 SDS-TWR의 근본적인 거리 측정 오류 원인으로 작용한다.
더불어 위치를 추정하고자 하는 노드가 이동함에 따른 문제점이 존재한다. 노드가 이동함에 따라 거리가 변화하는데, 거리 측정 지연이 길어질수록 거리 측정 오류도 더욱 증가한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 위치 추정이 되는 대상 노드로부터 전송된 신호의 도달 시간 차이를 이용하여 대상 노드의 위치를 추정할 수 있게 됨으로써 위치 추정 대상이 되는 노드는 송신 기능만을 구비할 수 있어 저전력 설계가 가능하고, 클록 편차 및 응답 시간의 변화를 즉각적으로 반영할 수 있는 위치 추정 방법 및 시스템을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명은, 기준 노드, 제 1 고정 노드, 참조 노드, 및 대상 노드를 포함하는 무선 네트워크에서 상기 대상 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서, (a) 상기 참조 노드에서 발신된 RF 신호가 상기 기준 노드로 직접 전달되는 시간과 상기 제 1 고정 노드에서 중계되어 상기 기준 노드로 도달되는 시간을 산출하는 단계; (b) 상기 대상 노드에서 발신된 RF 신호가 상기 기준 노드로 직접 전달되는 시간과 상기 제 1 고정 노드에서 중계되어 상기 기준 노드로 도달되는 시간을 산출하는 단계; 및 (c) 상기 (a)단계와 상기 (b)단계에서 산출된 시간을 바탕으로 상기 대상 노드의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 단방향 측정 기법을 제공한다.
상기 (a) 단계는, (a1) 상기 참조 노드에서 RF 신호를 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드로 발신하는 단계; (a2) 상기 제 1 고정 노드에서 상기 참조 노드가 발신한 RF 신호를 전송받아 이를 상기 기준 노드로 중계하는 단계; 및 (a3) 상기 (a1) 단계와 상기 (a2) 단계 각각을 통해 상기 기준 노드로 도달되는 RF 신호 의 도달 시간 차이를 이용하여 상기 제 1 고정 노드에서 상기 RF 신호를 상기 참조 노드에서 수신한 후 상기 기준 노드로 발신하기 전까지의 릴레이 시간을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 대상 노드에서 RF 신호를 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드로 발신하는 단계; (b2) 상기 제 1 고정 노드에서 상기 대상 노드가 발신한 RF 신호를 전송받아 이를 상기 기준 노드로 중계하는 단계; 및 (b3) 상기 (b1) 단계와 상기 (b2) 단계 각각을 통해 상기 기준 노드로 도달되는 RF 신호의 도달 시간 차이를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 RF 신호는, 첩 확산 대역(Chirp Spread Spectrum) 또는 아이알-유더블유비(Impulse Radio Ultra Widenband) 방식에 의한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명은 상기한 단방향 측정 방법을 이용한 위치 추정 방법에 있어서, (a) 상기 참조 노드에서 발신된 RF 신호가 상기 기준 노드로 직접 전달되는 시간과 제 1 고정 노드에 의해 중계되어 상기 기준 노드로 전달되는 시간을 산출하는 단계; (b) 상기 대상 노드에서 발신된 RF 신호가 상기 기준 노드로 직접 전달되는 시간과 상기 제 1 고정 노드에 의해 중계되어 상기 기준 노드로 전달되는 시간 및 상기 (a) 단계의 결과를 이용하여 상기 대상 노드의 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드에 대한 상대적인 위치를 측정하는 단계; (c) 상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계를 제 2 고정 노드에 대해 수행하여 상기 대상 노드의 상기 기준 노드 및 상기 제 2 고정 노드에 대한 상대적인 위치를 측정하는 단계; 및 (d) 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계의 결과를 이용하여 상기 대상 노드 의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 위치 추정 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 적어도 송신 기능은 구비하며, 위치 추정 대상이 되는 대상 노드; 적어도 송신 기능은 구비하며, 위치가 알려져 있는 참조 노드; 수신 기능과 송신 기능을 구비하며, 위치가 알려져 있는 적어도 2개의 고정 노드; 적어도 수신 기능은 구비하며, 위치가 알려져 있는 기준 노드; 및 상기 대상 노드와 상기 참조 노드 각각이 발신한 RF 신호가 상기 고정 노드를 통해 중계되어 상기 기준 노드로 도착하는 시간과 직접 기준 노드로 도달하는 시간의 차이를 이용하여 상기 대상 노드의 위치를 추정하는 위치 계산 엔진을 포함하는 위치 추정 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 위치 추정 대상이 되는 노드는 송신 기능만을 구비하여도 되므로 전력 소모를 감소시킬 수 있고, 수신 기능을 구비하지 않아도 되므로 소형화할 수 있는 장점이 있다.
특히 본 발명에 따르면 오실레이터의 클록 편차에 따른 오류를 제거할 수 있고, 각 노드에서의 응답 시간의 차이에 따른 거리 측정 오류를 제거할 수 있는 효과가 있어 주변 환경 변화에 따른 거리 측정의 비정확성을 제거할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가 지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 위치 추정 시스템은 단방향 측정 기법을 이용하여 위치를 추정하고자 하는 대상 노드의 위치를 추정한다.
이하에서는 먼저 단방향 측정 기법에 대하여 설명한 후, 단방향 측정 기법을 통해 획득한 대상 노드의 기준 노드와 고정 노드에 대한 도착 시간 차이(Time Difference Of Arrival : TDOA)를 이용하여 대상 노드의 위치를 추정하는 방법을 설명한다.
단방향 측정 기법( One - Way Ranging Technique )
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위치 추정 방법에 있어서 단방향 측정 기법을 설명하는 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위치 추정 방법을 위한 단방향 측정 기법의 수행을 위해서는 기준 노드(20), 제 1 고정 노드(22), 참조 노드(26), 및 대상 노드(24)가 포함된다.
기준 노드(20)와 제 1 고정 노드(22)는 그 설치 위치가 사전에 알려져 있는 상태이다. 바람직하게는 기준 노드(20)와 제 1 고정 노드(22)는 특정 위치에 고정 되어 있을 수 있다.
기준 노드(20)는 송신 기능과 수신 기능 중에 적어도 수신 기능은 구비한다.
제 1 고정 노드(22)는 송신 기능과 수신 기능 모두를 포함한다.
참조 노드(26)는 적어도 송신 기능은 구비하며, 그 위치는 이미 알고 있는 상태이다.
대상 노드(24)는 송신 기능을 구비하며, 수신 기능은 구비하지 않아도 무방하다.
기준 노드(20), 제 1 고정 노드(22), 참조 노드(26), 및 대상 노드(24) 간의 통신은 CSS(Chirp Spread Spectrum) 또는 IR-UWB(Impulse Radio Ultra Widenband)와 같이 시간 정보를 얻을 수 있는 무선통신 방식을 사용한다.
또한 기준 노드(20), 제 1 고정 노드(22), 참조 노드(26), 및 대상 노드(24)는 무선 센서 네트워크를 구성하는 노드일 수 있다. 여기서 기준 노드(20)는 무선 센서 네트워크의 중앙 서버일 수 있다.
대상 노드(24)의 위치를 추정하기 위한 위치계산 엔진은 기준 노드(20)에 구비되거나, 기준 노드(20)로부터 시간 정보를 전송받는 또 다른 서버에 구비될 수 있다.
도 2에서, a, b, c, d, e, f, g, h, i, 및 j는 각각의 처리에 있어서 시간 축에 대하여 소요되는 시간을 의미한다. 구체적으로, a는 참조 노드(26)의 처리장치에서 참조 노드(26)의 안테나까지의 RF 신호 전달 시간, b는 참조 노드(26)의 안테나에서 제 1 고정 노드(22)의 안테나까지의 RF 신호 전파 시간, c는 제 1 고정 노드(22)의 안테나에서 제 1 고정 노드(22)의 처리 장치까지의 RF 신호 도달 시간, d는 제 1 고정 노드(22)의 처리 장치에서 제 1 고정 노드(22)의 안테나까지의 RF 신호 전달 시간, e는 제 1 고정 노드(22)의 안테나에서 기준 노드(20)의 안테나까지의 RF 신호 전파 시간, f는 기준 노드(20)의 안테나에서 기준 노드(20)의 처리 장치까지의 RF 신호 도달 시간, g는 참조 노드(26)의 처리 장치에서 참조 노드(26)의 안테나까지의 RF 신호 전달 시간, h는 참조 노드(26)의 안테나로부터 제 1 고정 노드(22)의 안테나까지의 RF 신호 전파 시간, i는 참조 노드(26)의 안테나로부터 기준 노드(20)의 안테나까지의 RF 신호 전파 시간, 및 j는 대상 노드(24)의 안테나로부터 기준 노드(20)의 안테나까지의 RF 신호 전파 시간을 각각 나타낸다.
도 2에서 대상 노드(24)의 RF 신호가 기준 노드(20)와 제 1 고정 노드(22)에 각각 도달하는 시간의 차이인 도착 시간 차이(TDOA)는 j-b이며, 이 TDOA를 이용하면 대상 노드(24)의 상대적인 위치를 알 수 있다.
설명의 편의를 위해 RF 신호의 출발 노드, 경유 노드, 및 도착 노드를 나타냄에 있어서 기준 노드(20)는 A, 제 1 고정 노드(22)는 B, 대상 노드(24)는 C, 및 참조 노드(26)는 D의 아래 첨자를 사용하기로 한다. /
t=t0에서, 참조 노드(26)가 신호를 송신한 경우, TDA=t0+g+i+f이고, TDBA=t0+g+h+c+d+e+f이다. 기준 노드(20)와, 제 1 고정 노드(22) 및 참조 노드(26)의 위치는 알고 있으므로, i=li/vc, h=lh/vc, 및 e=le/vc로 계산되는데, 여기서 li는 참조 노드(26)와 기준 노드(20) 간의 거리, lh는 참조 노드(26)와 제 1 고정 노드(22) 간의 거리, le는 제 1 고정 노드(22)와 기준 노드(20) 간의 거리이며, vc는 신호의 전송 속도(즉, 빛의 속도)이다.
TDBA와 TDA를 이용하면, c+d는 수학식 1과 같이 계산된다.
Figure 112008049918193-pat00001
같은 방식으로, t=t1에서 대상 노드(24)가 신호를 송신된 경우, 기준 노드(20)에 신호가 도달하는 시간 TCA=t1+a+j+f이다. 반면, 대상 노드(24)에서 제 1 고정 노드(22)를 통해 기준 노드(20)에 신호가 도달하는 시간 TCBA=t1+a+b+c+d+e+f이다. 따라서, 대상 노드(24)의 RF 신호가 기준 노드(20)와 제 1 고정 노드(22)에 대한 도착 시간 차이(TDOA)는 j-b는 수학식 2와 같이 계산된다.
Figure 112008049918193-pat00002
c+d는 수학식 1에 의해 계산되고, e는 e=le/vc로 이미 알고 있는 상태이다. 한편, RF 신호가 참조 노드(26)에서 제 1 고정 노드(22)를 거쳐 기준 노드(20)에 도달하는 시간과 참조 노드(26)에서 직접 기준 노드(20)에 도달하는 시간의 차이(TDBA-TDA)와 RF 신호가 대상 노드(24)에서 제 1 고정 노드(22)를 거쳐 기준 노 드(20)에 도달하는 시간과 대상 노드(24)에서 직접 기준 노드(20)에 도달하는 시간의 차이(TCA-TCBA)는 기준 노드(20)에서 계산할 수 있으므로 도착 시간 차이 j-b는 수학식 3과 같이 최종적으로 표현할 수 있다.
Figure 112008049918193-pat00003
수학식 3에서
Figure 112008049918193-pat00004
이고,
Figure 112008049918193-pat00005
이다.
한편, 수학식 1, 2에서 TDA, TDBA, TCA 및 TCBA는 기준 노드(20)에 구비된 오실레이터에 기초하여 측정된다. 만약 기준 노드(20)에서의 크리스탈 클록 편차(eA)를고려한다면, 수학식 1과 2는 수학식 4 및 5와 같이 나타낼 수 있고, 수학식 3은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008049918193-pat00006
Figure 112008049918193-pat00007
Figure 112008049918193-pat00008
이상의 수학식에 있어서, 수학식 3은 신호가 대상 노드(24)에서 기준 노드(20)로 도달하는 시간과 대상 노드(24)에서 제 1 고정 노드(22)로 도달한 시간의 도착 시간 차이(j-b)에 대한 이상적인 값이며, 수학식 6은 실제 값으로 이해될 수 있다. 이 때 실제 값과 이상적인 값과의 차이는
Figure 112008049918193-pat00009
가 될 것이다.
위치 추정 방법( Position Determination )
상술한 단방향 측정 기법을 이용하면 대상 노드(24)가 기준 노드(20) 및 제 1 고정 노드(22)에 대한 상대적인 위치만을 알 수 있을 뿐이다. 즉, 수학식 3 또는 수학식 6에 의하면 도착 시간 차이(j-b)를 기준 노드(20)에서 측정된 시간 차이를 바탕으로 확인할 수 있는데, 대상 노드(24)와 기준 노드(20) 간의 거리(lj)와 대상 노드(24)와 제 1 고정 노드(22) 간의 거리(lb)는 수학식 7과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112008049918193-pat00010
만약 기준 노드(20)와, 제 1 고정 노드(22) 및 대상 노드(24)가 동일 평면 상에 위치한다고 가정한다면, 수학식 7에 의할 때 대상 노드(24)는 기준 노드(20)와 제 1 고정 노드(22)를 초점으로 한 쌍곡선 상에 위치하게 된다. 따라서 대상 노드(24)의 정확한 위치를 추정할 수는 없다.
대상 노드(24)의 정확한 위치를 추정하기 위해서는 적어도 또 하나의 고정 노드('제 2 고정 노드(28)'라고 하자)가 필요하다. 제 2 고정 노드(28)에 대하여 제 1 고정 노드(22)에서와 같은 동일한 방식으로 단방향 측정 기법을 적용하여 대상 노드(24)의 신호가 기준 노드(20)에 도달하는 시간과 제 2 고정 노드(28)에 도달하는 또 하나의 도착 시간 차이를 구한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단방향 측정 기법을 이용한 위치 추정 시스템을 도시한 도면이다.
도 3에 있어서는 도 2에 도시된 구성에 제 2 고정 노드(28)가 추가되었다. 위치 추정의 정확도를 더 높이기 위해서는 제 2 고정 노드(28) 외에 추가적인 고정 노드가 구비되는 것이 바람직하다. 다수의 고정 노드가 구비되는 경우에는 참조 노드(26)는 생략되어도 무방하다. 왜냐하면 참조 노드(26)는 그 위치가 사전에 알려져 있고 적어도 송신 기능을 포함하는데, 적어도 2개의 고정 노드가 구비되는 경우에는 어느 하나의 고정 노드가 참조 노드(26)의 역할을 수행하도록 하는 것이 가능하기 때문이다. 예컨대 제 1 고정 노드(22)에 대해서는 제 2 고정 노드(28)가 도 2의 참조 노드(26)의 기능을 수행하고, 제 2 고정 노드(28)에 대해서는 제 1 고정 노드(22)가 도 2의 참조 노드(26)의 기능을 수행하도록 하는 것이다.
위치 추정 시스템이 N 개의 고정 노드를 구비하고 있다고 할 때 대상 노드(24)의 위치를 추정하는 일반화된 계산식을 다음에서 설명한다. 이에 대한 보다 상세한 설명은 A. H. Sayed, A. Tarighat, 및 N. Khajehnouri의 "Networked-based wireless location"(IEEE Signal Processing Magazine, vol. 22, no. 4, pp. 24-40, 2005)를 참조할 수 있다.
대상 노드(24)의 좌표를 p = [x, y]T 라고 하고, 편의상 기준 노드(20)의 좌표를 [0, 0]T라고 하자. N개의 고정 노드의 좌표는 [xi, yi]T(i=1,...,N)로 표시한다. 그러면, 대상 노드(24)의 좌표는 수학식 8과 같이 추정된다.
Figure 112008049918193-pat00011
수학식 8에서,
Figure 112008049918193-pat00012
이고,
Figure 112008049918193-pat00013
이다.
Figure 112008049918193-pat00014
는 i번째 고정 노드에 대한
Figure 112008049918193-pat00015
이다.
그런데, 수학식 8에서 대상 노드(24)와 기준 노드(20) 간의 거리(lj)는 알 수 없는 값이다. 이에 따라 이에 대해서는 다음의 수학식 9에 따른 2차 방정식을 x, y에 대해 풀어야 한다.
Figure 112008049918193-pat00016
수학식 9의 해를 구하기 위해, 수학식 10 및 11과 같이 정의한다.
Figure 112008049918193-pat00017
Figure 112008049918193-pat00018
수학식 10과 11의 관계에서,
Figure 112008049918193-pat00019
이고, y는 다음의 수학식 12의 해가 된다.
Figure 112008049918193-pat00020
수학식 12로부터 두 쌍의 해가 구해지는데, 진정한 해는 다음의 수학식 13에 따라 결정된다.
Figure 112008049918193-pat00021
수학식 13에서,
Figure 112008049918193-pat00022
이고,
Figure 112008049918193-pat00023
이며,
Figure 112008049918193-pat00024
는 수학식 14에 의해 구해진다.
Figure 112008049918193-pat00025
상술한 설명을 바탕으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단방향 측정 기법을 이용한 위치 추정 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단방향 측정 기법을 이용한 위치 추정 방법의 순서도이다.
도 4에 따른 위치 추정 방법을 수행하기 위한 위치 추정 시스템은, 하나의 기준 노드(20), 적어도 2 개의 고정 노드, 대상 노드(24)를 포함하고, 위치가 알려진 참조 노드(26)를 추가로 포함한다. 다만 전술한 바와 같이 참조 노드(26)는 생략되어도 무방하며, 참조 노드(26)의 역할을 다른 고정 노드가 수행하도록 하는 것도 가능함은 물론이다.
먼저 참조 노드가 레인징(ranging)을 위한 RF 신호를 발신한다(S30).
제 1 고정 노드는 참조 노드로부터의 RF 신호를 수신하여 기준 노드로 전송한다(S32).
기준 노드는 참조 노드로부터 직접 수신한 RF 신호 및 제 1 고정 노드로부터 수신된 RF 신호의 도착 시간의 차이를 이용하여 제 1 고정 노드에서의 RF 신호 릴레이를 위해 소모된 릴레이 시간(c+d)을 계산한다(S34). 여기서 릴레이 시간이란 제 1 고정 노드가 RF 신호를 수신받은 후 이를 처리하여 기준 노드로 전송하기 위하여 소요되는 시간을 의미한다.
다음으로 대상 노드가 레인징을 위한 RF 신호를 발신한다(S36).
제 1 고정 노드는 대상 노드로부터의 RF 신호를 수신하여 기준 노드로 전송한다(S38).
기준 노드는 대상 노드로부터의 직접 수신한 RF 신호 및 제 1 고정 노드로부터 수신된 RF 신호의 도착 시간의 차이와, 상기 S34 단계에서 계산된 제 1 고정 노드의 릴레이 시간을 이용하여, 대상 노드(24)의 기준 노드(20)와 제 1 고정 노드(22)에 대한 도착 시간 차이(j-b)를 계산한다(S40).
상기 S30 단계 내지 상기 S40 단계를 제 2 고정 노드에 대하여 반복하여 수 행한다(S42). 만약, 제 2 고정 노드 외에 또 다른 고정 노드가 존재하는 경우에는 다른 고정 노드들에 대해서도 상기 S42 단계를 반복하여 수행한다. 물론 2개의 고정 노드만으로도 대상 노드의 위치를 추정할 수 있지만 정확도를 향상시키기 위해서는 고정 노드의 개수가 많을수록 좋다. 다만, 고정 노드의 개수가 많아질 경우에는 처리 시간이 증가하므로 본 발명의 실시 형태에 따라 정확도와 처리 시간의 상관관계로부터 적절한 고정 노드의 개수를 설정하는 것이 바람직하다.
적어도 2개의 고정 노드에 대하여 상기 단계를 수행한 후, 그 도착 시간 차이를 이용하여 대상 노드의 위치를 추정한다(S44). 만약, 다른 대상 노드가 존재하는 경우에는 상기 S30 내지 S44 단계를 반복 수행하여 다른 대상 노드의 위치를 추정한다.
이상의 설명에 있어서, 참조 노드 및 대상 노드의 RF 신호 발신은 수신 대상을 특정하지 않고 방송(broadcasting)의 방식으로 이루어지는 것으로 상정하였다. 그러나, 실제 구현에 있어서는 RF 신호의 전송은 수신 대상을 특정하여 전송하는 것으로 이루어지는 것도 가능하다.
예컨대, Nanotron Technologies GmbH.의 nanoLOC TRX 칩셋(chipset)을 이용하여 각 노드를 구성할 경우 레인징을 위해 전송하는 패킷 데이터에는 목적지 주소를 포함한다. 이에 따라 nanoLOC TRX을 이용하는 경우에는 대상 노드 또는 참조 노드에서 기준 노드 및 고정 노드로 동시에 RF 신호를 전송하지 못한다. 그러므로 이 경우에는 대상 노드 또는 참조 노드에서 RF 신호를 전송할 때, 기준 노드를 목적지 주소로 한 레인징 패킷 데이터의 전송과 고정 노드를 목적지 주소로 한 레인징 패 킷 데이터를 각각 시차를 두고 전송하여야 한다. 그렇다고 하더라도, 본 발명에 따른 위치 추정 방법은 TDOF를 이용하므로 적용에 문제가 없음은 물론이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 SDS-TWR 기술을 설명하는 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위치 추정 방법에 있어서 단방향 측정 기법을 설명하는 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단방향 측정 기법을 이용한 위치 추정 시스템을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단방향 측정 기법을 이용한 위치 추정 방법의 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 도면부호의 설명>
20 : 기준 노드 22 : 제 1 고정 노드
24 : 대상 노드 26 : 참조 노드
28 : 제 2 고정 노드

Claims (13)

  1. 기준 노드, 제 1 고정 노드, 참조 노드, 및 대상 노드를 포함하는 무선 네트워크에서 상기 대상 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 참조 노드가 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드로 RF 신호를 임의의 순서로 순차적으로 전송하고, 상기 참조 노드에서 발신된 RF 신호가 상기 기준 노드로 직접 전달되는 시간과 상기 제 1 고정 노드에서 중계되어 상기 기준 노드로 도달되는 시간을 산출하는 단계;
    (b) 상기 대상 노드가 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드로 RF 신호를 임의의 순서로 순차적으로 전송하고, 상기 대상 노드에서 발신된 RF 신호가 상기 기준 노드로 직접 전달되는 시간과 상기 제 1 고정 노드에서 중계되어 상기 기준 노드로 도달되는 시간을 산출하는 단계; 및
    (c) 상기 (a)단계와 상기 (b)단계에서 산출된 시간을 바탕으로 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드 각각에 대한 상기 대상 노드의 상대적인 위치를 추정하는 단계
    를 포함하며,
    상기 (a)단계와 상기 (b)단계는 임의의 순서로 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 상기 참조 노드에서 RF 신호를 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드로 발신하는 단계;
    (a2) 상기 제 1 고정 노드에서 상기 참조 노드가 발신한 RF 신호를 전송받아 이를 상기 기준 노드로 중계하는 단계; 및
    (a3) 상기 (a1) 단계와 상기 (a2) 단계 각각을 통해 상기 기준 노드로 도달되는 RF 신호의 도달 시간 차이를 이용하여 상기 제 1 고정 노드에서 상기 RF 신호를 상기 참조 노드에서 수신한 후 상기 기준 노드로 발신하기 전까지의 릴레이 시간을 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 상기 대상 노드에서 RF 신호를 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드로 발신하는 단계;
    (b2) 상기 제 1 고정 노드에서 상기 대상 노드가 발신한 RF 신호를 전송받아 이를 상기 기준 노드로 중계하는 단계; 및
    (b3) 상기 (b1) 단계와 상기 (b2) 단계 각각을 통해 상기 기준 노드로 도달되는 RF 신호의 도달 시간 차이를 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 RF 신호는, 첩 확산 대역(Chirp Spread Spectrum) 또는 아이알-유더블유비(Impulse Radio Ultra Widenband) 방식에 의한 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  5. 삭제
  6. 기준 노드, 적어도 2 개의 고정 노드, 참조 노드 및 대상 노드를 포함하는 무선 네트워크에서 상기 대상 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 참조 노드가 상기 기준 노드 및 제 1 고정 노드로 RF 신호를 임의의 순서로 순차적으로 전송하고, 상기 참조 노드에서 발신된 RF 신호가 상기 기준 노드로 직접 전달되는 시간과 상기 제 1 고정 노드에 의해 중계되어 상기 기준 노드로 전달되는 시간을 산출하는 단계;
    (b) 상기 대상 노드가 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드로 RF 신호를 임의의 순서로 순차적으로 전송하고, 상기 대상 노드에서 발신된 RF 신호가 상기 기준 노드로 직접 전달되는 시간과 상기 제 1 고정 노드에 의해 중계되어 상기 기준 노드로 전달되는 시간을 산출하는 단계;
    (c) 상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계의 결과를 이용하여 상기 대상 노드의 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드에 대한 상대적인 위치를 측정하는 단계;
    (d) 상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계를 제 2 고정 노드에 대해 수행하여 상기 대상 노드의 상기 기준 노드 및 상기 제 2 고정 노드에 대한 상대적인 위치를 측정하는 단계; 및
    (e) 상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계의 결과를 이용하여 상기 대상 노드의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하며,
    상기 (a)단계와 상기 (b)단계는 임의의 순서로 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 상기 참조 노드에서 RF 신호를 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드로 발신하는 단계;
    (a2) 상기 제 1 고정 노드에서 상기 참조 노드가 발신한 RF 신호를 전송받아 이를 상기 기준 노드로 중계하는 단계; 및
    (a3) 상기 (a1) 단계와 상기 (a2) 단계 각각을 통해 상기 기준 노드로 도달되는 RF 신호의 도달 시간 차이를 이용하여 상기 제 1 고정 노드에서 상기 RF 신호를 상기 참조 노드에서 수신한 후 상기 기준 노드로 발신하기 전까지의 릴레이 시간을 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 상기 대상 노드에서 RF 신호를 상기 기준 노드 및 상기 제 1 고정 노드로 발신하는 단계;
    (b2) 상기 제 1 고정 노드에서 상기 대상 노드가 발신한 RF 신호를 전송받아 이를 상기 기준 노드로 중계하는 단계;
    (b3) 상기 (b1) 단계와 상기 (b2) 단계 각각을 통해 상기 기준 노드로 도달되는 RF 신호의 도달 시간 차이를 산출하는 단계; 및
    (b4) RF 신호가 상기 참조 노드에서 상기 제 1 고정 노드를 거쳐 상기 기준 노드로 도달한 시간과 상기 기준 노드로 직접 도달한 시간과의 도착 시간 차이와, RF 신호가 상기 대상 노드에서 상기 제 1 고정 노드를 거쳐 상기 기준 노드로 도달한 시간과 상기 기준 노드로 직접 도달한 시간과의 도착 시간 차이를 이용하여 상기 대상 노드의 상대적인 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  9. 삭제
  10. 적어도 송신 기능은 구비하며, 위치 추정 대상이 되는 대상 노드;
    적어도 송신 기능은 구비하며, 위치가 알려져 있는 참조 노드;
    수신 기능과 송신 기능을 구비하며, 위치가 알려져 있는 적어도 2개의 고정 노드;
    적어도 수신 기능은 구비하며, 위치가 알려져 있는 기준 노드; 및
    상기 대상 노드와 상기 참조 노드 각각이 임의의 순서로, 상기 기준 노드 및 제 1 고정 노드로 임의의 순서로 순차적으로 발신한 RF 신호가 상기 고정 노드를 통해 중계되어 상기 기준 노드로 도착하는 시간과 직접 기준 노드로 도달하는 시간의 차이를 이용하여 상기 기준 노드 및 상기 고정 노드 각각에 대한 상기 대상 노드의 상대적인 위치를 측정하고, 상기 상대적인 위치 값들을 이용하여 상기 대상 노드의 위치를 추정하는 위치 계산 엔진
    을 포함하는 위치 추정 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 RF 신호는 첩 확산 대역(Chirp Spread Spectrum) 또는 아이알-유더블유비(Impulse Radio Ultra Widenband) 방식에 의한 것을 특징으로 하는 위치 추정 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 대상 노드와 상기 참조 노드는, 상기 RF 신호를 브로드캐스팅하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 대상 노드와 상기 참조 노드는, 상기 RF 신호에 포함되는 패킷 데이터에 목적지 주소를 포함시켜 전송하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 시스템
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