KR101082083B1 - 센서 네트워크에서 위치 인식 방법 및 이를 수행하기 위한 위치인식 시스템 - Google Patents

센서 네트워크에서 위치 인식 방법 및 이를 수행하기 위한 위치인식 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 센서 네트워크에서 위치인식방법 및 이를 수행하기 위한 위치인식 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 네트워크를 구성하는 노드의 정확한 위치를 측정하기 위한 센서 네트워크에서 위치인식방법 및 이를 수행하기 위한 위치인식 시스템에 관한 것이다. 다수의 태그 노드, 다수의 앵커 노드 및 코디네이터를 포함하는 센서 네트워크에서 태그 노드의 위치 인식 방법에 있어서, 상기 코디네이터에서 가용 슬롯이 존재한다는 프리 슬롯 메시지를 전송하는 단계(a); 상기 태그 노드들이 상기 프리 슬롯 메시지에 응답하여 슬롯 요청 메시지를 상기 코디네이터에 전송하는 단계(b); 상기 코디네이터가 상기 태그 노드들이 순차적으로 상기 앵커 노드들과의 거리를 측정하도록 슬롯을 요청한 각 태그 노드에 타임 슬롯을 할당하는 단계(c); 상기 태그 노드들이 상기 할당된 타임 슬롯에 맞추어 순차적으로 상기 앵커 노드들과의 거리를 측정하는 단계(d); 및 상기 앵커 노드들과의 거리 정보를 이용하여 각 태그 노드의 위치를 계산하는 단계(e)를 포함하는 것이 특징이다.
위치 인식 시스템, 위치 측정, CSS, TOA, 타임 슬롯

Description

센서 네트워크에서 위치 인식 방법 및 이를 수행하기 위한 위치인식 시스템{Sensor network position sensing method and position sensing system for the same}
본 발명은 센서 네트워크에서 위치인식방법 및 이를 수행하기 위한 위치인식 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 네트워크를 구성하는 노드의 정확한 위치를 측정하기 위한 센서 네트워크에서 위치인식방법 및 이를 수행하기 위한 위치인식 시스템에 관한 것이다.
근거리 위치인식 기술은 작은 위치정보 발신기가 내보내는 무선신호(RF)를 여러 곳에 설치된 위치정보 수신기들이 감지하고 계산을 수행하여 발신기의 위치를 찾아내는 기술이다. 이 기술은 위치정보 수신기를 설치할 수 있는 곳에만 적용할 수 있기 때문에 인공위성이나 이동통신 서비스를 이용한 위치인식 기술에 비해서 서비스가 가능한 영역은 제한적이지만, 야외뿐만 아니라 실내에서도 사용할 수 있고 정확도가 훨씬 높기 때문에 새롭게 각광을 받고 있다.
유비쿼터스 센서 네트워크(USN)을 통한 위치인식 기술에서 가장 중요한 사항은 센서들의 전원에 관한 것이다. 센서 노드 중 특히 태그(Tag)는 기본적으로 배터 리를 사용하기 때문에 전원에 제약이 있다. 또한 TDOA, AOA 등의 위치 측정방식은 초음파, 어레이 안테나 등의 추가적인 장비가 필요하기 때문에 전원 소비가 더 커지게 된다.
한편, RF 환경에서 RF 신호는 불규칙성(Irregularity), 다중경로(Multipath), 페이딩(Fading), 안테나 지향성(Attitude of antenna) 등의 환경적인 특징으로 인해 변수가 많이 발생하여 정확한 값을 측정하기 어렵다.
도 1은 RF 신호 환경에서 발생하는 다중 경로 현상을 도시한 것으로서, 이와 같은 다중 경로 현상과 RF 신호간 간섭은 기존의 위치 인식 시스템에서 정확한 위치 인식이 이루어지지 않는 주요한 요인 중 하나였다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자하는 것으로, 본 발명의 목적은 변수가 많은 RF 환경에서 보다 정확하게 위치를 인식할 수 있는 센서 네트워크에서의 위치 인식 방법 및 이를 수행하기 위한 위치인식 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 타임 슬롯 방식을 이용하여 거리 측정 시 태그 노드들의 충돌을 최소화하기 위한 센서 네트워크에서 위치 인식 방법 및 이를 수행하기 위한 위치 인식 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로,
다수의 태그 노드, 다수의 앵커 노드 및 코디네이터를 포함하는 센서 네트워크에서 태그 노드의 위치 인식 방법에 있어서, 상기 코디네이터에서 가용 슬롯이 존재한다는 프리 슬롯 메시지를 전송하는 단계(a); 상기 태그 노드들이 상기 프리 슬롯 메시지에 응답하여 슬롯 요청 메시지를 상기 코디네이터에 전송하는 단계(b); 상기 코디네이터가 상기 태그 노드들이 순차적으로 상기 앵커 노드들과의 거리를 측정하도록 슬롯을 요청한 각 태그 노드에 타임 슬롯을 할당하는 단계(c); 상기 태그 노드들이 상기 할당된 타임 슬롯에 맞추어 순차적으로 상기 앵커 노드들과의 거리를 측정하는 단계(d); 및 상기 앵커 노드들과의 거리 정보를 이용하여 각 태그 노드의 위치를 계산하는 단계(e)를 포함하는 것이 특징이다.
센서 네트워크에서 위치 인식 시스템은, 다수의 태그 노드들; 상기 태그 노드의 위치 인식을 위해 설정되는 적어도 3개의 앵커 노드들; 상기 태그 노드들과 앵커 노드들 사이의 거리 측정을 제어하는 코디네이터; 및 상기 태그 노드들과 상기 앵커 노드들 사이의 거리 정보를 이용하여 상기 태그 노드의 위치를 계산하는 위치 계산 서버를 포함하되, 상기 코디네이터는 각 태그 노드들이 간섭을 받지 않고 순차적으로 상기 앵커 노드들과의 거리를 측정하도록 각 태그 노드별로 앵커 노드들과의 거리 측정을 위한 타임 슬롯을 할당하는 것이 특징이다.
본 발명에 의하면 실내에서도 각 노드 간에 거리 측정 시 충돌이 발생되지 않아 적은 오차로 정밀한 위치 인식이 가능하다.
또한 중요문화재, 주요관리대상물품 등과 같은 사물이나 요양시설의 환자, 유아, 학생, 산업현장 종사자, 쇼핑고객 등과 같은 관심대상인물의 위치를 정확하게 파악할 수 있어 중요한 사물을 관리할 수 있고 관심대상인물의 행동경로 및 행동패턴의 파악이 가능하다.
또한 가격이 저렴한 CSS 기술을 이용한 칩을 사용하여 저가의 위치 인식 시스템을 구성할 수 있고, 국산품을 사용하여 시스템을 구성함으로써 수입대체 효과를 기대할 수 있다.
또한 칼만 필터(Kalman Filter)를 적용하여 RF 신호가 튀는 현상을 최대한 방지하여 안정된 위치 인식 시스템을 구현하였다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용한다.
또한 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 인식 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치인식 시스템은 태그 노드(제 1, 2, 3태그 노드)(202, 204, 206), 적어도 세 개의 앵커 노드(제 1, 2, 3, 4앵커 노드)(212, 214, 216, 218) 및 위치 계산 서버(230)를 포함한다. 태그 노드들과 앵커 노드들(212, 214, 216, 218)은 센서 네트워크를 구성하며 서로 무선(RF)으로 통신하여 각종 정보를 송수신한다.
태그 노드(202, 204, 206)는 위치를 측정하고자 하는 대상으로 이동이 가능한 노드이다. 태그 노드(202, 204, 206)는 고유의 식별정보를 저장하고 있어, 이 식별정보를 다른 노드(단말기)에 전송할 수 있는 기능을 가지는 모든 장비를 포함한다.
앵커 노드(212, 214, 216, 218)는 태그 노드(202, 204, 206)와의 거리를 측정하여 태그 노드(202, 204, 206)의 위치를 인식할 수 있도록 기준이 되는 노드를 말한다. 앵커 노드(212, 214, 216, 218)는 태그 노드(202, 204, 206)의 위치를 측 정하기 위해 적어도 세 개가 상기 위치 인식 시스템에 포함된다. 앵커 노드는 일반적으로 육각형 형태로 구성되어 태그 노드(202, 204, 206)의 위치를 인식하는데, 본 실시예에서는 실내에서의 위치 인식 시스템을 구현하기에 적합하도록 4개의 앵커 노드(212, 214, 216, 218)를 사각형 형태로 구성한다. 4개의 앵커 노드(212, 214, 216, 218)는 사각형 실내 공간의 각 모서리 부분에 위치되도록 하는 것이 바람직하다.
위치 계산 서버(230)는 태그 노드(202, 204, 206)와 앵커 노드(212, 214, 216, 218) 사이에 측정된 거리 정보를 이용하여 태그 노드(202, 204, 206)의 위치를 계산한다. 위치 계산 서버(230)는 예를 들어 입력 필터, 출력 필터, 앵커 노드 테이블, 위치 계산 코어를 포함할 수 있다. 물론 위치 계산 서버(230)는 앵커 노드 테이블과 위치 계산 코어를 가지는 한 그 구성은 다양하게 변형될 수 있다. 위치 계산 서버(230)에 포함되는 구성은 하기에서 상세히 설명한다.
상기 위치 인식 시스템에는 복수의 태그 노드(202, 204, 206)가 존재하여 각 태그 노드(202, 204, 206)와 앵커 노드(212, 214, 216, 218) 사이에 각각 거리를 측정할 수 있다. 이때 각 태그 노드(202, 204, 206)와 앵커 노드(212, 214, 216, 218)의 동작을 제어하기 위한 코디네이터가 포함된다.
종래에는 다수의 태그들이 동시에 앵커 노드와의 거리를 측정하였기 때문에, 신호의 간섭이 위치 인식 시스템에서 정확한 위치 계산이 안되는 주요한 원인 중 하나였다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 코디네이터는 위치를 측정하고자 하는 태그 노드들이 순차적으로 충돌 없이 거리를 측정하도록 타임 슬롯을 할당한 다. 위치를 측정하고자 하는 각 태그 노드의 서로 다른 타임 슬롯이 할당되며, 해당 타임 슬롯에 하나의 태그 노드가 앵커 노드들과의 거리를 측정함으로써 거리 측정 시 신호의 간섭이 최소화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태그 노드(202, 204, 206)와 앵커 노드(212, 214, 216, 218) 사이의 거리 측정 시 패킷을 전송하고 패킷이 돌아오는 시간을 측정하여 거리를 연산하는 TOA(Time-of-arrival) 또는 이중 TOA 방식을 이용하여 거리를 측정할 수 있다.
또한 본 발명은 IEEE 802.15.4a 표준의 새로운 물리 계층으로 포함된 CSS(Chip Spread Spectrum)을 기반으로 한다. CSS는 국내 기술로 개발된 차세대 근거리 무선통신 기술로 전파의 세기만으로 위치를 측정하는 기존 ‘지그비(Zigbee)’ 방식의 성능을 보완하기 위해 개발됐다. 통신 도달거리의 확장, 다른 통신방식과의 상호 공존성, 정밀 거리측정기능 등에서 기존 지그비에 비해 성능이 한층 개선된 기술이다. 저속 무선센서 네트워크(Wireless Sensor Network)의 응용에 적합하도록 설계됐고 전력 소모가 낮아 단일 칩에 모든 기능을 내장할 수 있다. 낮은 전력으로도 원거리 통신이 가능하고, 아주 짧은 시간에 넓은 대역을 사용하여 간섭을 최소화할 수 있어 방해 전파가 심각한 실내 환경에서 정밀한 위치 측정을 가능하게 한다.
이하에서는 단일 셀과 다중 셀로 구성된 센서 네트워크에서의 위치인식 방법에 대하여 차례대로 설명한다.
<단일 셀로 구성된 네트워크인 경우>
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 태크 노드와 앵커 노드의 거리를 측정하는 방법을 도시한 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 슬롯을 이용한 거리 측정 방법을 도시한 상세한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예 따라 단일 셀로 구성된 위치 인식 시스템은 3 개의 태그 노드들(200)와 4 개의 앵커 노드들(210)를 포함한다. 코디네이터와 앵커 노드(210)는 별도로 구성할 수도 있으나, 도 3에는 제1 앵커 노드(212)가 코디네이터인 경우가 도시되어 있다.
코디네이터는 주기적으로 sleep/wake-up을 반복하는 불특정 다수의 태그 노드들(200)에 사용 가능한 타임 슬롯(Time slot)이 있을 경우, 가용한 타임 슬롯이 존재한다는 것을 알리기 위한 프리 슬롯(Free Slot) 메시지를 브로드캐스팅(broadcasting)한다(S310).
위치를 측정하기 위해 깨어있던 태그 노드들(200)은 코디네이터의 프리 슬롯 메시지에 응답하여 타임 슬롯의 이용을 원한다는 응답 메시지인 슬롯 요청(Request Slot) 메시지를 코디네이터에 전송한다. (S312)
제 1, 2, 3태그 노드(202, 204, 206)에서 모두 응답메시지를 코디네이터에 전송할 수 있는데, 이런 경우, 코디네이터는 태그 노드들(200)에 대해 스케줄링을 수행하여 각각의 태그 노드에 각각 다른 타임 슬롯을 할당한다.
본 발명의 일 실시예에서 코디네이터는 제 1태그 노드(202), 제 3태그 노드 (206)및 제 2태그 노드(204) 순으로 슬롯 메시지를 수신받은 순서대로 타임 슬롯을 할당한 경우가 도시되어 있으나, 상기 스케줄링은 선입선출(FIFO),라운드 로 빈(Round Robin) 또는 우선순위 기반 라운드 로빈(Priority-based Round Robin) 중 하나의 방식을 사용한다. 설정된 슬롯 할당 순서는 'Allocation' 메시지에 포함되어 코디네이터에서 태그 노드들(200)로 브로드캐스팅한다.(S314)
'Allocation' 메시지를 수신받은 태그 노드들(200)은 상기 슬롯 할당 순서를 확인하고, 해당 타임 슬롯에 앵커 노드와의 거리 측정을 수행한다. 또한 자신의 할당 순서가 아닐 경우에는 태그 노드들(200)은 자신의 할당 순서가 될 때까지 전원 관리를 위해 sleep 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 슬롯 할당 순서에서 제 1태그 노드(202)의 순서가 상위이므로 제 1태그 노드(202)는 동작되어 코디네이터로부터 먼저 타임 슬롯1을 할당받고, 나머지 태그 노드들(제 2, 3태그 노드)(204 및 206)는 sleep 상태를 유지한다.
타임 슬롯1에서 거리를 측정하도록 설정된 제 1태그 노드(202)는 거리를 측정하기 위한 앵커 노드들(제 1, 2, 3, 4앵커 노드)(212, 214, 216, 218)에 대한 정보를 알기 위해 코디네이터에 'Anchor discovery' 메시지를 전송하여 앵커 노드(210)들에 대한 정보를 요청한다.(S316)
이어서, 코디네이터는 셀 내에 포함되어 있는 앵커 노드들(210)의 갯수와 각 앵커 노드들(210)에 대한 고유 ID가 포함된 'Anchor list' 메시지를 해당 태그 노드인 제 1태그 노드(202)에 전송한다.
이후 제 1태그 노드(202)는 'Anchor list' 메시지에 포함된 앵커 노드들(210)의 정보를 이용하여 제 1앵커 노드(212), 제 2앵커 노드(214), 제 3앵커 노드(216) 및 제 4앵커 노드(218)와의 거리를 측정한다. 이때 거리 측정 방법은 이중 TOA 방식으로 제 1태그 노드(202)와 앵커 노드들(210) 사이의 전파 지연 시간을 측정하여 이를 바탕으로 거리를 측정한다. 이러한 거리 측정 방법은 하기에서 상세하게 설명한다. (S318)
만일 제 1태그 노드(202)에서의 거리 측정이 Time out 시간까지 완료되지 못하면, 코디네이터는 전체 네트워크의 효율적인 사용을 위하여 'Release slot' 메시지를 브로드캐스팅하여 강제로 제 1태그 노드(202)에서 사용중인 타임 슬롯의 사용을 완료시킨다.
계속해서, 제 1태그 노드(202)는 앵커 노드들(210)과의 측정한 거리 정보를 코디네이터에 전송한다. 이때 제 1태그 노드(202)는 상기 거리 정보와 함께 타임 슬롯의 사용을 완료했다는 메시지를 전송한 후 sleep 상태로 전환한다.(S320)
코디네이터는 제 1태그 노드(202)에서 전송한 상기 거리 정보를 위치 계산 서버(230)로 전송하여 제 1태그 노드(202)의 위치를 계산한다. 위치 계산 서버(230)를 이용하여 태그 노드의 위치를 계산하는 방법은 하기에서 상세히 설명한다.(S322)
계속해서 상기 타임 슬롯 할당 순서에 따라 제 1태그 노드(202)의 다음 순서인 제 3태그 노드(206)와 앵커 노드들(210)과의 거리 측정이 타임 슬롯2에서 수행된다. 또한 제 3태그 노드(206)가 앵커 노드들(210)과의 거리 측정을 완료하면 제 2태그 노드(204)는 타임 슬롯3에서 앵커 노드들(210)과의 거리를 측정한다.
이하에서는 TOA 방식을 이용한 태그 노드들(200)과 앵커 노드들(210) 사이의 거리를 측정하는 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 제 1태그 노드(202)에서 전송된 거리 측정 패킷은 제 1앵커 노드(212)를 거쳐 다시 제 1태그 노드(202)로 돌아온다. 이때 패킷이 돌아오는 시간을 Tround(Round trip 시간)이라 한다. 또한 제 1앵커 노드(212)에서 패킷을 수신받아 처리한 후 제 1태그 노드(202)로 다시 전송하는데, 이때 소요되는 시간을 Treply(reply time)이라 한다. 제 1태그 노드(202)와 제 1앵커 노드(212)에서 소요되는 상기 전파 지연 시간(Tpro)이 같은 경우, 상기 전파 지연 시간(Tpro)은 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008089692275-pat00001
[수학식 1]을 통해 측정된 상기 전파 지연 시간(Tpro)에 전파의 속도(초속 30만 ㎞)를 곱하면 제 1태그 노드(202)와 제 1앵커 노드(212) 사이의 절대 거리를 측정할 수 있다.
종래의 경우, 태그 노드와 앵커 노드와의 거리 측정을 위해 Treply는 별도의 패킷을 통해 앵커 노드에서 태그 노드로 제공되었다. 이 경우, 추가적인 패킷을 필요로 하는 바, 본 발명에서는 거리 측정 패킷을 전송할 때 미리 응답 시간에 대한 정보를 포함시키고, 앵커 노드는 해당 응답 시간이 소요된 후 응답 패킷을 전송하도록 동작한다. 이와 같이 응답 시간을 미리 설정하여 거리 측정 패킷을 전송할 경 우 별도의 패킷을 통해 응답 시간에 대한 정보를 수신할 필요가 없게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 앵커 노드와 태그 노드 사이에 이중 TOA 방식으로 거리를 측정하는 과정과 방법을 도시한 도면이다.
이중 TOA 방식은 상술한 TOA 방식을 노드를 바꾸어 두 번에 걸쳐 수행하는 것으로서, 보다 신뢰성 있는 거리 측정을 위한 것이다.
도 5를 참조하면, 제 1태그 노드(202)에서 거리를 측정하고자 하는 제 1앵커 노드(212)로 거리 측정 패킷을 전송한다. 이때 거리 측정 패킷에는 응답 시간(Reply time)이 미리 설정되어 있다.(502)
상기 전송된 거리 측정 패킷은 제 1앵커 노드(212)로 수신되며, 제 1앵커 노드는 상기 응답 시간에 상응하여 대기 상태를 가지며(S504), 이어서, 제 1앵커 노드(212)에서 제 1태그 노드(202)로 응답 패킷이 전송된다.(S506)
계속해서, 제 1앵커 노드(212)에서 제 1태그 노드(202)로 거리 측정 패킷을 전송한다. 이때 거리 측정 패킷에도 응답 시간이 미리 설정되어 전송된다.(S508)
상기 전송된 패킷은 제 1태그 노드(202)에 수신되며, 제 1태그 노드는 ㅅ사상기 응답 시간에 상응하여 대기 상태를 가지고(S510), 이어서, 제 1태그 노드(202)에서 제 1앵커 노드(212)로 응답 패킷이 전송된다.(S512)
상세하게는, 본 발명에 따른 일 실시예에서는 제 1태그 노드(202)에서 패킷을 송신하여 다시 돌아오는 시간을 TroundA, 제 1앵커 노드(212)에서 제 1태그 노드(202)로 다시 패킷을 전송하는데 소요되는 시간을 TreplyB, 제 1앵커 노드(212)에서 패킷을 송신하여 다시 돌아오는 시간을 TroundB, 제 1태그 노드(202)에서 제 1앵커 노드(212)로 다시 패킷을 전송하는데 소요되는 시간을 TreplyA로 설정하여 [수학식 2]와 같이 제 1태그 노드(202)와 제 1앵커 노드(212) 사이의 거리를 계산할 수 있다.
Figure 112008089692275-pat00002
이하에서는 위치 계산 서버(230)의 구성과 기능을 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 계산 서버의 구성을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 위치 계산 서버(230)는 입력 필터(602), 위치 계산 코어(604), 앵커 테이블(606), 출력 필터(608) 및 디스플레이부(610)를 포함한다.
입력 필터(602)는 코디네이터로부터 태그 노드들(200)과 앵커 노드들(210) 사이에 측정된 거리 정보를 입력받아 입력된 거리 정보가 태그 노드들(200)의 위치를 인식할 수 있을 정도의 신뢰성을 갖는지를 판단하고 신뢰성이 없다고 판단된 값을 보정한다. 상세하게는 앵커 노드들(210)와 태그 노드들(200) 사이에 거리 측정이 실패하거나 최단 경로가 아닌 다중 경로의 오차로 인하여 거리 측정이 올바르게 되지 못한 경우에 거리 좌표의 오차를 보정한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 태그 노드가 이동되면서 앵커 노드와의 거리 변화량을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 상세하게는 일반적으로 태그 노드(702)가 A지점에서 B지점으로 이동한 경우 제 1, 2, 3 앵커 노드(712, 714, 716)에서 A 지점과 B 지점의 태그 노드(702)와의 거리를 각각 측정하면, 그 거리의 변화량은 크게 차이가 나지 않는다. 하지만 다중 경로에 의해 거리 변화량에 오차가 발생한 경우에는 A 지점과 B 지점의 태그 노드(702)의 거리 변화량이 큰 차이를 나타내게 되어 정확한 태그 노드(702)의 위치를 인식하기 힘들게 된다.
이와 같이, 다중 경로로 인해 거리 정보를 신뢰할 수 없거나 거리 측정에 실패한 경우, 입력 필터(602)는 이전에 측정되었던 태그 노드(702)의 평균 거리를 이용하여 오차를 보정하거나, 평균거리 및 평균 거리의 분산 값을 이용하여 오차를 보정한다.
입력 필터(602)에서 보정된 거리 정보는 위치 계산 코어(604)로 전송되어 태그 노드(200)의 위치를 계산하게 된다. 상세하게는, 위치 계산 코어(604)는 앵커 테이블(606)로부터 앵커 노드(210)의 위치 좌표를 확인하고, 이를 바탕으로 삼각 측량 방식을 이용하여 태그 노드(200)의 위치를 좌표로 계산한다.
출력 필터(608)는 위치 계산 코어(604)에서 계산된 태그 노드(200)의 위치를 이전에 측정된 위치 결과를 이용하여 보정한다. 방해전파가 많은 실내의 전파 환경에서는 측정된 위치 결과가 이전에 측정된 결과에 비해 튀게 발생되는 경우가 발생할 수 있기 때문에, 출력 필터(608)는 위치 계산 코어의 출력값에 대한 스무딩(Smoothung) 과정을 수행한다.
또한 출력 필터(608)를 통해 보정된 태그 노드(200)의 위치 정보는 디스플레이부(610)를 통해 태그 노드(200)의 좌표 또는 좌표가 표시된 지도로 디스플레이된다.
출력 필터(608)의 기능을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 일 실시예예 따른 출력 필터의 구성과 출력 필터를 이용하여 태그 노드의 위치를 보정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 출력 필터(608)는 GSMM 프로세서(804), 데이터베이스(806) 및 필터부(808)를 포함하여 위치 계산 코어(604)에서 위치 계산이 잘못된 경우나 입력 필터(602)에서 거리 정보의 보정이 잘못된 경우의 갑작스럽게 위치 값이 변화하거나 튀지 않도록 한다. 필터부(808)는 칼만 필터(Kalman Filter), 최소 스퀘어 기본 필터(Least Suqare Based Filter) 또는 싱크 구조 필터(Sinc Function Filter) 중 하나를 사용하여 필터링하는 바, 바람직하게는 칼만 필터를 이용한다.
먼저 GSMM 프로세서(804)는 기존의 위치 좌표 정보의 최대값과 최소값을 제외한 나머지 기존값을 유지하여 데이터베이스(806)에 저장한다.
이어서 위치 계산 코어(604)로부터 태그 노드(200)의 현재 위치 좌표 정보가 GSMM 프로세서(804)에 입력된다.(S810)
이때 GSMM 프로세서는 입력된 현재 위치 좌표 정보가 상기 데이터베이스에 유지되는 기존값들의 최소값 내지 최대값 범위에 있는지 여부를 판단한다.(S812)
현재 위치 좌표 정보가 기존 위치 좌표의 최소값 내지 최대값 범주에 있을 경우 이를 필터부(808)에 제공하고 현재 위치 좌표 및 데이터베이스에 저장된 기존 의 측정된 위치 좌표를 이용하여 칼만 필터링을 수행함으로써 현재 위치를 보정한다.(S814)
만약 현재 위치 좌표 정보가 기존 위치 좌표의 최소값 내지 최대값 범주에 있지 않을 경우, GSMM 프로세서는 출력된 현재 위치 좌표를 리턴시키고 위치 좌표를 다시 입력받는다. 한편, 출력되는 현재 태그 노드(200)의 위치 좌표가 미리 설정된 횟수 이상 계속해서 최소값 내지 최대값의 범주 밖일 경우, , 데이터베이스에서 유지되는 최소값 및 최대값을 변경하고 입력된 좌표에 대한 칼만 필터링을 수행한다. .
칼만 필터링을 위한 칼만 필터링 상수 Ck는 다음의 수학식 3에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112008089692275-pat00003
Figure 112008089692275-pat00004
Figure 112008089692275-pat00005
위 수학식 3에서, Px, Py는 현재 위치 좌표이고, ai ,x, ai ,y는 기존의 위치 좌표를 의미한다.
<다중 셀로 구성된 네트워크인 경우>
이하에서는 다중 셀 네트워크에서의 태그의 위치를 인식하는 방법에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 4개의 셀과 하나의 코디네이터로 위치 인식 시스템을 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 다중 셀의 경우에는 인접 셀들 사이에 서로 전파 범위(radio range)가 중복되어 코디네이터(이때 앵커 노드(912)는 코디네이터의 기능을 수행한다.)에서 태그 노드들(902,904, 906, 908)에 타임 슬롯 할당 순서가 포함된 'Allocation' 메시지를 전송할 때 오류가 발생된다. 또한 셀 경계 지역에서 각 태그 노드(902,904, 906, 908)가 전송하는 메시지가 충돌하여 오류가 증가되고 네 트워크 효율이 급격하게 떨어지게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 실시예에서는 하나의 코디네이터가 인접한 4개의 셀을 제어한다.
먼저 코디네이터가 가용 슬롯이 존재한다는 프리 슬롯 메시지를 브로드캐스팅 한다.
이 경우, 단일 셀에서의 실시예와 같이 복수의 셀에 속한 태그 노드들이 동시에 슬롯 요청 메시지를 전송할 경우, 코디네이터는 각 태그 노드가 어떠한 셀에 속한 태그인지를 인식할 수 있는 방법이 없다.
따라서, 다중 셀에서의 위치 인식 시에는 각 셀 별로 슬롯 요청 메시지를 전송하는 시간을 미리 지정한다. 이때, 각 셀 별로 슬롯 요청 메시지를 전송하는 시간이 코디네이터에 의해 각 셀의 태그 노드로 전송될 수 있다.
코디네이터는 수신되는 슬롯 요청 메시지의 수신 타이밍을 통해 메시지를 보낸 태그 노드(902,904, 906, 908)가 속한 셀을 확인한다. 즉, 코디네이터에서 4개의 셀에서 슬롯 요청(Request slot) 메시지를 수신받는 시간을 T1, T2, T3, T4로 각각 설정한다(태그 노드(902)가 포함된 셀에 T1 시간을 할당하고 시계방향으로 각 셀에 T2, T3, T4 시간을 할당한다). 코디네이터는 슬롯 요청(Request slot) 메시지를 T1 시간에 수신받게 되면 T1 시간을 할당한 셀에 태그 노드(902)가 포함된 것을 확인할 수 있다.
또한 각 태그 노드들(902, 904, 906, 908)에서 슬롯 요청 메시지를 모두 코디네이터로 보내는 경우, 코디네이터는 각 태그 노드들(902, 904, 906, 908)로부터 수신받은 많은 수의 메시지를 처리하기가 매우 어렵다.
따라서, 단일 셀에서의 실시예와는 달리 각 태그 노드들(902, 904, 906, 908)은 슬롯 요청 메시지를 브로드캐스팅 형태로 전송하고, 각 셀에 속한 앵커 노드들이 해당 슬롯 요청 메시지를 수신한다. 각 셀에 속한 앵커 노드들은 해당 셀에서 발생된 슬롯 요청 정보를 모아 코디네이터에 제공하며, 코디네이터는 앵커 노드들로부터 제공되는 각 셀의 슬롯 요청 정보를 이용하여 셀 별로 타임 슬롯을 할당한다.
도 1은 RF 신호의 다중경로를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 인식 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 태크 노드와 앵커 노드의 거리를 측정하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타임 슬롯을 이용한 거리 측정 방법을 도시한 상세한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 앵커 노드와 태그 노드 사이에 이중 TOA 방식으로 거리를 측정하는 과정과 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 계산 서버의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 태그 노드가 이동되면서 앵커 노드와의 거리 변화량을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예예 따른 출력 필터의 구성과 출력 필터를 이용하여 태그 노드의 위치를 보정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 4개의 셀과 하나의 코디네이터로 위치 인식 시스템을 도시한 도면이다.

Claims (19)

  1. 다수의 태그 노드, 다수의 앵커 노드 및 코디네이터를 포함하는 센서 네트워크에서 태그 노드의 위치 인식 방법에 있어서,
    상기 코디네이터에서 가용 슬롯이 존재한다는 프리 슬롯 메시지를 전송하는 단계(a);
    상기 태그 노드들이 상기 프리 슬롯 메시지에 응답하여 슬롯 요청 메시지를 상기 코디네이터에 전송하는 단계(b);
    상기 코디네이터가 상기 태그 노드들이 순차적으로 상기 앵커 노드들과의 거리를 측정하도록 슬롯을 요청한 각 태그 노드에 타임 슬롯을 할당하는 단계(c);
    상기 태그 노드들이 상기 할당된 타임 슬롯에 맞추어 순차적으로 상기 앵커 노드들과의 거리를 측정하는 단계(d); 및
    상기 앵커 노드들과의 거리 정보를 이용하여 각 태그 노드의 위치를 계산하는 단계(e)를 포함하되,
    상기 코디네이터가 다수의 셀을 관리할 경우,
    상기 단계(b)에서 상기 태그 노드들은 각 셀별로 설정된 슬롯 요청 시간에 상기 슬롯 요청 메시지를 전송하며, 상기 코디네이터는 상기 슬롯 요청 메시지의 수신 시간을 이용하여 타임 슬롯을 요청한 태그 노드가 속한 셀을 판단하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (a)는,
    상기 프리 슬롯 메시지는 브로드캐스팅 방식으로 전송되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코디네이터는 상기 태그 노드들에 타임 슬롯 할당 시 선입 선출(FIFO), 라운드 로빈 및 우선 순위 기반 라운드 로빈으로 이루어진 그룹의 선택된 어느 하나의 방식에 의해 각 태그 노드에 대한 타임 슬롯 할당 순서를 설정하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 태그 노드들은 패킷을 상기 앵커 노드로 전송하여 되돌아오는 라운드트립 시간 및 앵커 노드의 응답 시간을 고려하여 앵커 노드와의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 태그 노드들이 거리 측정을 위해 앵커 노드로 전송하는 패킷에는 응답 시간이 설정되어 있으며, 상기 앵커 노드는 상기 패킷을 수신한 후 상기 응답 시간에 상응하는 시간이 경과한 후 응답 패킷을 전송하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계(e)는,
    상기 앵커 노드들과의 거리 정보가 신뢰성이 있는 정보인지 여부를 판단하고 신뢰성이 없을 경우 상기 앵커 노드들과의 거리 정보를 보정하는 단계(e1);
    상기 앵커 노드들과의 거리 정보 및 상기 앵커 노드들의 좌표 정보를 이용하여 상기 태그 노드들의 위치를 계산하는 단계(e2); 및
    상기 계산된 태그 노드들의 위치에 대한 필터링을 수행하는 단계(e3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계(e1)은 상기 앵커 노드들과의 거리 정보가 신뢰성이 없다고 판단될 경우 이전에 측정된 앵커 노드들과의 거리에 대한 평균 및 분산 정보를 이용하여 상기 앵커 노드들과의 거리 정보를 보정하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 단계(e3)의 필터링은 칼만 필터에 의한 필터링을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단계(e3)는,
    프로세서에 의해 처리된 기존 위치 정보에 대한 데이터베이스를 유지하는 단계;
    위치 계산 코어에서 출력되는 위치 정보가 상기 기존 위치 정보와 비교하여 최대값 내지 최소값의 범주에 속하는지 여부를 상기 프로세서에 의해 판단하는 단계;
    상기 위치 계산 코어에서 출력되는 위치 정보가 상기 기존 위치 정보의 최대값 내지 최소값의 범주에 속하지 않을 경우 상기 출력된 위치 정보를 리턴시키는 단계; 및
    상기 위치 계산 코어에서 출력되는 위치 정보가 상기 기존 위치 정보의 최대값 내지 최소값의 범주에 속할 경우 상기 출력되는 위치 정보 및 상기 데이터베이스에 저장된 기존 위치 정보를 이용하여 칼만 필터링을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 단계(b)에서 상기 태그 노드들은 상기 셀별로 설정된 슬롯 요청 시간에 상기 슬롯 요청 메시지를 1차적으로 해당 셀에 속한 앵커 노드들에 전송하며, 상기 해당 셀에 속한 앵커 노드들이 해당 셀의 태그 노드들로부터 전송된 슬롯 요청 메시지를 상기 코디네이터에 전달하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 방법.
  12. 다수의 태그 노드들;
    상기 태그 노드의 위치 인식을 위해 설정되는 적어도 3개의 앵커 노드들;
    상기 태그 노드들과 앵커 노드들 사이의 거리 측정을 제어하는 코디네이터; 및
    상기 태그 노드들과 상기 앵커 노드들 사이의 거리 정보를 이용하여 상기 태그 노드의 위치를 계산하는 위치 계산 서버를 포함하되,
    상기 코디네이터는 각 태그 노드들이 간섭을 받지 않고 순차적으로 상기 앵커 노드들과의 거리를 측정하도록 각 태그 노드별로 앵커 노드들과의 거리 측정을 위한 타임 슬롯을 할당하며,
    상기 코디네이터가 다수의 셀을 관리할 경우,
    상기 태그 노드들은 각 셀별로 설정된 슬롯 요청 시간에 슬롯 요청 메시지를 전송하며, 상기 코디네이터는 상기 슬롯 요청 메시지의 수신 시간을 이용하여 타임 슬롯을 요청한 태그 노드가 속한 셀을 판단하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 코디네이터는 사용 가능한 타임 슬롯이 존재한다는 프리 슬롯 메시지를 전송하고, 상기 태그 노드들은 상기 프리 슬롯 메시지에 응답하여 타임 슬롯을 요청하는 슬롯 요청 메시지를 상기 코디네이터에 전송하며, 상기 코디네이터는 상기 슬롯 요청 메시지를 전송한 태그 노드들에 타임 슬롯을 할당하고, 상기 태그 노드 들은 할당된 타임 슬롯에 따라 순차적으로 상기 앵커 노드들과의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 코디네이터는 상기 태그 노드들에 타임 슬롯 할당 시 선입 선출(FIFO), 라운드 로빈 및 우선 순위 기반 라운드 로빈으로 이루어진 그룹의 선택된 어느 하나의 방식에 의해 각 태그 노드에 대한 타임 슬롯 할당 순서를 설정하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 태그 노드들은 패킷을 상기 앵커 노드로 전송하여 되돌아오는 라운드트립 시간 및 앵커 노드의 응답 시간을 고려하여 앵커 노드와의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 태그 노드들이 거리 측정을 위해 앵커 노드로 전송하는 패킷에는 응답 시간이 설정되어 있으며, 상기 앵커 노드는 상기 패킷을 수신한 후 상기 응답 시간에 상응하는 시간이 경과한 후 응답 패킷을 전송하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 시스템.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 위치 계산 서버는,
    상기 앵커 노드들과의 거리 정보가 신뢰성이 있는 정보인지 여부를 판단하고 신뢰성이 없을 경우 상기 앵커 노드들과의 거리 정보를 보정하는 입력 필터;
    상기 앵커 노드들의 좌표 정보를 저장하는 앵커 테이블;
    상기 앵커 노드들과의 거리 정보 및 상기 앵커 노드들의 좌표 정보를 이용하여 상기 태그 노드들의 위치를 계산하는 위치 계산 코어; 및
    상기 계산된 태그 노드들의 위치에 대한 필터링을 수행하는 출력 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 입력 필터는 상기 앵커 노드들과의 거리 정보가 신뢰성이 없다고 판단될 경우 이전에 측정된 앵커 노드들과의 거리에 대한 평균 및 분산 정보를 이용하여 상기 앵커 노드들과의 거리 정보를 보정하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 출력 필터는 칼만 필터링을 수행하며,
    기존의 위치 정보에 대해 최소값 및 최대값을 제외한 정보가 데이터베이스에 유지되도록 제어하고, 상기 위치 계산 코어에서 출력되는 위치 정보가 기존 위치 정보의 최소값 내지 최대값의 범주에 속하지 않을 경우 출력된 위치 정보를 리턴시키는 프로세서; 및
    상기 위치 계산 코어에서 출력되는 위치 정보가 기존 위치 정보의 최소값 내지 최대값의 범주에 속할 경우 상기 위치 계산 코어에서 출력되는 위치 정보 및 상기 데이터베이스에 저장된 기존 위치 정보를 이용하여 칼만 필터링을 수행하는 칼판 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서 위치 인식 시스템.
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