KR101099364B1 - 가중치가 있는 ｔｄｏａ 방식의 무선측위 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 무선 통신 네트워크 상에서 TDOA(Time Difference of Arrival) 방식으로 대상 태그를 측위하는 방법에 있어서, 선택된 소정 영역내에 위치하는 복수개의 기준 태그에 대하여 복수개의 비콘 중 각 쌍의 비콘이 TDOA 방식으로 측정한 도달 시간차이에 대한 분산을 산출하는 단계; TDOA 방식으로 상기 소정 영역내의 대상 태그의 측위를 산출하는 단계; 상기 산출된 대상 태그의 측위와 가장 인접한 기준 태그를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 기준 태그의 분산을 가중치로 이용하여 상기 대상 태그의 측위를 재산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TDOA 방식의 무선측위 방법이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 각 비콘의 측정 성능에 따라서 가중치를 부가하여 상대적으로 오차가 큰 비콘의 영향력을 줄임으로써 보다 정확한 대상 태그의 위치를 산출할 수 있게 된다.

Description

가중치가 있는 ＴＤＯＡ 방식의 무선측위 방법 {weighted wireless positioning method using TDOA}
본 발명은 무선 통신 네트워크 상에서 TDOA(Time Difference of Arrival) 방식으로 대상 태그를 측위하는 방법으로서, 보다 상세하게는 대상 태그를 측위함에 있어서 오차의 범위를 줄이고자 대상 태그의 측위시에 가중치를 부여하여 대상 태그의 보다 정확한 위치를 측정하는 것이다.
최근 무선 통신 기술의 급격한 발달과 함께 무선 통신은 우리 생활과 밀접한 관계를 갖고 있는 중요한 기술로 발전하였다. 이와 함께 유비쿼터스가 중요한 이슈로 떠오르면서 유비쿼터스 시대를 위한 기술 개발을 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 또한 유비쿼터스의 핵심 기술 중의 하나인 위치 기반 서비스(LBS;Local Based System)에 대한 관심이 높아지고 있다.
위치 기반 서비스의 핵심 기술인 측위 기술은 GPS가 실외 환경에서의 위치 추적을 위해 널리 사용되고 있지만 실내와 같은 환경에서는 GPS의적용이 어렵기 때문에 새로운 방식의 측위 기술이 요구된다. 이러한 요구로 인해 현재 위치 측정과 관련된 많은 연구가 이루어지고 있다.
일반적으로 네트워크 상에서 특정 태그의 위치를 측정하는 방법으로는 특정 태그에서 송신한 특정 신호를 세 개 이상의 비콘(beacon)들이 수신하고 그 도착시간을 이용하여 각 비콘과 특정 태그 간의 거리를 구한 다음 삼각법을 이용하여 특정 태그의 위치를 계산한다.
이와 같은 방법으로 특정 태그의 위치를 계산하는 방법에는 도착시간(Time Of Arrival:TOA)을 이용하는 방법과, 도착시간차이(Time Difference Of Arrival:TDOA)을 이용하는 방법이 있다.
TOA를 이용하는 방법은 특정한 신호가 특정 태그로부터 비콘으로 전파되어 간 시간을 기초로 계산한 특정 태그와 비콘 사이의 거리를 이용한다. 즉, 세 개 이상의 비콘과 특정 태그 사이의 거리를 반지름으로 하는 세 개의 원이 교차되는 지점에 특정 태그가 위치하고 있다고 판단한다.
TDOA를 이용하는 방법은 세 개 이상의 비콘이 각각, 특정 태그로부터 수신한 신호의 차이가 일정한 점들의 집합, 즉 쌍곡선을 이용하여 세 개 이상의 쌍곡선이 만나는 점에 특정 태그가 위치하고 있다고 판단하는 방법이다.
그러나 이와 같은 통상적인 TDOA 방법은 실제 상황에서 에러가 존재하기 때문에 세 개이상의 비콘으로 측정된 쌍곡선의 교점이 일치되지 않는 경우가 다반사인데, 특히 실제 상황에서 각 비콘들에 제공되는 환경이 동일하지 않으며, 특정 태그가 펄스를 전송할 경우 어느 비콘은 정확한 샘플링을 하지만 다른 비콘은 성능이 떨어져 샘플링이 많이 흔들릴 수가 있다. 즉 측정 성능이 좋은 비콘과 나쁜 비콘이 동시에 존재하는 경우에 이러한 비콘들의 측정 값을 모두 동일하게 인정하면 실제 특정 태그의 위치와 전혀 다른 위치가 측정될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 네트워크 상에서 특정 태그의 측위에 대한 오차 범위를 줄이기 위한 가중치가 있는 TDOA 방식의 무선 측위 방법을 제공하고자 한다.
나아가서 특정 태그를 무선 측위하는데 있어서 각각의 비콘들의 성능차이와 각 비콘에 제공되는 환경차이로 인하여 발생되는 특정 태그의 측위에 대한 오차 발생 문제를 해결하고자 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, 무선 통신 네트워크 상에서 TDOA(Time Difference of Arrival) 방식으로 대상 태그를 측위하는 방법에 있어서, 선택된 소정 영역내에 위치하는 복수개의 기준 태그 각각에 대하여 복수개의 비콘 중 각 쌍의 비콘이 TDOA 방식으로 측정한 도달 시간차이에 대한 분산을 산출하는 단계; TDOA 방식으로 상기 소정 영역내의 대상 태그의 측위를 산출하는 단계; 상기 산출된 대상 태그의 측위와 가장 인접한 기준 태그를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 기준 태그의 분산을 가중치로 이용하여 상기 대상 태그의 측위를 재산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TDOA 방식의 무선측위 방법이다.
여기서 상기 대상 태그의 측위를 재산출하는 단계에서, 상기 가중치는, 상기 선택된 기준 태그에 대한 각 쌍의 비콘이 TDOA 방식으로 측정한 상기 시간차이에 대한 분산값의 역수가 될 수 있다.
바람직하게는 상기 대상 태그의 측위를 재산출하는 단계는, 하기 수학식에 의해 산출된 p를 상기 대상 태그의 위치로 간주하며,
Figure 112010050338453-pat00001
여기서 p는 대상 태그의 추정 위치, Bi는 i번째 비콘의 위치, Dij는 대상 태그와 i번째 비콘간의 거리와 대상 태그와 j번째 비콘간의 거리의 차, Sij는 선택된 기준 태그의 상기 시간차이에 대한 분산 및 k는 가중치 차수를 나타낸다.
보다 바람직하게는 상기 TDOA 방식의 무선측위 방법은, 2차원 좌표 평면에서 수행될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 대상 태그의 위치 산출시에 가중치를 부가하여 보다 정확한 대상 태그의 위치를 산출할 수 있게 된다.
특히 각 비콘의 측정 성능에 따라서 가중치를 부가하여 상대적으로 오차가 큰 비콘의 영향력을 줄임으로써 보다 정확한 대상 태그의 위치를 산출할 수 있게 된다.
도 1은 TDOA의 개념을 나타내며,
도 2는 본 발명에 따른 TDOA 방식의 무선측위 방법의 개략적인 흐름도를 나타내며,
도 3은 본 발명에 따른 가중치를 산출하기 위한 복수개의 기준 태그를 위치시키는 실시예를 나타내며,
도 4는 비콘의 측정 시간에 대한 분산을 나타내는 실시예이며,
도 5는 본 발명에 따른 가중치를 적용하기 위한 기준 태그를 선택하는 실시예를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
본 발명은 무선 통신 네트워크 상에서 TDOA(Time Difference of Arrival) 방식으로 대상 태그를 측위하는 방법으로서, 대상 태그를 측위함에 있어서 오차의 범위를 줄이고자 대상 태그의 측위시에 가중치를 부여하여 태상 태그의 보다 정확한 위치를 측정하는 것이다.
도 1은 TDOA의 개념을 나타내는데, 도 1의 (a)와 같이 한쌍의 비콘(BS1, BS2)과 대상 태그(T) 간에 신호의 시간차가 일정한 위치를 연결시키면 도 1의 (a)에서 보는 바와 같이 쌍곡선의 궤적으로 나타나고, 도 1의 (b)에서 보는 바와 같이 3개 이상의 비콘(BS1, BS2, BS3)들의 각 쌍으로 대상 태그(T) 간에 신호의 시간차에 따른 쌍곡선이 만나는 교점을 대상 태그(T)의 위치로 판단하게 된다.
일반적으로는 실제 상황에서 에러가 존재하기 때문에 네 개 이상의 비콘으로 구성한 쌍곡선의 교점이 일치하지 않으므로 이를 보정하기 위하여 위치를 추정하는 방법으로 하기 수학식 1을 적용하여 오차가 가장 작게 되는 지점을 찾게 된다.
Figure 112010050338453-pat00002
여기서 p는 대상 태그의 추정 위치를 나타내고, Bi는 i번째 비콘의 위치를 나타내며, Dij는 대상 태그와 i번째 비콘간의 거리와 대상 태그와 j번째 비콘간의 거리의 차를 나타낸다.
이와 같이 측정된 대상 태그의 위치 p는 각 비콘들에 제공되는 환경적 요인과 각 비콘의 성능차이에 따라 오차가 발생되게 되므로, 본 발명에서는 대상 태그의 측위의 오차를 줄이기 위하여 가중치를 적용시키는데 이하에서 본 발명에 따른 무선측위 방법에 대하여 실시예를 통해 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 TDOA 방식의 무선측위 방법의 개략적인 흐름도를 나타낸다.
사전에 미리 설정된 소정의 영역 내에 복수개의 기준 태그를 위치(S110)시킨다. 그리고 위치된 복수개의 기준 태그 각각에 대하여 각 쌍의 비콘이 TDOA 방식을 이용하여 측정한 도달 시간차이에 대한 분산을 산출(S120)하게 된다. 이와 같이 산출된 각각의 기준 태그의 측정 시간에 대한 분산은 이후의 대상 태그의 측위를 위한 가중치로서 적용된게 된다.
그리고 TDOA 방식으로 실제 측정할 대상 태그의 측위를 산출(S130)하고 상기 소정 영역 내의 복수개의 기준 태그 중에서 산출된 대상 태그의 측위와 가장 인접한 기준 태그를 선택(S140)하며, 앞서 산출된 선택된 기준 태그의 상기 시간차이에 대한 분산을 가중치로 상기 측정 대상인 대상 태그의 측위를 재산출(S150)하게 되며, 이와 같이 재산출된 대상 태그의 측위가 대상 태그의 위치로 간주(S160)되어 대상 태그의 측위에 대한 오차를 줄일 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명을 실시예를 통해 보다 자세히 살펴보면, 도 3은 본 발명에 따른 가중치를 산출하기 위한 복수개의 기준 태그를 위치시키는 실시예를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에서는 선택된 소정의 영역(10) 내에 복수개의 기준 태그를 위치시키는데, 여기서 소정 영역이란 2차원의 좌표 평면으로서 건물 내의 특정 장소가 될 수도 있고 실외의 일정 구역이 될 수도 있다. 또한 도 3의 실시예에서는 16개의 기준 태그(70)를 일정 간격으로 위치시켰으나 상황에 따라 기준 태그의 개수는 정해질 수 있으며 또한 도 3의 실시예와 같이 반드시 서로 일정 간격을 유지시키며 위치시킬 필요는 없다. 선택된 소정의 영역(10) 내에는 TDOA 방식을 이용하여 대상 태그를 측위하기 위한 비콘이 적어도 3대 이상 설치되어 있으며 도 3의 실시예에서는 4대의 비콘(50)이 설치되었다.
현재 사용되는 모든 무선측위 시스템은 초기에 태그를 위치시키고 정확도를 맞추는 단계를 가지게 되는데, 이때 각 비콘별로 측정 시간에 대한 분산을 산출할 수 있다.
도 4는 비콘의 측정 시간에 대한 분산을 나타내는 실시예로서, 도 4에 나타난 바와 같이 실제 측정한 바에 따르면 각 비콘들의 측정 정확성은 상당한 차이를 나타낸다. 도 4의 (a)와 같이 비콘 1과 3 사이의 측정 오차는 정규 분포(Normal distribution)을 따른다고 할 수 있는 반면에 비콘 1과 2 사이의 측정 오차는 더 넓은 분포를 보이는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에서는 이와 같은 비콘의 측정 성능에 따라 비콘의 측정치에 가중치를 부가하여 대상 태그의 측위시에 반영시키게 된다.
도 3의 실시예에서 복수개의 각각의 기준 태그에 대한 각 쌍의 비콘별로 측정한 분산값은 s12, s13, s14, s23, s24 및 s34로 정의하여 하기 [표 1]의 값을 얻었다.
Figure 112010050338453-pat00003
이와 같이 소정 영역에서 적용되는 가중치의 테이블이 준비되면 실제 측정하고자 하는 대상 태그를 TDOA 방식으로 측위하게 된다.
이때 측정된 대상 태그의 위치는 오차를 가지고 있는데 도 5에 도시된 바와 같이 대상 태그의 위치(100)가 측정된 경우에 여기서 측정된 대상 태그의 위치(100)와 가장 인접한 기준 태그를 선택하면 7번 기준 태그(75)가 선택되고 상기 [표 1]에서 7번 기준 태그(75)에 대한 분산값을 가중치로 적용하여 하기 수학식 2로 대상 태그의 위치를 재산출하게 된다.
Figure 112010050338453-pat00004
상기 수학식 2를 좀더 상세히 기술하면 아래와 같이 나타낼 수 있으며, 이에 따라 대상 태그의 위치가 산출되게 된다.
Figure 112010050338453-pat00005
여기에서, p는 대상 태그의 추정 위치, Bi는 i번째 비콘의 위치, Dij는 대상 태그와 i번째 비콘간의 거리와 대상 태그와 j번째 비콘간의 거리의 차, Sij는 선택된 기준 태그의 상기 시간차이에 대한 분산 및 k는 가중치 차수를 나타낸다.
또한, 상기의 가중치를 적용시켜 상대적으로 오차가 큰 비콘의 영향력을 줄임으로서 보다 정확한 대상 태그의 위치를 측정할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 특정 태그를 무선 측위하는데 있어서 각각의 비콘들의 성능차이와 각 비콘에 제공되는 환경차이로 인하여 발생되는 특정 태그의 측위에 대한 오차 발생 문제를 해결하고자 가중치를 적용하여 대상 태그에 대한 보다 정확한 위치를 측정할 수 있게 된다.
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 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
(10) : 측정 영역 (50, BS1, BS2, BS3, BS4) : 비콘
(70, 75) : 기준 태그 (T) : 태그

Claims (4)

  1. 무선 통신 네트워크 상에서 TDOA(Time Difference of Arrival) 방식으로 대상 태그를 측위하는 방법에 있어서,
    선택된 소정 영역내에 위치하는 복수개의 기준 태그 각각에 대하여 복수개의 비콘 중 각 쌍의 비콘이 TDOA 방식으로 측정한 도달 시간차이에 대한 분산을 산출하는 단계;
    TDOA 방식으로 상기 소정 영역내의 대상 태그의 측위를 산출하는 단계;
    상기 산출된 대상 태그의 측위와 가장 인접한 기준 태그를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 기준 태그의 분산을 가중치로 이용하여 상기 대상 태그의 측위를 재산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TDOA 방식의 무선측위 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대상 태그의 측위를 재산출하는 단계에서,
    상기 가중치는, 상기 선택된 기준 태그에 대한 각 쌍의 비콘이 TDOA 방식으로 측정한 상기 시간차이에 대한 분산값의 역수인 것을 특징으로 하는 TDOA 방식의 무선측위 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 대상 태그의 측위를 재산출하는 단계는, 하기 수학식에 의해 산출된 p를 상기 대상 태그의 위치로 간주하며,
    Figure 112010050338453-pat00006

    여기서 p는 대상 태그의 추정 위치, Bi는 i번째 비콘의 위치, Dij는 대상 태그와 i번째 비콘간의 거리와 대상 태그와 j번째 비콘간의 거리의 차, Sij는 선택된 기준 태그의 상기 시간차이에 대한 분산 및 k는 가중치 차수를 나타내는 것을 특징으로 하는 TDOA 방식의 무선측위 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 TDOA 방식의 무선측위 방법은, 2차원 좌표 평면에서 수행되는 것을 특징으로 하는 TDOA 방식의 무선측위 방법.
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