KR101233755B1 - 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법 - Google Patents

신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실시간 위치 인식 시스템(Real Time Locating Systems)에서 측정된 거리 값을 이용하여 무선 신호의 세기를 예상하고 측정된 신호 세기와 비교하는 방법으로 측정된 거리를 검증하여 거리 측정 및 위치 인식의 정밀도를 높일 수 있도록 한 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법에 관한 것으로, 태그가 부착되어 있는 대상의 위치를 실시간으로 확인할 수 있는 실시간 위치 인식 시스템(RTLS)에서 무선 신호를 이용한 거리 측정에 있어서,두 지점 사이의 거리 측정을 위한 무선 신호를 이용한 거리 측정에서의 신호 세기를 측정하는 단계;상기 측정된 거리 정보를 이용하여 신호 세기를 예상하는 단계;상기 측정된 신호 세기와 예상되는 신호 세기를 비교하여 이를 기준으로 측정된 거리를 검증하는 단계;를 포함한다.

Description

신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법{Method for verification of measured distance using radio frequency}
본 발명은 실시간 위치 인식/추적 시스템(Real Time Locating Systems)에 관한 것으로, 구체적으로 측정된 거리 값을 이용하여 무선 신호의 세기를 예상하고 측정된 신호 세기와 비교하는 방법으로 측정된 거리를 검증하여 거리 측정 및 위치 인식의 정밀도를 높일 수 있도록 한 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법에 관한 것이다.
현재 능동형 RFID 응용의 하나로 태그가 부착되어 있는 대상의 위치를 실시간으로 확인할 수 있는 실시간 위치 인식/추적 시스템(Real Time Locating Systems, RTLS)이 새로이 부각되고 있다.
도 1은 다변측량법을 이용한 실시간 위치 인식을 나타낸 구성도이고, 도 2는 무선 신호를 이용한 거리 측정을 위한 TWR 방식을 나타낸 구성도이다.
그리고 도 3은 실시간 위치 측정 시스템(RTLS)에서 장애물에 의한 투과와 반사로 인한 거리 측정 오차 발생 상태를 나타낸 구성도이다.
실시간 위치 측정 시스템(RTLS)의 응용분야는 유원지, 항만, 물류, 창고 등 사람이나 사물의 위치를 측정 하는 곳에 이용된다.
실시간 위치 측정 시스템은 크게 리더, 태그, 위치 연산 엔진으로 나눌 수 있다.
태그의 위치를 계산하는 방법은 태그에서 위치가 알려진 리더들과의 거리 값 3개 이상을 수집하여 도 1과 같이 다변측량법을 이용하는 것이다.
다변측량법을 사용하는 실시간 위치 인식 시스템은 셋 이상의 리더를 이용하여 매우 정밀한 2차원 상의 위치를 측정해낼 수 있다.
다변측량법은 기하학을 사용하여 물체의 상대 위치를 구하는 방법으로 목표의 위치를 알기 위해서 두 개 이상의 기준점과, 물체와 각 기준점과의 거리를 이용한다. 이러한 다변측량만으로 2차원 상에서의 상대위치를 정확하고 유일하게 결정하기 위해 최소한 3개의 기준점이 필요하다.
RTLS에서 태그와 리더 간의 거리 측정을 위해서 무선 신호를 사용한다.
무선 신호를 이용한 거리 측정의 예로서 TWR(Two-Way Ranging)이 있는데 이는 도 2에서와 같이 두 지점 사이를 무선 신호가 왕복하는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 메커니즘이다.
무선 신호를 이용하여 거리 측정을 함에 있어서 도 3과 같이 두 지점(노드1(31)-->노드 2(32)) 사이에 장애물이 존재할 경우 무선 신호가 장애물을 투과하여 그 속도가 변하거나 장애물에 반사되어 전파되어 전파 거리가 길어져 측정 거리가 실제 거리보다 길어지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 일반적인 방법은 대상의 위치를 계산할 때 여러 지점의 리더로부터 측정된 거리 정보들을 이용하여 측정 거리 오차를 완화시키는 방법을 사용하는데, 이와 같은 종래 기술의 위치 인식 방법으로는 실질적으로 거리 측정 오차를 제거할 수는 없다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 위치 인식 방법의 문제를 해결하기 위한 것으로, 항만 환경과 같이 장애물들로 인해 무선 통신의 장애가 발생하는 환경에서 무선 통신을 통해 거리 측정을 하고자 할 때 측정된 거리가 실제 거리와 큰 오차를 갖고 있는지 확인하여 거리 측정 오차를 제거할 수 있도록 한 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 실시간 위치 인식 시스템(Real Time Locating Systems)에서 측정된 거리 값을 이용하여 무선 신호의 세기를 예상하고 측정된 신호 세기와 비교하는 방법으로 측정된 거리를 검증하여 거리 측정 및 위치 인식의 정밀도를 높일 수 있도록 한 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법은 태그가 부착되어 있는 대상의 위치를 실시간으로 확인할 수 있는 실시간 위치 인식 시스템(RTLS)에서 무선 신호를 이용한 거리 측정에 있어서, 두 지점 사이의 거리 측정을 위한 무선 신호를 이용한 거리 측정에서의 신호 세기를 측정하는 단계;상기 측정된 거리 정보를 이용하여 신호 세기를 예상하는 단계;상기 측정된 신호 세기와 예상되는 신호 세기를 비교하여 이를 기준으로 측정된 거리를 검증하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 거리 측정은,두 지점 사이를 무선 신호가 왕복하는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 TWR(Two-Way Ranging) 거리 측정 방법을 이용하여 거리 측정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 거리 측정에서의 신호 세기를 측정하는 단계에서,거리 측정 과정에서 무선 신호를 수신할 때마다 해당 무선 신호의 세기를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 거리 측정시의 신호 세기를 측정하는 과정에서 수신되는 신호 하나의 신호 세기만을 사용하지 않고 수신되는 여러 신호의 세기들을 평균 내어 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 신호 세기를 예상하는 단계에서,
Figure 112011020652078-pat00001
를 이용하고, 여기서, PR은 수신측에서 측정되는 신호세기, PT는 송신측에서 송출하는 무선 신호의 세기, GR은 수신측 안테나 이득, GT는 송신측 안테나 이득, λ는 파장, d는 거리인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 신호 세기를 예상하는 단계에서,
미리 장애물이 존재하지 않는 환경에서 측정한 신호세기들을 이용하여,
Figure 112011020652078-pat00002
Figure 112011020652078-pat00003
Figure 112011020652078-pat00004
의 수식을 이용하여 신호 세기를 예상하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 측정된 신호 세기와 예상되는 신호 세기를 비교하여 이를 기준으로 측정된 거리를 검증하는 단계에서, 측정된 신호 세기가 예상되는 신호 세기에 비해 약할 경우 거리 측정 과정에서 무선 신호의 반사나 투과가 일어난 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 무선 통신을 이용하여 거리 측정을 시도 할 때 무선 신호가 장애물에 반사 또는 투과되어 측정된 거리가 실제 거리와 크게 다른 경우를 판별할 수 있다.
둘째, 거리 측정에 사용되는 무선 신호의 세기를 측정하여 측정된 거리값을 검증하므로 장비의 추가없이 거리 측정의 정확도를 높일 수 있다.
셋째, 항만 환경과 같이 철제 구조물 등의 장애물에 의한 무선 통신 장애가 많이 발생하는 환경에서 거리 측정의 정확도를 높일 수 있다.
넷째, 보다 정확한 거리 정보를 획득하여 RTLS에 제공해줄 수 있으므로 RTLS의 위치 정밀도를 향상시킨다.
도 1은 다변측량법을 이용한 실시간 위치 인식을 나타낸 구성도
도 2는 무선 신호를 이용한 거리 측정을 위한 TWR 방식을 나타낸 구성도
도 3은 실시간 위치 측정 시스템(RTLS)에서 장애물에 의한 투과와 반사로 인한 거리 측정 오차 발생 상태를 나타낸 구성도
도 4는 본 발명에 따른 신호 세기를 이용하여 무선 신호로 측정된 거리를 검증하는 과정을 나타낸 플로우차트
이하, 본 발명에 따른 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 신호 세기를 이용하여 무선 신호로 측정된 거리를 검증하는 과정을 나타낸 플로우차트이다.
본 발명은 실시간 위치 인식 시스템(Real Time Locating Systems)에서 측정된 거리 값을 이용하여 무선 신호의 세기를 예상하고 측정된 신호 세기와 비교하는 방법으로 측정된 거리를 검증하는 것이다.
본 발명은 예상되는 신호 세기에 비해 측정된 신호 세기가 약할 경우 무선 신호의 전파과정에서 반사나 투과가 일어난 것이므로 측정된 거리가 정확하지 않다고 판단하여 거리 측정의 정확도를 높이고, 정확도가 높은 거리 정보를 RTLS에 제공하여 위치 인식의 정밀도를 높인 것이다.
본 발명에서는 거리 측정에 이용되는 무선 신호의 세기를 이용하는데, 무선 신호의 다음과 같은 특성을 이용하는 것이다.
즉, 무선 신호는 해당 신호의 크기를 나타내는 신호 세기가 있으며, 이는 무선 신호의 근원지에서 멀어질수록 일정하게 감소한다.
또한, 이러한 무선 신호의 세기는 무선 신호가 어떠한 장애물을 투과하거나 장애물에 반사될 때 크게 감소된다.
무선 신호의 세기는 무선 신호의 근원지로부터 멀어짐에 따라 일정하게 감소하기 때문에 근원지로부터의 거리와 송신세기 등을 알면 현재 위치에서의 신호 세기를 예상할 수 있다.
만약 무선 신호가 장애물을 투과하거나 장애물에 반사되었을 경우 신호세기가 크게 감소하여 실제 측정된 신호 세기와 거리에 따라 예상되는 신호세기가 다르게 된다.
본 발명은 무선 신호를 이용하여 측정된 거리로 예상되는 신호세기와 거리 측정 시 측정된 신호 세기를 비교하여 거리 측정 시 이용된 무선 신호의 반사 및 투과 여부를 확인하여 측정된 거리의 정확도를 판단하여 부정확한 거리 정보를 제거한다.
이하, 본 발명에 따른 신호 세기를 이용하여 무선 신호로 측정된 거리를 검증하는 기법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4에서와 같이, 무선 신호를 이용하여 두 지점 간의 위치 측정을 함에 있어 두 지점 사이를 무선 신호가 왕복하는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 TWR(Two-Way Ranging)과 같은 거리 측정 방법을 이용하여 거리 측정을 수행하고 거리 측정 과정에서 무선 신호를 수신할 때마다 해당 무선 신호의 세기를 측정한다.(S401)
이어, TWR을 이용하여 측정된 거리 정보로 예상되는 신호 세기를 계산한다.(S402)
신호 세기를 예상하는 방법에는 아래의 수학식 1을 이용하여 계산할 수도 있으며, 미리 장애물이 존재하지 않는 환경에서 측정한 신호세기들을 바탕으로 세운 수식을 이용할 수도 있다.
Figure 112011020652078-pat00005
여기서, PR은 수신측에서 측정되는 신호세기, PT는 송신측에서 송출하는 무선 신호의 세기, GR은 수신측 안테나 이득, GT는 송신측 안테나 이득, λ는 파장, d는 거리다.
장애물이 존재하지 않는 환경에서 측정한 신호세기들을 이용하여 수식을 세우는 방법은 두 지점 사이에 장애물이 존재하지 않는 환경에서 거리를 변화시키며 신호 세기를 측정하고 수집된 데이터를 바탕으로 최소자승법을 이용하여 수집된 데이터와 가장 유사한 수식을 도출해 내며 그 식은 수학식 2와 같다.
Figure 112011020652078-pat00006
Figure 112011020652078-pat00007
Figure 112012060064407-pat00008

수학식 2에서의 n은 수집한 데이터 수를 나타낸 것이다.
그리고 거리 측정 시에 측정한 신호 세기와 앞에서 구한 예상되는 신호 세기를 비교하여(S403) 측정된 신호 세기가 예상되는 신호 세기에 비해 크게 약할 경우 거리 측정 과정에서 무선 신호의 반사나 투과가 일어난 것으로 판단하고(S405), 그렇지 않은 경우에는 정상적인 측정 거리로 판단한다.(S404)
이와 같이 본 발명은 무선 신호를 이용하여 두 지점 간의 거리를 측정할 때 측정된 거리를 검증하기 위하여 거리 측정에 이용되는 무선 신호의 세기를 이용하여 무선 신호의 반사 및 투과 여부를 확인하는 것이다.
즉, 무선 신호를 이용하여 두 지점 간의 거리를 측정할 때 수신되는 무선 신호의 세기를 측정하고, 무선 신호를 이용하여 구한 거리로 예상되는 신호세기와 측정한 무선 신호의 세기를 비교하여 이를 기준으로 측정된 거리를 검증한다.
즉, 예상되는 신호 세기에 비해 측정된 신호 세기가 약할 경우 무선 신호의 전파과정에서 반사나 투과가 일어난 것이므로 측정된 거리가 정확하지 않다고 판단한다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
31. 노드 1 32. 노드 2

Claims (7)

  1. 태그가 부착되어 있는 대상의 위치를 실시간으로 확인할 수 있는 실시간 위치 인식 시스템(RTLS)에서 무선 신호를 이용한 거리 측정에 있어서,
    두 지점 사이의 거리 측정을 위한 무선 신호를 이용한 거리 측정에서의 신호 세기를 측정하는 단계;
    상기 측정된 거리 정보를 이용하여 신호 세기를 예상하는 단계;
    상기 측정된 신호 세기와 예상되는 신호 세기를 비교하여, 측정된 신호 세기가 예상되는 신호 세기에 비해 약할 경우 거리 측정 과정에서 무선 신호의 반사나 투과가 일어난 것으로 판단하는 측정된 거리의 검증을 하는 단계;를 포함하고,
    상기 거리 측정은, 두 지점 사이를 무선 신호가 왕복하는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 TWR(Two-Way Ranging) 거리 측정 방법을 이용하여 거리 측정을 수행하는 것을 특징으로 하는 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 거리 측정에서의 신호 세기를 측정하는 단계에서,
    거리 측정 과정에서 무선 신호를 수신할 때마다 해당 무선 신호의 세기를 측정하는 것을 특징으로 하는 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 거리 측정시의 신호 세기를 측정하는 과정에서 수신되는 신호 하나의 신호 세기만을 사용하지 않고 수신되는 여러 신호의 세기들을 평균 내어 사용하는 것을 특징으로 하는 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 신호 세기를 예상하는 단계에서,
    Figure 112011020652078-pat00009
    를 이용하고,
    여기서, PR은 수신측에서 측정되는 신호세기, PT는 송신측에서 송출하는 무선 신호의 세기, GR은 수신측 안테나 이득, GT는 송신측 안테나 이득, λ는 파장, d는 거리인 것을 특징으로 하는 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 신호 세기를 예상하는 단계에서,
    미리 장애물이 존재하지 않는 환경에서 측정한 신호세기들을 이용하여,
    Figure 112012060064407-pat00010

    Figure 112012060064407-pat00011

    Figure 112012060064407-pat00012

    의 수식을 이용하여 신호 세기를 예상하고, n은 수집한 데이터 수인 것을 특징으로 하는 신호 세기를 이용한 무선 신호로 측정된 거리의 검증 방법.

  7. 삭제
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