KR101244936B1 - 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 장치를 이용한 클락 오프셋 보정 방법에 있어서, 보정 노드로부터 일정 시간 간격으로 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 수신한 복수의 비콘으로부터 각각 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 보정 펄스 정보를 수신하는 단계와, 측위 대상에 해당되는 태그로부터 위치 펄스를 수신한 상기 복수의 비콘으로부터 각각 상기 위치 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 위치 펄스 정보를 수신하는 단계와, 상기 보정 펄스 정보를 이용하여, 상기 비콘들 사이의 클락 오프셋 보상을 위한 상대적 클락 주파수 비율을 상기 비콘 별로 계산하는 단계, 및 상기 제1 보정 펄스와 상기 제2 보정펄스 및 상기 위치 펄스에 대한 각각의 클락 카운트 넘버와, 상기 상대적 클락 주파수 비율을 이용하여, 각 비콘 별로 상기 비콘과 상기 태그 사이의 보정된 클락 카운트 정보를 계산하는 단계를 포함하는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법을 제공한다.
상기 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법 및 장치에 따르면, 비콘과 태그 사이의 거리 추정 과정에서 비콘 사이의 상대적 클락 주파수 비율을 측정하여 각 비콘들의 클락 주파수를 보상함에 따라 클락 오프셋에 의한 위치 추정 결과의 오차 문제를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

Description

무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법 및 장치{Method of clock offset compensation for wireless positioning and apparatus thereof}

본 발명은 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법 및 장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 측위를 수행하는 비콘과 위치 정보를 요구하는 태그 사이의 거리 정보를 효과적으로 예측하여 태그의 정밀한 위치 추정이 가능하게 하는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법 및 장치에 관한 것이다.

최근 떠오르고 있는 위치 기반 서비스(Location Based Service; LBS)의 구현을 위해서는 실내외 무선 측위 기술이 필수적으로 요구된다. 실외에서는 위성들 사이에 클락 동기화가 되어 있는 GPS(Global Positioning System) 신호의 수신이 가능하기 때문에 GPS 기술을 이용하여 측위를 할 수 있다. 그러나, GPS 신호의 수신이 어려운 실내에서는 실내 환경에 적합한 무선 측위 시스템이 필요하게 된다. 이에 따라 실내 무선 측위에 적합한 무선 측위 기술에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다.

일반적으로 무선 측위를 위해서는 측위 시스템의 비콘(beacon)과 위치 정보를 요구하는 태그(tag) 사이의 거리 정보가 필요하다. 이렇게 두 장치 간의 거리 정보를 추정하기 위하여 ToA(Time of Arrival), TDoA(Time Difference of Arrival) 등과 같이 시간 정보를 기반으로 하는 무선 측위 기법이 주로 이용되고 있다.

무선 측위를 위한 비콘과 태그 사이의 시간 정보는 비콘들의 클락 정보를 기반으로 추정된다. 하지만 각 비콘들의 클락에는 독립적인 클락 오프셋이 있기 때문에 추정된 시간 정보의 오차가 발생하게 된다. 이러한 클락 오프셋의 영향 때문에 비콘과 태그 사이의 거리 추정 결과에 오차가 발생하게 된다.

여기서 각 비콘들의 상대적인 클락 오프셋은 ppm (part per millon) 단위의 미세한 차이지만, 클락 정보의 오차가 곧 시간 정보의 오차로 반영되기 때문에, 시간 정보 기반의 무선 측위 시스템은 클락 오프셋에 매우 민감하다고 할 수 있다. 실내 무선 측위에서 요구하는 낮은 위치 정보 오차를 위해서는 비콘들 사이의 클락 오프셋 보정이 필수적이다.

관련 기술로서 종래에는 무선 측위망에서 오차 요소의 선 보상을 통한 이동 노드의 위치 추정 갱신 주기 단축 및 측위 정확도 향상 방법에 관하여 특허공개 제2011-0051319호에 개시된 바 있다. 그런데 이러한 종래 발명은 태그의 위치 추정을 위하여 TWR(Two Way Ranging) 방법을 사용하기 때문에 태그가 두 번 펄스를 전송해야 하므로 태그의 전력 소비가 많은 문제점이 있다. 또한 ToA 기법을 사용하기 때문에 태그가 시간 동기에 참여하는 과정이 별도로 필요한 단점이 있다.

본 발명은, 비콘과 태그 사이의 거리 추정 과정에서 비콘 사이의 상대적 클락 주파수 비율을 측정하여 각 비콘들의 클락 주파수를 보상함에 따라 클락 오프셋에 의한 위치 추정 결과의 오차 문제를 최소화할 수 있는, 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은, 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 장치를 이용한 클락 오프셋 보정 방법에 있어서, 보정 노드로부터 일정 시간 간격으로 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 수신한 복수의 비콘으로부터 각각 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 보정 펄스 정보를 수신하는 단계와, 측위 대상에 해당되는 태그로부터 위치 펄스를 수신한 상기 복수의 비콘으로부터 각각 상기 위치 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 위치 펄스 정보를 수신하는 단계와, 상기 보정 펄스 정보를 이용하여, 상기 비콘들 사이의 클락 오프셋 보상을 위한 상대적 클락 주파수 비율을 상기 비콘 별로 계산하는 단계, 및 상기 제1 보정 펄스와 상기 제2 보정펄스 및 상기 위치 펄스에 대한 각각의 클락 카운트 넘버와, 상기 상대적 클락 주파수 비율을 이용하여, 각 비콘 별로 상기 비콘과 상기 태그 사이의 보정된 클락 카운트 정보를 계산하는 단계를 포함하는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법을 제공한다.

여기서, 상기 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법은 상기 각 비콘 별로, 상기 보정된 클락 카운트 정보에 광속을 각각 곱하여 각 비콘과 상기 태그 사이의 시간 정보를 각각 유추하는 단계, 및 상기 유추된 시간 정보로부터 TDoA(Time Difference of Arrival)를 측정하여 상기 태그의 위치를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 상대적 클락 주파수 비율은 아래의 수학식으로 계산될 수 있다.

여기서, f_i는 i번째 비콘의 상대적 클락 주파수 비율, C_{0 _1}은 0번째 비콘에 수신된 상기 제1 보정 펄스의 클락 카운트 넘버, C_i_₁은 i번째 비콘에 수신된 상기 제1 보정 펄스의 클락 카운트 넘버, C_i_₂는 i번째 비콘에 수신된 상기 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버이다.

이때, 상기 i번째 비콘에 대한 상기 제2 보정 펄스의 수신 시간과 상기 위치 펄스의 수신 시간의 차이(T_{i _32})가 클락 한 주기(T_c) 미만인 경우, 상기 보정된 클락 카운트 정보 C_i는 아래의 수학식으로 계산될 수 있다.

여기서, C_i는 T_{i _32}<T_c일 때 i번째 비콘의 보정된 클락 카운트 정보, C_tbi는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 실제 거리 대응되는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 이상적인 클락 카운트 넘버 정보로서 미리 알고 있는 값이다.

또한, 상기 i번째 비콘에 대한 상기 제2 보정 펄스의 수신 시간과 상기 위치 펄스의 수신 시간의 차이(T_{i _32})가 클락 한 주기(T_c) 이상인 경우, 상기 보정된 클락 카운트 정보 C_i는 아래의 수학식으로 계산될 수 있다.

여기서, C_i는 T_{i _32}≥T_c일 때 i번째 비콘의 보정된 클락 카운트 정보, C_max는 상기 클락 한 주기 동안의 클락 카운트 개수, C_tbi는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 실제 거리 대응되는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 이상적인 클락 카운트 넘버 정보로서 미리 알고 있는 값이다.

그리고, 본 발명은 보정 노드로부터 일정 시간 간격으로 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 수신한 복수의 비콘으로부터 각각 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 보정 펄스 정보를 수신하는 보정펄스 정보 수신부와, 측위 대상에 해당되는 태그로부터 위치 펄스를 수신한 상기 복수의 비콘으로부터 각각 상기 위치 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 위치 펄스 정보를 수신하는 위치펄스 정보 수신부와, 상기 보정 펄스 정보를 이용하여, 상기 비콘들 사이의 클락 오프셋 보상을 위한 상대적 클락 주파수 비율을 상기 비콘 별로 계산하는 클락 오프셋 보상부, 및 상기 제1 보정 펄스와 상기 제2 보정펄스 및 상기 위치 펄스에 대한 각각의 클락 카운트 넘버와, 상기 상대적 클락 주파수 비율을 이용하여, 각 비콘 별로 상기 비콘과 상기 태그 사이의 보정된 클락 카운트 정보를 계산하는 클락 카운트 보정부를 포함하는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 장치를 제공한다.

여기서, 상기 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 장치는, 상기 각 비콘 별로, 상기 보정된 클락 카운트 정보에 광속을 각각 곱하여 각 비콘과 상기 태그 사이의 시간 정보를 각각 유추하는 시간정보 계산부, 및 상기 유추된 시간 정보로부터 TDoA를 측정하여 상기 태그의 위치를 추정하는 위치 추정부를 더 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명은, 일정 시간 간격으로 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 전송하는 보정 노드와, 상기 제2 보정 펄스의 전송 이후 위치 펄스를 전송하는 측위 대상의 태그와, 상기 보정 노드로부터 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 수신하며, 상기 태그로부터 상기 위치 펄스를 수신하는 복수의 비콘과, 상기 복수의 비콘으로부터 각각 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 보정 펄스 정보를 수신하고, 상기 위치 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 위치 펄스 정보를 수신하는 클락 오프셋 보정 장치를 포함하며, 상기 클락 오프셋 보정 장치는, 상기 보정 펄스 정보를 이용하여, 상기 비콘들 사이의 클락 오프셋 보상을 위한 상대적 클락 주파수 비율을 상기 비콘 별로 계산한 다음, 상기 제1 보정 펄스와 상기 제2 보정펄스 및 상기 위치 펄스에 대한 각각의 클락 카운트 넘버와 상기 상대적 클락 주파수 비율을 이용하여, 각 비콘 별로 상기 비콘과 상기 태그 사이의 보정된 클락 카운트 정보를 계산하는 무선 측위 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법 및 장치에 따르면, 비콘과 태그 사이의 거리 추정 과정에서 비콘 사이의 상대적 클락 주파수 비율을 측정하여 각 비콘들의 클락 주파수를 보상함에 따라 클락 오프셋에 의한 위치 추정 결과의 오차 문제를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 측위 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 클락 카운트 넘버를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 서버의 구성도이다.
도 4는 도 1에서 각 펄스의 송수신 구간을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 서버에서의 클락 오프셋 보정 방법을 나타낸다.
도 6은 도 5의 S540 단계를 설명하는 개념도이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 측위 시스템의 구성도이다. 상기 무선 측위 시스템은 보정 노드(100), 복수의 비콘(200a,200b,200c), 태그(300), 그리고 서버에 해당되는 클락 오프셋 보정 장치(400)를 포함한다.

상기 보정 노드(100)는 모든 비콘(200)에게 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 일정 시간 간격(T)으로 전송한다(도 1의 ①번, ②번 참조).

각각의 비콘(200)은 상기 보정 노드(100)로부터 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 수신하고, 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 보정 펄스 정보를 상기 클락 오프셋 보정 장치(400)로 전송한다(도 1의 ③번 참조).

상기 제2 보정 펄스의 전송 이후, 측위 대상에 해당되는 상기 태그(300)는 각각의 비콘(200)에게 위치 펄스를 전송한다(도 1의 ④번 참조).

그러면, 각각의 비콘(200)은 상기 태그(300)로부터 상기 위치 펄스를 수신하고, 상기 위치 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 위치 펄스 정보를 클락 오프셋 보정 장치(400)로 전송한다(도 1의 ⑤번 참조).

여기서, 클락 카운트 넘버에 관한 설명은 도 2를 참조한다. 도 2는 본 발명의 실시예에서 클락 카운트 넘버를 설명하는 도면이다. 도 2의 (a)는 비콘 0의 실제 클락 주파수 펄스에 해당되며 각 펄스는 카운트 넘버를 갖고 있다. (b)는 비콘 0에 수신된 제1 보정 펄스와 제2 보정 펄스 및 위치 펄스를 차례로 나타내고 있으며 각 펄스의 클락 카운트 넘버는 2, 6, 9에 각각 해당된다. 물론, 이는 단지 실시예에 불과한 것으로서 본 발명이 반드시 도 2의 예로 한정되는 것은 아니다.

상기 클락 오프셋 보정 장치(400)는 상기 보정 펄스 정보와 위치 펄스 정보를 이용하여 무선 측위를 위한 보정된 클락 카운트 정보를 계산한다. 도 3은 도 1에 도시된 서버의 구성도이다. 이러한 클락 오프셋 보정 장치(400)는 보정펄스 정보 수신부(410), 위치펄스 정보 수신부(420), 그리고 클락 오프셋 보상부(430) 및 클락 카운트 보정부(440)를 포함한다.

클락 오프셋 보상부(430)에서는 상기 수신된 보정 펄스 정보를 이용하여, 비콘(200)들 사이의 클락 오프셋 보상을 위한 상대적 클락 주파수 비율을 비콘(200) 별로 계산한다. 그리고, 클락 카운트 보정부(440)는 상기 수신된 제1 보정 펄스와 제2 보정펄스 및 위치 펄스에 대한 각각의 클락 카운트 넘버와, 상기 상대적 클락 주파수 비율을 이용하여, 각 비콘(200) 별로 상기 비콘(200)과 상기 태그(300) 사이의 보정된 클락 카운트 정보를 계산한다.

이렇게 보정된 클락 카운트 정보에 광속(빛의 속도)을 곱하여 반영하면 각 비콘(200)과 태그(300) 사이의 시간 정보를 알 수 있고, 상기 시간 정보로부터 TDoA를 측정하면 태그(300)의 위치를 추정할 수 있다. 여기서 TDoA(Time Difference of Arrival) 방식은 본 기술분야에서 자명한 사실에 해당되므로 이에 관하여 상세한 설명은 생략한다.

도 4는 도 1에서 각 펄스의 송수신 구간을 나타내는 도면이다. 도 4에서 세로 방향은 시간의 흐름(상하 방향)을 의미한다.

보정 노드(100)에서 제1 보정 펄스를 송신하면, 각 비콘(200a,200b,300c)에는 제1 보정 펄스가 수신된다. 보정 노드(100)에서 제1 보정 펄스의 송신 시점은 모든 비콘(200)에 대해 동일하지만, 각 비콘(200)에 수신되는 제1 보정 펄스의 수신 시점은 모두 상이하다. 도 4는 비콘 0에서 비콘 2로 갈수록 제1 보정 펄스의 수신 시간이 느려지는 예이다.

보정 노드(100)는 제1 보정 펄스 전송 시점으로부터 T 시간 경과 후 제2 보정 펄스를 전송하며, 각 비콘(200a,200b,300c)에는 제2 보정 펄스가 서로 다른 시점에 수신된다.

다음, 태그(300)는 각 비콘(200a,200b,300c)에게 위치 펄스를 송신한다. 여기서 또한, 태그(300)에서 위치 펄스의 송신 시점은 모든 비콘(200)에 대해 동일하지만, 각 비콘(200)에 수신되는 위치 펄스의 수신 시점은 모두 상이하다.

도 4에서 T_{rd _i}는 i번째 비콘(200)에 제2 보정 펄스가 수신된 시점과 태그(300)로부터 위치 펄스가 송신된 시점 사이의 시간이다. T_{tr _i}는 태그(300)로부터 위치 펄스가 송신된 시점과 i번째 비콘(200)에 상기 위치 펄스가 수신된 시점 사이의 시간으로서, 위치 펄스가 i번째 비콘(200)에 도달하는데 걸리는 시간을 의미한다.

각 비콘(200)과 태그(300) 사이의 거리를 측정하기 위해서는 도 4와 같이 비콘(200)에 수신된 보정 노드(100)의 제2 보정 펄스와, 태그(300)의 위치 펄스 사이의 시간 정보를 측정해야 한다. 이때, 비콘(200)들의 카운터는 각기 독립적인 클락 오프셋을 가지기 때문에, 각각의 비콘에서 추정한 시간 정보에는 오차가 포함되게 된다. 이렇게 오차가 포함된 시간 정보를 ToA, TDoA 기법에 이용하게 되면 무선 측위 성능의 열화를 초래하게 된다. 비콘들의 측정된 시간 정보의 오차 정도를 추정하는 것은 다음의 수학식 1을 참조한다.

여기서, i는 비콘(200)의 넘버링이며 i=0,1,2이다. f_{offset _i}는 비콘 i의 클락 주파수 오프셋이고, f는 오프셋이 없는 이상적인 클락 주파수이다. 그리고, t_{offset _i}는 비콘 i가 클락 오프셋이 있을 경우 측정되는 '오차가 포함된 시간 정보'이고, t_{ideal_i}는 클락 오프셋이 없을 경우 측정되는 오차가 없는 실제 시간 정보이다.

도 4 및 수학식 1을 참조하면, 클락 오프셋으로 인한 오차는 보정 노드(100)의 보정 펄스가 비콘 i에 수신된 다음 긴 시간 후에 태그(300)가 위치 추정 펄스를 전송하는 경우, 즉 T_{tr _i}보다 상대적으로 큰 값인 T_{rd _i}가 길어질수록, 클락 오프셋이 누적되어 클락 정보의 오차가 지속적으로 커지게 된다. 이와 같이 누적된 클락 정보의 오차는 태그(300)의 위치 추정 결과에 심각한 오차를 발생시키는 요인이 된다.

본 발명의 경우, 시간 정보의 측정을 위해, 오프셋이 포함된 클락 카운트 정보에서 클락 오프셋을 보상할 때에, 이상적인 주파수 f를 사용하는 것이 아니라 f_{offset_i}의 상대적인 주파수 오프셋 비율인 f_i를 사용하여 클락 오프셋을 보상한다.

즉, 본 발명은 클락 오프셋 보상에 필요한 f_i를 추정하기 위해 도 1의 무선 측위 시스템을 사용한다. 여기서, 보정 노드(100)는 T라는 일정 시간 간격으로 2개의 보정 펄스를 비콘(200)들에게 송신한다. 클락 오프셋 보정 장치(400)에서는 비콘(200)에서 얻은 두 보정 펄스의 클럭 카운트 넘버 값으로부터 비콘(200)들 사이의 클락 오프셋 보상 및 동기화를 마친 다음, 태그(300)가 송신하는 위치 펄스를 이용하여 태그(300)의 위치 정보를 추정한다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법에 관하여 상세히 설명한다. 도 5는 도 1의 서버에서의 클락 오프셋 보정 방법을 나타낸다. 이러한 도 5는 서버를 주체로 하여 설명한 것이다.

먼저, 보정펄스 정보 수신부(410)에서는, 보정 노드(100)로부터 일정 시간 간격으로 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 수신한 복수의 비콘(200)으로부터, 각각 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 보정 펄스 정보를 수신한다(S510).

그리고, 위치펄스 정보 수신부(420)에서는, 측위 대상에 해당되는 태그(300)로부터 위치 펄스를 수신한 상기 복수의 비콘(200)으로부터, 각각 상기 위치 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 위치 펄스 정보를 수신한다(S520).

다음, 클락 오프셋 보상부(430)에서는 상기 보정 펄스 정보를 이용하여, 상기 비콘들 사이의 클락 오프셋 보상을 위한 상대적 클락 주파수 비율을 상기 비콘 별로 계산한다(S530).

이러한 S530 단계 시에, 상기 상대적 클락 주파수 비율은 아래의 수학식 2로 계산된다.

여기서, f_i는 i번째 비콘(비콘 i)의 상대적 클락 주파수 비율이다. C_{0 _1}은 0번째 비콘(비콘 0)에 수신된 상기 제1 보정 펄스의 클락 카운트 넘버이다. C_i_₁은 i번째 비콘(비콘 i)에 수신된 상기 제1 보정 펄스의 클락 카운트 넘버, C_i_₂는 i번째 비콘(비콘 i)에 수신된 상기 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버이다. 이러한 클락 카운트 넘버는 도 1의 각 비콘(200) 주변에 도시된 그림을 통해서도 알 수 있다. 여기서, f₀의 경우, 수학식 2에서 분자와 분모가 동일한 값이 되므로 f₀=1이 된다. 수학식 2와 같이 S530 단계는 비콘 0을 기준으로 상대적 클락 주파수 비율이 계산된다.

이후, 상기 클락 카운트 보정부(440)에서는 상기 제1 보정 펄스와 상기 제2 보정펄스 및 상기 위치 펄스에 대한 각각의 클락 카운트 넘버와, 상기 상대적 클락 주파수 비율을 이용하여, 각 비콘(200) 별로 상기 비콘과 상기 태그(300) 사이의 보정된 클락 카운트 정보를 계산한다(S540).

이러한 S540 단계는 수학식 2에서 계산된 f_i와, 각 펄스의 클락 카운트 넘버들을 이용하여, 태그(300)와 비콘(200) 사이의 오프셋이 포함된 클락 카운트 정보를 보상한다.

이러한 보정된 클락 카운트 정보의 계산은 두 가지 경우로 구분된다. 이는 i번째 비콘(비콘 i)에 대한 제2 보정 펄스의 수신 시간과 위치 펄스의 수신 시간의 차이(T_{i _32}) 값이 클락 한 주기(T_c) 이상인 경우 또는 미만인 경우로 구분된다.

먼저, T_{i _32}<T_c일 때, 상기 보정된 클락 카운트 정보 C_i는 아래의 수학식 3으로 계산된다.

이러한 수학식 3의 C_i는 T_{i _32}<T_c일 때 i번째 비콘(비콘 i)(200)의 보정된 클락 카운트 정보이다. C_tbi는 상기 보정 노드(100)와 상기 i번째 비콘(200) 사이의 실제 거리 대응되는 상기 보정 노드(100)와 상기 i번째 비콘(200) 사이의 이상적인 클락 카운트 넘버 정보로서 미리 알고 있는 값이다.

즉, 본 발명은 보정 노드(100)와 비콘(200)의 위치를 미리 알고 있다고 가정하기 때문에, 보정 노드(100)와 i번째 비콘(200) 사이의 실제 클락 카운트 넘버 정보 C_tbi는 보정 노드(100)와 i번째 비콘(200) 사이의 실제 거리에 해당되는 시간 정보 t_i에, 이상적인 클락 주파수 f를 곱한 값으로 표현할 수 있다.

도 6은 도 5의 S540 단계를 설명하는 개념도이다. 수학식 3의 분자 부분에서 (C_{i_2}-C_tbi) 부분은 도 6에서 i번째 비콘에서 ②번 펄스(제2 보정 펄스)의 수신 시간과, ①번 펄스(제1 보정 펄스)의 이상적인 수신 시간 사이의 차에 대응된다. 즉, 도 6의 ①번 부분은, 실제로 i번째 비콘(200)이 수신한 제1 보정 펄스의 수신 위치가 아니라, 보정 노드(100)에서 전송된 제1 보정 펄스가 i번째 비콘(200) 측에 클락 주파수 오차(오프셋) 없이 이상적으로 수신된 경우에 대응되는 이상적 제1 보정 펄스의 수신 위치에 해당된다. 즉, 이는 보정 노드(100)와 i번째 비콘(200) 사이의 실제 거리에 해당되는 시간 정보 t_i에 대응하는 이상적인 제1 펄스 수신 위치이다.

따라서, C_{i _2}-C_tbi는 i번째 비콘에서 ②번 펄스(제2 보정 펄스)의 수신 시간(클락 카운트 넘버 정보)과 ①번 펄스(제1 보정 펄스)의 이상적인 수신 시간(클락 카운트 넘버 정보) 사이의 차이 값을 의미한다.

그리고 수학식 3에서 C_{i _3}은 ③번 펄스(위치 펄스)의 수신시간(클락 카운트 넘버)으로서 도 6으로부터 각 비콘(200) 별로 상이한 것을 알 수 있다. 이를 통해, 수학식 3의 분자 부분은 도 6에서 {③번 펄스의 카운트 넘버 - (②번 펄스의 카운트 넘버 - ①번 펄스의 이상적 카운트 넘버)}를 의미한다.

모든 비콘(200)에 대해, 제1 보정 펄스와 제2 보정 펄스는 일정 시간 간격(T)을 사이로 두고 전송된 신호에 해당되므로, C_{i _2}-C_tbi 값은 각 비콘(200)에서 모두 동일하게 된다. 즉, 도 6에서 ②번 펄스 부분은 C_{i _2}-C_tbi 식을 통해 모든 비콘(200)에 대해

번 부분의 위치로 동기화된다. 이에 따라 도 6의 분모 부분은 (③번 펄스의 카운트 넘버 - 보정된

번 펄스의 카운트 넘버)에 대응된다.

이와 같이, T_{i _32}<T_c일 때에는 (C_{i _2}-C_tbi)를 통해 비콘(200)들을 동기화한 다음, 태그(300)와 비콘(200) 사이의 클락 카운트 정보(수학식 3의 분모 값)를 수학식 2에 따른 상대적인 주파수 오프셋 비율 f_i로 나누어 비콘들의 클락 오프셋을 보상한다.

그리고, T_{i _32}≥T_c일 때, 상기 보정된 클락 카운트 정보 C_i는 아래의 수학식 4로 계산된다.

이러한 수학식 4에서 C_i는 T_{i _32}≥T_c일 때 i번째 비콘(비콘 i)의 보정된 클락 카운트 정보이다. C_max는 상기 클락 한 주기 동안의 클락 카운트 개수로서 이는 이미 알고 있는 값에 해당된다. 예를 들어, C_max는 2³²에 해당될 수 있다.

참고로, 수학식 4의 분모에서

는 소숫점을 버리는 연산으로서 T_{i _ 32}이 T_c보다 작을수록

연산 값은 0이 되어 수학식 3과 동일한 형태로 변경될 수 있다.

여기서, 제2 보정 펄스의 수신 시간과 위치 펄스의 수신 시간 사이에 카운트가 몇 번의 주기를 거쳐서 측정된 값인지 알아야 한다. T_{i _32}는 T_{i _3}-T_{i _2}로 구할 수 있다 T_{i _32}≥T_c 일 때에는 수학식 3의

연산 부분을 통해 C_{i _2}와 C_{i _3} 사이에 몇 주기가 지났는지 알 수 있으며, C_max를 곱한 값을 (C_{i _3}-(C_{i _2}-C_tbi))에 더함에 따라, 태그(300)와 비콘(200) 사이의 클락 카운트 정보를 측정할 수 있다.

이상과 같은 두 경우에 맞게 C_i 값이 연산된 이후에는, 시간정보 계산부(미도시)는 각 비콘(200) 별로, 상기 보정된 클락 카운트 정보 C_i에 광속을 각각 곱하여, 각 비콘(200)과 상기 태그(300) 사이의 시간 정보를 각각 유추한다(S350). 그리고, 위치 추정부(미도시)에서는 상기 유추된 시간 정보로부터 TDoA를 측정하여 상기 태그(300)의 위치를 추정한다(360). 여기서, S360에 따른 TDoA 측정에 의한 위치 추정 과정은 기존에 공지되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

이상과 같은 본 발명은, 비콘과 태그 사이의 거리 추정 과정에서 비콘 사이의 상대적 클락 주파수 비율을 측정하여 각 비콘들의 클락 주파수를 보상함에 따라 클락 오프셋에 의한 위치 추정 결과의 오차 문제를 최소화할 수 있는 이점이 있다. 즉, 정밀한 위치 추정을 위해서는 위치를 찾고자 하는 태그와 무선 측위 시스템의 비콘 사이의 거리 인지 결과가 중요하며 이러한 거리 인지 결과에 영향을 주는 요인 중 하나가 각 비콘들의 클락 오프셋임을 앞서 설명한 바 있다. 본 발명에서는 위치 추정을 하는데 있어서 클락 오프셋에 의한 영향을 최소화하기 위하여 클락 오프셋이 포함된 각 비콘들의 클락 카운트 정보를 상대적 클락 주파수 비율로 보상하여 시간 정보를 측정하는 기법을 사용한다. 이러한 본 발명에 따르면, 클락 오프셋에 의한 위치 추정 오차를 50cm 이내로 줄일 수 있으며 클락 오프셋 영향을 최소화할 수 있는 효과적인 무선 측위 방법을 제공한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 보정 노드 200: 비콘
300: 태그 400: 서버
410: 보정펄스 정보 수신부 420: 위치펄스 정보 수신부
430: 클락 오프셋 보상부 440: 클락 카운트 보정부

Claims (11)

1. 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 장치를 이용한 클락 오프셋 보정 방법에 있어서,
   보정 노드로부터 일정 시간 간격으로 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 수신한 복수의 비콘으로부터 각각 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 보정 펄스 정보를 수신하는 단계;
   측위 대상에 해당되는 태그로부터 위치 펄스를 수신한 상기 복수의 비콘으로부터 각각 상기 위치 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 위치 펄스 정보를 수신하는 단계;
   상기 보정 펄스 정보를 이용하여, 상기 비콘들 사이의 클락 오프셋 보상을 위한 상대적 클락 주파수 비율을 상기 비콘 별로 계산하는 단계; 및
   상기 제1 보정 펄스와 상기 제2 보정펄스 및 상기 위치 펄스에 대한 각각의 클락 카운트 넘버와, 상기 상대적 클락 주파수 비율을 이용하여, 각 비콘 별로 상기 비콘과 상기 태그 사이의 보정된 클락 카운트 정보를 계산하는 단계를 포함하는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 각 비콘 별로, 상기 보정된 클락 카운트 정보에 광속을 각각 곱하여 각 비콘과 상기 태그 사이의 시간 정보를 각각 유추하는 단계; 및
   상기 유추된 시간 정보로부터 TDoA(Time Difference of Arrival)를 측정하여 상기 태그의 위치를 추정하는 단계를 더 포함하는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 상대적 클락 주파수 비율은 아래의 수학식으로 계산되는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법:
   

   

   
   여기서, f_i는 i번째 비콘의 상대적 클락 주파수 비율, C_{0 _1}은 0번째 비콘에 수신된 상기 제1 보정 펄스의 클락 카운트 넘버, C_i_₁은 i번째 비콘에 수신된 상기 제1 보정 펄스의 클락 카운트 넘버, C_i_₂는 i번째 비콘에 수신된 상기 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버이다.
4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   청구항 3에 있어서,
   상기 i번째 비콘에 대한 상기 제2 보정 펄스의 수신 시간과 상기 위치 펄스의 수신 시간의 차이(T_{i _32})가 클락 한 주기(T_c) 미만인 경우,
   상기 보정된 클락 카운트 정보 C_i는 아래의 수학식으로 계산되는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법:
   

   

   
   여기서, C_i는 T_{i _32}<T_c일 때 i번째 비콘의 보정된 클락 카운트 정보, C_tbi는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 실제 거리 대응되는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 이상적인 클락 카운트 넘버 정보로서 미리 알고 있는 값이다.
5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   청구항 3에 있어서,
   상기 i번째 비콘에 대한 상기 제2 보정 펄스의 수신 시간과 상기 위치 펄스의 수신 시간의 차이(T_{i _32})가 클락 한 주기(T_c) 이상인 경우,
   상기 보정된 클락 카운트 정보 C_i는 아래의 수학식으로 계산되는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 방법:
   

   

   
   여기서, C_i는 T_{i _32}≥T_c일 때 i번째 비콘의 보정된 클락 카운트 정보, C_max는 상기 클락 한 주기 동안의 클락 카운트 개수, C_tbi는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 실제 거리 대응되는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 이상적인 클락 카운트 넘버 정보로서 미리 알고 있는 값이다.
6. 보정 노드로부터 일정 시간 간격으로 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 수신한 복수의 비콘으로부터 각각 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 보정 펄스 정보를 수신하는 보정펄스 정보 수신부;
   측위 대상에 해당되는 태그로부터 위치 펄스를 수신한 상기 복수의 비콘으로부터 각각 상기 위치 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 위치 펄스 정보를 수신하는 위치펄스 정보 수신부;
   상기 보정 펄스 정보를 이용하여, 상기 비콘들 사이의 클락 오프셋 보상을 위한 상대적 클락 주파수 비율을 상기 비콘 별로 계산하는 클락 오프셋 보상부; 및
   상기 제1 보정 펄스와 상기 제2 보정펄스 및 상기 위치 펄스에 대한 각각의 클락 카운트 넘버와, 상기 상대적 클락 주파수 비율을 이용하여, 각 비콘 별로 상기 비콘과 상기 태그 사이의 보정된 클락 카운트 정보를 계산하는 클락 카운트 보정부를 포함하는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 장치.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 각 비콘 별로, 상기 보정된 클락 카운트 정보에 광속을 각각 곱하여 각 비콘과 상기 태그 사이의 시간 정보를 각각 유추하는 시간정보 계산부; 및
   상기 유추된 시간 정보로부터 TDoA(Time Difference of Arrival)를 측정하여 상기 태그의 위치를 추정하는 위치 추정부를 더 포함하는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 장치.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 상대적 클락 주파수 비율은 아래의 수학식으로 계산되는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 장치:
   

   

   
   여기서, f_i는 i번째 비콘의 상대적 클락 주파수 비율, C_{0 _1}은 0번째 비콘에 수신된 상기 제1 보정 펄스의 클락 카운트 넘버, C_i_₁은 i번째 비콘에 수신된 상기 제1 보정 펄스의 클락 카운트 넘버, C_i_₂는 i번째 비콘에 수신된 상기 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버이다.
9. 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   청구항 8에 있어서,
   상기 i번째 비콘에 대한 상기 제2 보정 펄스의 수신 시간과 상기 위치 펄스의 수신 시간의 차이(T_{i _32})가 클락 한 주기(T_c) 미만인 경우,
   상기 보정된 클락 카운트 정보 C_i는 아래의 수학식으로 계산되는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 장치:
   

   

   
   여기서, C_i는 T_{i _32}<T_c일 때 i번째 비콘의 보정된 클락 카운트 정보, C_tbi는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 실제 거리 대응되는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 이상적인 클락 카운트 넘버 정보로서 미리 알고 있는 값이다.
10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    청구항 8에 있어서,
    상기 i번째 비콘에 대한 상기 제2 보정 펄스의 수신 시간과 상기 위치 펄스의 수신 시간의 차이(T_{i _32})가 클락 한 주기(T_c) 이상인 경우,
    상기 보정된 클락 카운트 정보 C_i는 아래의 수학식으로 계산되는 무선 측위를 위한 클락 오프셋 보정 장치:
    

    

    
    여기서, C_i는 T_{i _32}≥T_c일 때 i번째 비콘의 보정된 클락 카운트 정보, C_max는 상기 클락 한 주기 동안의 클락 카운트 개수, C_tbi는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 실제 거리 대응되는 상기 보정 노드와 상기 i번째 비콘 사이의 이상적인 클락 카운트 넘버 정보로서 미리 알고 있는 값이다.
11. 일정 시간 간격으로 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 전송하는 보정 노드;
    상기 제2 보정 펄스의 전송 이후 위치 펄스를 전송하는 측위 대상의 태그;
    상기 보정 노드로부터 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스를 수신하며, 상기 태그로부터 상기 위치 펄스를 수신하는 복수의 비콘;
    상기 복수의 비콘으로부터 각각 상기 제1 보정 펄스 및 제2 보정 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 보정 펄스 정보를 수신하고, 상기 위치 펄스의 클락 카운트 넘버를 포함하는 위치 펄스 정보를 수신하는 클락 오프셋 보정 장치를 포함하며,
    상기 클락 오프셋 보정 장치는,
    상기 보정 펄스 정보를 이용하여, 상기 비콘들 사이의 클락 오프셋 보상을 위한 상대적 클락 주파수 비율을 상기 비콘 별로 계산한 다음,
    상기 제1 보정 펄스와 상기 제2 보정펄스 및 상기 위치 펄스에 대한 각각의 클락 카운트 넘버와 상기 상대적 클락 주파수 비율을 이용하여, 각 비콘 별로 상기 비콘과 상기 태그 사이의 보정된 클락 카운트 정보를 계산하는 무선 측위 시스템.

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