KR101814698B1 - 무선 송수신을 이용한 앵커와 태그의 좌표 동시 설정 방법 및 통신 시스템 - Google Patents

무선 송수신을 이용한 앵커와 태그의 좌표 동시 설정 방법 및 통신 시스템 Download PDF

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Abstract

본 명세서에 따른 통신 시스템은 측위 기술을 활용하여 앵커들과 앵커들, 앵커들과 태그들 사이의 직선(line of sight)거리를 측정하여 앵커들과 태그들의 3차원 좌표를 동시에 산출할 수 있다. 보다 상세하게는 먼저 사용자가 앵커들의 위치를 산출할 때 기준이 되는 마스터 앵커(Master Anchor) MA0, MA1, MA2를 정하고 MA0(Master Anchor 0)의 좌표를 임의로 (x1, y1, z1)로 설정하고 이 좌표를 기준으로 하여 마스터 앵커들 간의 거리를 TWR(Two Way Ranging) 방식으로 측정하여 다른 마스터 앵커들의 위치를 계산하고, 마스터 앵커와 다른 앵커들 간의 거리를 TWR(Two Way Ranging) 방식으로 측정하여 슬레이브 앵커들의 상대(relative) 좌표를 계산한다. 이와 동시에 태그들은 앵커들 간의 TWR의 수행 중 앵커들이 송신하는 신호들을 OWR(One Way Ranging) 방식으로 수신하여 수신된 신호들의 TDoA (Time Difference of Arrival)를 계산하여 앵커들의 좌표를 기준으로 한 태그들의 상대적인 좌표를 계산한다. 본 명세서에 따르면, 앵커들의 최소의 송신 신호들만을 사용하여 앵커들과 태그들의 좌표를 동시에 측위 할 수 있어 측위 업데이트 빈도성(position update frequency)을 매우 향상 시킬 수 있다.

Description

무선 송수신을 이용한 앵커와 태그의 좌표 동시 설정 방법 및 통신 시스템{METHOD FOR SIMULTANEOUSLY SETTING COORDINATES OF ANCHOR AND TAG USING WIRELESS TRANSMISSION / RECEPTION AND COMMUNICATION SYSTEM THEREOF}
본 발명은 앵커와 태그의 좌표 설정 방법 및 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 태그의 숫자가 늘어나도 측위 업데이트 빈도성이 감소하지 않는 앵커와 태그의 좌표 설정 방법 및 장치에 관한 것이다.
정보통신 기술의 지속인 발전으로 고성능 네트워크 인프라 구축이 가능해졌고, 언제 어디서나 네트워크를 구성할 수 있는 사용자 중심의 유비쿼터스 컴퓨터 환경이 보편화 되었다. 특히 유비쿼터스 네트워크와 다양한 센서의 활용으로 시간과 공간에 제한이 없는 네트워크 형성이 이루어짐에 따라 사람이나 사물과 같은 객체의 위치를 기반으로 하는 LBS(Location Based Services)가 중요한 서비스로 자리 잡게 되었다. 현재는 유비쿼터스 환경에서 스마트 인프라 환경으로 발전함에 따라 정교한 LBS서비스 제공을 위해 위치 인식 정확도를 높이기 위한 연구가 활발하게 연구가 진행되고 있다. 위치 인식에 이용되는 기술로는 위성을 이용한 GPS(Global Positioning System), 지그비(Zigbee), 블루투스, UWB(Ultra Wide Band), WiFi(Wireless -Fidelity), CDMA(Code Division Multiple Access) 기술 등이 있다. GPS의 경우 위성을 이용한 방법으로 현재는 삼각측정법 등을 이용한 위치 추적 기술을 용하여 오차범위가 30m~50m로 줄어드는 등 많은 발전이 있었지만, 특성상 음영 지역에서는 통신이 불가능하다. 때문에 실내 스마트 인프라 구축에는 어려움이 있고, 1m 이내의 정확도가 필요한 근거리 환경에서의 사용이 용이하지 못하다. WiFi의 경우 고속의 데이터 전송 속도를 가지는 장점이 있으나, 핸드오버 등의 문제를 가지고 있어 위치 인식 추적 기술로는 부합하다. CDMA 기술을 이용한 위치 인식 정보 제공은 기지국을 중심 반경 1km의 측정범위를 가지고 있어 정확한 위치 정보 제공 자체가 불가능하다. 과거 정확도를 우선으로 하는 위치 정보 제공 서비스에서는 주로 RF(Radio Frequency), 초음파를 이용하는 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 기술이 주를 이루었다. 하지만 LoS(Line of Sight)의 제약, 고가의 가격 등으로 상용화되지 못하였으며, 군사 연구시설 등에서만 주로 사용하였다. 2007년에 IEEE 802.15.4a에서는 WPAN(Wireless Personal Area Network)를 위한 표준을 발표하였다. 이 표준은 5GHz 대역을 사용하는 IR-UWB(Impulse Radio- Ultra Wide Band)와, 2.4GHz 역을 사용하는 CSS(Chirp Spread Spectrum)가 있으며, 이 CSS의 물리계층에서의 거리측정 오차는 약 1m 내외로 과거 RSSI를 이용한 거리측정 방법보다 정밀한 성능을 보장한다.
기존의 시스템에서는 앵커(Anchor)와 태그(Tag)의 위치 측정시 일정한 시간을 가지는 시간 슬롯(Time Slot)을 배분하여 앵커와 태그가 순서에 따라 특정 시간 슬롯에서 전파를 송수신하도록 컨트롤하여 측위를 수행하였다. 이때 발생하는 문제는 태그가 추가될수록 추가되는 태그마다 시간 슬롯을 할당하게 되어 태그의 수가 증가하면 시간 슬롯의 수도 증가하여 측위 업데이트 빈도성(position update frequency)이 감소하는 단점이 있다.
예를 들어 decawave 社의 TREK1000은 앵커들의 위치를 측정하기 위하여 두 개의 슬롯(Slot)을 사용하고 태그들과 앵커들의 거리를 측정하기 위하여 태그 수만큼 별도의 슬롯(Slot)을 사용한다. 따라서 태그의 수가 늘어나면 이에 대응하는 슬롯의 수가 증가하여 태그의 수가 늘어나게 되면 총 슬롯의 수를 포함하는 슈퍼프레임(superframe)의 시간이 증가하므로 전체적인 측위 업데이트 빈도성(position update frequency)이 줄어드는 단점이 있다.
도 1은 태그와 앵커 사이에 TWR 방식을 사용하는 실시간 측위 시스템의 시간 프로파일이다.
도 1을 참조하면, 태그 8개, 앵커 3개를 사용하고 한 슬롯의 처리시간이 10msec라 가정하면 슈퍼프레임(superframe) 처리 시간과 시스템 빈도성(system frequency)은 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112017093609021-pat00001
Figure 112017093609021-pat00002
만약 태그의 수가 15개로 늘어난다면 다음과 같이 슈퍼프레임(superframe) 처리 시간이 늘어나고 시스템 빈도성(system frequency)은 감소한다.
Figure 112017093609021-pat00003
Figure 112017093609021-pat00004
따라서 TWR(Two Way Ranging) 방식만 사용하여 앵커와 태그의 위치를 계산하는 것은 태그들의 통신이 중첩되지 않게 시간을 배분해주어야 하기 때문에 태그 수가 많은 경우, 매우 비효율적인 시스템이 될 수 있다.
(1) 강지명, 이순우, 김용화, 박영진, 김관호 "무선 동기를 이용한 IR-UWB 무선 측위 알고리즘", 전자공학회논문지 제 45 권 CI편 제 6 호, pp 27-32. 2008. 11. (2) 임이랑, 강지명, 이순우, 박영진, 이원철, 신요안 "클럭 오프셋과 무선동기를 고려한 실내 무선측위 정밀도 향상 기법", 한국통신학회논문지 제 37 권 제 10 호, pp 894-900, 2010. 10.
본 명세서는 측위 업데이트 빈도성을 감소시키지 않는 앵커와 태그의 좌표 설정 방법 및 통신 시스템을 제공하고자 한다.
본 명세서는 상기 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 앵커와 태그의 좌표 설정 방법은, (a) 앵커와 태그를 포함하는 통신 시스템에서 기준 좌표를 제공하는 3개의 마스터 앵커(이하 '제1 내지 제3 마스터 앵커)를 설정하는 단계; (b) 상기 3개의 마스터 앵커가 순차적으로 폴링 신호와 최종 신호를 전송하여 TWR(Two Way Ranging) 방식으로 슬레이브 앵커들과 거리를 측정하는 단계; 및 (c) 태그가 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호 및 슬레이브 앵커가 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호의 도착 시간차(Time Difference of Arrival, TDoA)를 이용하여 OWR(One Way Ranging) 방식으로 자신의 위치를 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 통신 시스템에서 측위를 위한 슈퍼프레임은 3개의 슬롯으로 구성되어 있으며, 상기 (b) 단계는, 상기 3개의 마스터 앵커가 3개의 슬롯 중 각 하나의 슬롯을 통제하여 폴링 신호와 최종 신호를 보내는 단계일 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계는, 상기 3개의 마스터 앵커 중 제1 마스터 앵커가 제2, 제3 마스터 앵커와 슬레이브 앵커들에게 보낸 상기 제1 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 상기 제2 마스터 앵커의 응답 신호를 상기 제3 마스터 앵커와 상기 슬레이브 앵커들은 폴링 신호로 인식하도록 하며, 상기 제2 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 상기 제3 마스터 앵커의 응답 신호를 상기 슬레이브 앵커들은 폴링 신호로 인식하도록 하며, 상기 슬롯은 상기 제2, 제3 마스터 앵커가 최종 신호를 보낼 수 있는 시간을 포함하고, 상기 (c) 단계는, 태그가 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호와 상기 슬레이브 앵커들이 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호를 이용하여 자신의 위치를 산출하도록 할 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 통신 시스템에서 측위를 위한 슈퍼프레임은 3개의 슬롯으로 구성된 초기화 구간과, 1개의 슬롯으로 구성된 태그 측위 구간으로 되어 있으며, 상기 (b) 단계는, 상기 3개의 마스터 앵커가 상기 초기화 구간을 이용하여 슬레이브 앵커들과의 거리를 측정하는 단계이고, 상기 (c) 단계는, 태그가 상기 태그 측위 구간을 이용하여 자신의 위치를 산출하는 단계일 수 있다.
이 경우, 상기 (c) 단계는 태그가 제1 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호 및 상기 제1 마스터 앵커를 제외한 나머지 앵커들이 전송하는 상기 제1 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 응답 신호만을 이용하여 자신의 위치를 산출하는 단계일 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계는 상기 3개의 마스터 앵커가 최종 신호에 자신의 좌표 정보를 포함시켜 전송하는 단계일 수 있다.
이 경우, 상기 (b) 단계는 슬레이브 앵커가 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 최종 신호에 대한 응답 신호에 자신의 좌표 정보를 포함시켜 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 통신 시스템은, 기준 좌표를 제공하도록 설정되며, 순차적으로 폴링 신호와 최종 신호를 전송하여 TWR(Two Way Ranging) 방식으로 슬레이브 앵커들과 거리를 측정하는 3개의 마스터 앵커; 상기 3개의 마스터 앵커(이하 '제1 내지 제3 마스터 앵커)가 전송하는 폴링 신호 및 최종 신호에 대한 응답 신호를 전송하며, TWR(Two Way Ranging) 방식으로 자신의 좌표를 산출하는 슬레이브 앵커; 및 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호 및 슬레이브 앵커가 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호의 도착 시간차(Time Difference of Arrival, TDoA)를 이용하여 OWR(One Way Ranging) 방식으로 자신의 위치를 산출하는 태그;를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 통신 시스템에서 측위를 위한 슈퍼프레임은 3개의 슬롯으로 구성되어 있으며, 상기 3개의 마스터 앵커는 3개의 슬롯 중 각 하나의 슬롯을 통제하여 폴링 신호와 최종 신호를 보낼 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 통신 시스템에서 측위를 위한 슈퍼프레임은 1개의 슬롯으로 구성되어 있으며, 상기 3개의 마스터 앵커 중 제1 마스터 앵커가 제2, 제3 마스터 앵커와 슬레이브 앵커들에게 보낸 상기 제1 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 상기 제2 마스터 앵커의 응답 신호를 상기 제3 마스터 앵커와 상기 슬레이브 앵커들은 폴링 신호로 인식하도록 하며, 상기 제2 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 상기 제3 마스터 앵커의 응답 신호를 상기 슬레이브 앵커들은 폴링 신호로 인식하도록 하며, 상기 슬롯은 상기 제2, 제3 마스터 앵커가 최종 신호를 보낼 수 있는 시간을 포함하고, 상기 태그가 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호와 상기 슬레이브 앵커들이 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호를 이용하여 자신의 위치를 산출하도록 할 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 통신 시스템에서 측위를 위한 슈퍼프레임은 3개의 슬롯으로 구성된 초기화 구간과, 1개의 슬롯으로 구성된 태그 측위 구간으로 되어 있으며, 상기 3개의 마스터 앵커는 상기 초기화 구간을 이용하여 슬레이브 앵커들과의 거리를 측정하고, 상기 태그는 상기 태그 측위 구간을 이용하여 자신의 위치를 산출할 수 있다.
이 경우, 상기 태그는 상기 제1 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호 및 상기 제1 마스터 앵커를 제외한 나머지 앵커들이 전송하는 상기 제1 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 응답 신호만을 이용하여 자신의 위치를 산출할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 3개의 마스터 앵커는 최종 신호에 자신의 좌표 정보를 포함시켜 전송할 수 있다.
이 경우, 상기 슬레이브 앵커는 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 최종 신호에 대한 응답 신호에 자신의 좌표 정보를 포함시켜 전송할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 명세서의 일 측면에 따르면, 측위 업데이트 빈도성을 감소시키지 않는 앵커와 태그의 좌표 설정할 수 있다.
본 명세서의 다른 측면에 따르면, 통신 시스템 내 태그의 개수에 상관없이 일정한 측위 업데이트 빈도성을 가질 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 태그와 앵커 사이에 TWR 방식을 사용하는 실시간 측위 시스템의 시간 프로파일이다.
도 2는 본 명세서에 따른 통신 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 3은 본 명세서에 따른 앵커와 태그의 좌표 설정 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 4 내지 도 6은 본 명세서의 일 실시예에 따른 시간 프로파일이다.
도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따른 슬롯의 구성 예시도이다.
도 8은 본 명세서의 일 실시예에 따른 슬롯의 메시지 표이다.
도 9는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 슬롯의 구성 예시도이다.
도 10은 본 명세서의 또 다른 실시예에 따른 슬롯의 구성 예시도이다.
본 명세서에 개시된 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서가 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하고, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 명세서의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서의 권리 범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 명세서의 권리 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 명세서에 따른 통신 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 2를 참조하면, 다수의 앵커(Anchor) 및 태그(Tag)를 확인할 수 있다. 본 명세서에 따르면, 상기 다수의 앵커는 3개의 마스터 앵커와 나머지 슬레이브 앵커로 구분될 수 있다. 상기 앵커 및 태그는 상호 간에 무선 통신이 가능하며, TWR(Two Way Ranging) 및 OWR(One Way Ranging)을 통한 측위 기술 등 통상의 기술자에게 널리 알려진 통신 프로토콜의 수행이 가능하다. 상기 측위 기술 및 통신 프로토콜에 대해서는 통상의 기술자에게 널리 알려진바 상세한 설명은 생략하도록 한다.
본 명세서에 따른 통신 시스템은 측위 기술을 활용하여 앵커들과 앵커들, 앵커들과 태그들 사이의 직선(line of sight)거리를 측정하여 앵커들과 태그들의 3차원 좌표를 동시에 산출할 수 있다. 보다 상세하게는 먼저 사용자가 앵커들의 위치를 산출할 때 기준이 되는 마스터 앵커(Master Anchor) MA0, MA1, MA2를 정하고 MA0(Master Anchor 0)의 좌표를 임의로 (x1, y1, z1)로 설정하고 이 좌표를 기준으로 하여 마스터 앵커들 간의 거리를 TWR(Two Way Ranging) 방식으로 측정하여 다른 마스터 앵커들의 위치를 계산하고, 마스터 앵커와 다른 앵커들 간의 거리를 TWR(Two Way Ranging) 방식으로 측정하여 슬레이브 앵커들의 상대(relative) 좌표를 계산한다. 이와 동시에 태그들은 앵커들 간의 TWR의 수행 중 앵커들이 송신하는 신호들을 OWR(One Way Ranging) 방식으로 수신하여 수신된 신호들의 TDoA (Time Difference of Arrival)를 계산하여 앵커들의 좌표를 기준으로 한 태그들의 상대적인 좌표를 계산한다.
도 3은 본 명세서에 따른 앵커와 태그의 좌표 설정 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 4 내지 도 6은 본 명세서의 일 실시예에 따른 시간 프로파일이다.
도 4는 제1 마스터 앵커(MA0)의 폴링 신호 및 최종 신호의 프로파일, 도 5는 제2 마스터 앵커(MA1)의 폴링 신호 및 최종 신호의 프로파일, 도 6은 제3 마스터 앵커(MA2)의 폴링 신호 및 최종 신호의 프로파일이다. 도 5 및 도 6에서 도면의 간소화를 위해 태그 사이의 신호는 도시하지 않았지만, 도 4에 도시된 것과 같이 동일한 관계를 가진다.
도 2 내지 6을 함께 참조하면, 단계 S10에서 앵커와 태그를 포함하는 통신 시스템에서 기준 좌표를 제공하는 3개의 마스터 앵커를 설정할 수 있다. 이하에서 3개의 마스터 앵커는 제1 마스터 앵커(MA0), 제2 마스터 앵커(MA1) 및 제3 마스터 앵커(MA2)로 명명된다. 상기 마스터 앵커를 설정하는 기준은 통신 시스템의 사용자 또는 관리자에 의해 임의로 설정될 수 있다. 상기 3개의 마스터 앵커들은 기준 좌표를 제공하기 위해 각각 미리 좌표값을 저장할 수 있다. 상기 좌표값은 위도경도와 같은 좌표값이 될 수 있으며, 상기 제1 마스터 앵커(MA0)를 기준으로 한 임의의 좌표(x1, y1, z1)로 설정될 수도 있다. 필요에 따라 상기 제1 마스터 앵커(MA0)에게만 임의의 기준 좌표를 설정하고 나머지 제2 마스터 앵커(MA1) 및 제3 마스터 앵커(MA2)는 제1 마스터 앵커(MA0)과 TWR 방식으로 좌표를 설정할 수도 있다.
다음 단계 S20에서, 상기 3개의 마스터 앵커가 순차적으로 폴링 신호(Polling)와 최종 신호(Final)를 전송한다. 상기 3개의 마스터 앵커는 제1 마스터 앵커(MA0)부터 제2 마스터 앵커(MA1), 제3 마스터 앵커(MA2) 순으로 차례대로 폴링 및 최종 신호를 전송한다.
보다 구체적으로, 제1 마스터 앵커(MA0)가 폴링 신호를 전송하면 통신 반경 내 나머지 앵커 및 태그들은 상기 폴링 신호를 수신할 수 있다. 이때 태그를 제외한 나머지 앵커들 즉, 제2 마스터 앵커(MA1), 제3 마스터 앵커(MA2) 및 슬레이브 앵커(A1, A2, A3 ~ Ax)들은 상기 제1 마스터 앵커(MA0)가 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호를 전송한다. 상기 제1 마스터 앵커(MA0)는 상기 응답 신호들을 전부 수신한 후 최종 신호를 전송한다. 다음으로, 제2 마스터 앵커(MA1)가 폴링 신호를 전송한다. 마찬가지로, 제2 마스터 앵커(MA1)의 통신 반경 내 나머지 앵커 및 태그들은 상기 폴링 신호를 수신할 수 있다. 이때 태그 및 제1 마스터 앵커(MA0)를 제외한 나머지 앵커들 즉, 제3 마스터 앵커(MA2) 및 슬레이브 앵커(A1, A2, A3 ~ Ax)들은 상기 제2 마스터 앵커(MA1)가 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호를 전송한다. 상기 제2 마스터 앵커(MA1)는 상기 응답 신호들을 전부 수신한 후 최종 신호를 전송한다. 마지막으로, 제3 마스터 앵커(MA2)가 폴링 신호를 전송한다. 마찬가지로, 제3 마스터 앵커(MA2)의 통신 반경 내 나머지 앵커 및 태그들은 상기 폴링 신호를 수신할 수 있다. 이때 태그, 제1 마스터 앵커(MA0) 및 제2 마스터 앵커(MA1)를 제외한 나머지 앵커들 즉, 슬레이브 앵커(A1, A2, A3 ~ Ax)들은 상기 제3 마스터 앵커(MA2)가 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호를 전송한다. 상기 제3 마스터 앵커(MA2)는 상기 응답 신호들을 전부 수신한 후 최종 신호를 전송한다.
상기 3개의 마스터 앵커들이 폴링 신호 및 최종 신호를 순차적으로 전송하는 과정에서 상기 3개의 마스터 앵커들은 슬레이브 앵커들과 TWR(Two Way Ranging) 방식으로 거리를 측정할 수 있다. TWR(Two Way Ranging) 방식에 의한 거리측정은 마스터 앵커가 폴링 신호를 보내면 슬레이브 앵커는 폴링 신호를 인지한 후 응답 신호를 보내고 마스터 앵커가 슬레이브 앵커의 응답 신호를 받은 후 마지막으로 최종 신호를 보낸다. 일반적으로, 마스터 앵커는 폴링 신호와 최종 신호를 보낸 시간과 슬레이브 앵커의 응답 신호를 받은 시간에 대한 정보를 메시지 형태로 최종 신호에 포함하여 보내면 슬레이브 앵커는 폴링 신호와 최종 신호를 받은 시간과 응답 신호를 보낸 시간 정보와 마스터 앵커가 보낸 폴링 신호와 최종 신호를 보낸 시간과 슬레이브 앵커의 응답 신호를 받은 시간에 대한 정보를 이용하여 마스터 앵커와 슬레이브 앵커 사이의 거리를 구한다.
다음으로, 단계 S30에서 태그가 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호 및 슬레이브 앵커가 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호의 도착 시간차(Time Difference of Arrival, TDoA)를 이용하여 OWR(One Way Ranging) 방식으로 자신의 위치를 산출할 수 있다. 상기 슬레이브 앵커들은 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호에 대한 응답 신호를 전송하므로, TWR(Two Way Ranging) 방식으로 거리를 측정할 수 있다. 반면, 본 명세서에 따른 태그들은 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호에 대한 응답 신호를 전송하지 않으므로, OWR(One Way Ranging) 방식으로 자신의 위치를 산출할 수 있다. OWR(One Way Ranging) 방식은 앵커들이 보낸 롤링 신호와 응답 신호를 태그가 수신한 시간들을 이용하여 도착 시간차(Time Difference of Arrival, TDoA)를 계산하고, 앵커들의 좌표 정보와 함께 태그의 좌표를 계산한다.
본 명세서에 따르면, 단계 S20에서 상기 3개의 마스터 앵커가 최종 신호에 자신의 좌표 정보를 포함시켜 전송할 수 있다. 그리고 슬레이브 앵커가 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 최종 신호에 대한 응답 신호에 자신의 좌표 정보를 포함시켜 전송할 수 있다. 태그는 각각의 앵커들의 응답 신호와 최종 신호에서 앵커들의 좌표정보를 받고, 수신된 앵커들 간의 TDoA(Time Difference Of Arrival)를 이용하여 OWR(One Way Ranging) 방식으로 자신의 위치를 계산할 수 있다.
이를 통해 본 명세서에 따른 통신 시스템 내에 태그들의 숫자가 늘어나도 종래 기술과 같이 태그가 응답 신호를 전송하기 위해 시간 슬롯을 차지하지 않기 때문에 측위 업데이트의 시간이 증가하지 않는다. 태그의 숫자에 관계없이 측위 업데이트 시간이 증가하지 않기 때문에, 종래 기술에 비해 측위 업데이트 빈도성(position update frequency)이 감소하지 않는 장점이 있다.
한편, 본 명세서에 따른 통신 시스템 및 좌표 설정 방법에 있어서 측위를 위한 슈퍼프레임 내 슬롯은 다양하게 설정할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 측위를 위한 슈퍼프레임은 3개의 슬롯으로 구성될 수 있다. 상기 3개의 슬롯은 상기 3개의 마스터 앵커가 각각 하나의 슬롯을 통제할 수 있다. 예를 들어, 3개의 슬롯이 Slot0, Slot1, Slot2로 구분되어 있을 때, 제1 마스터 앵커(MA0)는 Slot0을 통제하고, 제2 마스터 앵커(MA1)는 Slot1을 통제하고, 제3 마스터 앵커(MA2)는 Slot2를 통제할 수 있다.
도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따른 슬롯의 구성 예시도이다.
도 7을 참조하면, Slot0에서는 제1 마스터 앵커(MA0)의 통제 하에 나머지 앵커들과 신호를 송수신한다. Slot1에서는 제2 마스터 앵커(MA1)의 통제 하에 제1 마스터 앵커를 제외한 나머지 앵커들과 신호를 송수신한다. 도 7에서는 도면의 간소화를 위해 Slot2의 메시지가 도시되지 않았다.
도 8은 본 명세서의 일 실시예에 따른 슬롯의 메시지 표이다.
도 8을 참조하면, 각 슬롯에서 송수신되는 메시지를 확인할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 측위를 위한 슈퍼프레임은 1개의 슬롯으로 구성될 수 있다. 앞선 본 명세서의 일 실시예(도 7 및 도 8에 도시된 실시예)와 비교할 때, Slot0, Slot1, Slot2의 동작을 하나의 슬롯(Slot0)에 통합하여 시스템을 최적화 시킨 것이다.
도 9는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 슬롯의 구성 예시도이다.
도 9를 참조하면, 상기 3개의 마스터 앵커 중 제1 마스터 앵커(MA0)가 제2, 제3 마스터 앵커(MA1, MA2)와 슬레이브 앵커들에게 보낸 상기 제1 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 제2 마스터 앵커(MA1)의 응답 신호를 제3 마스터 앵커(MA2)와 슬레이브 앵커들은 폴링 신호로 인식하도록 하며, 마찬가지로 제2 마스터 앵커(MA1)의 폴링 신호에 대한 제3 마스터 앵커(MA2)의 응답 신호를 슬레이브 앵커들은 폴링 신호로 인식하도록 한다. 그리고, 각각의 슬롯(Slot0)은 제2, 제3 마스터 앵커(MA1, MA2)가 최종 신호를 보낼 수 있는 시간을 추가로 포함한다. 태그는 제1 내지 제3 마스터 앵커의 폴링 신호들과 슬레이브 앵커들의 응답 신호들을 취합하여 OWR를 실시한다. 이 방식을 사용하면 Slot0 하나만으로 아래와 같이 기존의 Slot0, Slot1, Slot2에 수행했던 TWR와 OWR을 동시에 수행하는 효과를 얻을 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시예에 따르면, 측위를 위한 슈퍼프레임은 3개의 슬롯으로 구성된 초기화 구간과, 1개의 슬롯으로 구성된 태그 측위 구간으로 구성될 수 있다.
도 10은 본 명세서의 또 다른 실시예에 따른 슬롯의 구성 예시도이다.
도 10을 참조하면, 상기 초기화 구간은 3개의 마스터 앵커가 앵커 사이에 주고 받는 폴링 신호와 응답신호, 최종 신호를 이용하여 슬레이브 앵커들과의 거리를 측정하는 구간이고, 상기 태그 측위 구간은 태그가 앵커가 송신하는 폴링 신호와 응답 신호를 이용하여 자신의 위치를 산출하는 구간이 될 수 있다. 보다 구체적으로, Slot0, Slot1, Slot2로 구성된 작업을 초기화 구간(initialization)으로 하고, 이 구간 동안에 마스터 앵커를 포함한 모든 앵커들 간의 거리를 측정하고 이를 바탕으로 앵커들의 3차원 좌표 (x, y, z)를 계산한다. 초기화 구간(Initialization)이 끝난 후 Slot0의 작업을 반복하며 태그들의 위치를 계산한다. 계산된 태그의 좌표는 각 태그에서 서버나 메인 컴퓨터(main pc)에 전송할 수 있고, Slot0 기간 동안에는 앵커들 간의 거리 측정이나 측위 계산을 하지 않고 태그들만의 위치를 계산한다. 만약, 앵커들의 위치가 변경되었거나 리셋(reset)이 필요한 경우 외부의 입력을 통해 초기화 구간(Initialization)을 다시 수행하도록 하여 시스템의 효율을 최대화할 수 있다.
본 명세서의 실시예와 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어로 직접 구현되거나, 하드웨어에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로 구현되거나, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM), 플래시 메모리(Flash Memory), 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM, 또는 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 잘 알려진 임의의 형태의 컴퓨터 판독가능 기록매체에 상주할 수도 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 명세서의 실시예를 설명하였지만, 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (14)

  1. (a) 앵커와 태그를 포함하는 통신 시스템에서 기준 좌표를 제공하는 3개의 마스터 앵커(이하 '제1 내지 제3 마스터 앵커)를 설정하는 단계;
    (b) 상기 3개의 마스터 앵커가 순차적으로 폴링 신호와 최종 신호를 전송하여 TWR(Two Way Ranging) 방식으로 슬레이브 앵커들과 거리를 측정하는 단계; 및
    (c) 태그가 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호 및 슬레이브 앵커가 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호의 도착 시간차(Time Difference of Arrival, TDoA)를 이용하여 OWR(One Way Ranging) 방식으로 자신의 위치를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 앵커와 태그의 좌표 설정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 통신 시스템에서 측위를 위한 슈퍼프레임은 3개의 슬롯으로 구성되어 있으며,
    상기 (b) 단계는, 상기 3개의 마스터 앵커가 3개의 슬롯 중 각 하나의 슬롯을 통제하여 폴링 신호와 최종 신호를 보내는 단계인 것을 특징으로 하는 앵커와 태그의 좌표 설정 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 통신 시스템에서 측위를 위한 슈퍼프레임은 1개의 슬롯으로 구성되어 있으며,
    상기 (b) 단계는,
    상기 3개의 마스터 앵커 중 제1 마스터 앵커가 제2, 제3 마스터 앵커와 슬레이브 앵커들에게 보낸 상기 제1 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 상기 제2 마스터 앵커의 응답 신호를 상기 제3 마스터 앵커와 상기 슬레이브 앵커들은 폴링 신호로 인식하도록 하며, 상기 제2 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 상기 제3 마스터 앵커의 응답 신호를 상기 슬레이브 앵커들은 폴링 신호로 인식하도록 하며,
    상기 슬롯은 상기 제2, 제3 마스터 앵커가 최종 신호를 보낼 수 있는 시간을 포함하고,
    상기 (c) 단계는,
    태그가 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호와 상기 슬레이브 앵커들이 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호를 이용하여 자신의 위치를 산출하도록 하는 것을 특징으로 하는 앵커와 태그의 좌표 설정 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 통신 시스템에서 측위를 위한 슈퍼프레임은 3개의 슬롯으로 구성된 초기화 구간과, 1개의 슬롯으로 구성된 태그 측위 구간으로 되어 있으며,
    상기 (b) 단계는, 상기 3개의 마스터 앵커가 상기 초기화 구간을 이용하여 슬레이브 앵커들과 거리를 측정하는 단계이고,
    상기 (c) 단계는, 태그가 상기 태그 측위 구간을 이용하여 자신의 위치를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 앵커와 태그의 좌표 설정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 태그가 제1 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호 및 상기 제1 마스터 앵커를 제외한 나머지 앵커들이 전송하는 상기 제1 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 응답 신호만을 이용하여 자신의 위치를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 앵커와 태그의 좌표 설정 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 상기 3개의 마스터 앵커가 최종 신호에 자신의 좌표 정보를 포함시켜 전송하는 단계인 것을 특징으로 하는 앵커와 태그의 좌표 설정 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 슬레이브 앵커가 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 최종 신호에 대한 응답 신호에 자신의 좌표 정보를 포함시켜 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 앵커와 태그의 좌표 설정 방법.
  8. 기준 좌표를 제공하도록 설정되며, 순차적으로 폴링 신호와 최종 신호를 전송하여 TWR(Two Way Ranging) 방식으로 슬레이브 앵커들과 거리를 측정하는 3개의 마스터 앵커;
    상기 3개의 마스터 앵커(이하 '제1 내지 제3 마스터 앵커)가 전송하는 폴링 신호 및 최종 신호에 대한 응답 신호를 전송하며, TWR(Two Way Ranging) 방식으로 자신의 좌표를 산출하는 슬레이브 앵커; 및
    상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호 및 슬레이브 앵커가 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호의 도착 시간차(Time Difference of Arrival, TDoA)를 이용하여 OWR(One Way Ranging) 방식으로 자신의 위치를 산출하는 태그;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 통신 시스템에서 측위를 위한 슈퍼프레임은 3개의 슬롯으로 구성되어 있으며,
    상기 3개의 마스터 앵커는, 3개의 슬롯 중 각 하나의 슬롯을 통제하여 폴링 신호와 최종 신호를 보내는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 통신 시스템에서 측위를 위한 슈퍼프레임은 1개의 슬롯으로 구성되어 있으며,
    상기 3개의 마스터 앵커 중 제1 마스터 앵커가 제2, 제3 마스터 앵커와 슬레이브 앵커들에게 보낸 상기 제1 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 상기 제2 마스터 앵커의 응답 신호를 상기 제3 마스터 앵커와 상기 슬레이브 앵커들은 폴링 신호로 인식하도록 하며, 상기 제2 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 상기 제3 마스터 앵커의 응답 신호를 상기 슬레이브 앵커들은 폴링 신호로 인식하도록 하며,
    상기 슬롯은 상기 제2, 제3 마스터 앵커가 최종 신호를 보낼 수 있는 시간을 포함하고,
    상기 태그가 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호와 상기 슬레이브 앵커들이 전송한 상기 폴링 신호에 대한 응답 신호를 이용하여 자신의 위치를 산출하도록 하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 통신 시스템에서 측위를 위한 슈퍼프레임은 3개의 슬롯으로 구성된 초기화 구간과, 1개의 슬롯으로 구성된 태그 측위 구간으로 되어 있으며,
    상기 3개의 마스터 앵커는, 상기 초기화 구간을 이용하여 슬레이브 앵커들과 거리를 측정하고,
    상기 태그는, 상기 태그 측위 구간을 이용하여 자신의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 태그는, 상기 제1 마스터 앵커가 전송한 폴링 신호 및 상기 제1 마스터 앵커를 제외한 나머지 앵커들이 전송하는 상기 제1 마스터 앵커의 폴링 신호에 대한 응답 신호만을 이용하여 자신의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 3개의 마스터 앵커는, 최종 신호에 자신의 좌표 정보를 포함시켜 전송하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 슬레이브 앵커는, 상기 3개의 마스터 앵커가 전송한 최종 신호에 대한 응답 신호에 자신의 좌표 정보를 포함시켜 전송하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
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