KR102253830B1 - 위치 결정 시스템 - Google Patents

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Abstract

위치 결정 시스템(300)은 각각이 무선 주파수 신호(320)를 송신하도록 구성된 복수의 앵커 스테이션(302)을 포함한다. 이동 스테이션(304)은 복수의 앵커 스테이션 중 적어도 하나의 앵커 스테이션(302)으로부터 무선 주파수 신호를 송신 및 수신하도록 구성된 무선 주파수 송수신기를 포함한다. 처리장치(408, 506)은 송신 및 수신된 무선 주파수 신호에 기초하여 이동 스테이션(304)의 위치 정보를 결정하도록 구성된다. 다른 위치 결정 시스템은 초광대역 범위 인지(612)로 다수의 이동 태그(606)를 거리 측정하고 애플리케이션 서버(602)와 무선으로 통신하는 다수의 비이컨(604)을 사용한다.

Description

위치 결정 시스템
본 발명은 위치 결정 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 주어진 영역에서 대상의 위치를 식별하거나 추적하는 데 사용되는 시스템에 관한 것이다.
위치 결정 시스템(positioning system; PS)은 빌딩 내부에서 또는 혼잡한 산업 지역 내에서 무선으로 대상(object) 또는 사람의 위치를 찾는 데 사용되는 장치의 네트워크이다. 특수 설계가 요구되는데, 이는 글로벌 위치 결정 시스템(global positioning system; GPS)이 4개 이상의 GPS 위성까지 가로막히지 않는 시선을 요구함에 따라, 통상적으로는 실내의 위치 또는 다른 혼잡한 위치를 설정하는 데에는 적합하지 않기 때문이다. 마이크로파는 지붕, 벽 및 기타 대상에 의해 감쇄되고 산란될 것이고, 표면에서의 다수의 반사는 제어 불가능한 에러를 제공하는 다중 경로 전파를 야기한다.
전파시간(time of flight; ToF)은 신호가 송신기(transmitter)로부터 수신기(receiver)까지 전파하는 데 걸리는 시간의 양이다. 신호 전파율(propagation rate)이 일정하고 알려져 있기 때문에, 신호의 이동 시간은 거리를 계산하는 데 직접 이용될 수 있다. 다수의(최소 4개의 GPS 위성에서의) 측정 대 다수 앵커 스테이션(anchor station)이 삼변 측량(trilateration)과 결합되어 위치를 찾을 수 있다.
빛의 속도가 3x108 m/sec 이므로, 무선 주파수(radio frequency; RF) 기반 시스템에서, 클록 동기화(clock synchronization)의 부정확도는 위치 결정 에러의 핵심 인자이다. GPS에서, 전파시간(ToF)은, 일반적으로 센서에 대해 신뢰할 수 있는 시간 소스를 유지하기 위해 복합한 동기화 메커니즘을 필요로 한다.
또한, ToF 기반 방법의 정확도는, 종종 혼잡할 수 있는 실내 위치 및 산업 환경과 같은, 혼잡한 인구를 갖는 로컬화 환경에서 많은 다중 경로 조건으로 악화되고, 이는 대상으로부터의 RF 신호의 반사 및 회절(diffraction)에 의해 야기된다.
구성 재료에 의해 야기되는 감쇄 및 반사로 인해, 시스템에 의해 커버되어야 하는 임의의 위치에서 최소 3개의 앵커 지점까지 가로막히지 않는 시선을 갖는 것이 바람직하다. 그 결과, 더 많은 수의 앵커 스테이션이 요구된다.
본 발명은 주어진 영역에서 대상의 위치를 식별하거나 추적하는 데 사용되는 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 결정 시스템은 무선 주파수 신호를 송신 및 수신하도록 각각 구성된 복수의 앵커 스테이션(anchor stations)을 포함한다. 이동(mobile) 스테이션은 복수의 앵커 스테이션 중 적어도 하나로부터 무선 주파수 신호를 송신 및 수신하도록 구성된 무선 주파수 송수신기(transceiver)를 포함한다. 처리장치(processing unit)는 송신 및 수신된 무선 주파수 신호에 기초하여 이동 유닛(unit)의 위치 정보를 결정하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 위치 결정 시스템은 복수의 비이컨(beacons)을 포함하고, 각각의 비이컨은 적어도 부분적으로 배터리로 작동되고, 무선 통신을 위해 구성된다. 애플리케이션 서버는 통신 표준에 기초하여 비이컨과 무선으로 통신하도록 구성된다.
애플리케이션 서버 및 복수의 고정 위치 비이컨을 포함하는 시스템에서 이동 태그의 위치를 결정하는 방법의 실시예는, 복수의 비이컨 및 애플리케이션 서버를 무선 통신 네트워크와 연결하는 것을 포함한다. 복수의 비이컨 중 하나의 비이컨과 이동 태그 사이의 양방향 거리 측정(two way ranging) 동작을 위하여 애플리케이션 서버에서 복수의 타임 슬롯(slots)이 할당된다. 이동 태그는 복수의 비이컨 중 적어도 3개의 비이컨에 대해 거리 측정된다. 이동 태그 정보는 복수의 비이컨으로부터 애플리케이션 서버로 이송된다.
본 발명의 내용 및 요약은 아래의 상세한 설명에서 추가로 기술되는 간략화된 형태의 개념의 선택을 도입하기 위해 제공된다. 본 발명의 내용 및 요약은 청구되는 주제의 핵심 특징 또는 본질적인 특징을 식별하도록 의도되는 것도, 청구되는 주제의 범주를 결정하는 데 있어서의 도움으로서 사용되도록 의도되는 것도 아니다.
본 발명의 위치 결정 시스템(PS)은, 디바이스의 네트워크가 빌딩 내부에서 또는 혼잡한 산업 지역 내에서 대상 또는 사람을 무선으로 찾는 데 사용된다. 위치 결정을 위해 반드시 GPS에 의존하는 것이 아닌 시스템 실시예가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 결정 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 앵커 스테이션의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 스테이션의 블록도이다.
도 4는 센트럴 위치, 앵커 스테이션 및 이동 스테이션을 도시한 블록도이다.
본 발명의 하나의 구체적인 구성에서, 시스템은 무선(wireless) HART® 네트워크(IEC 62591)와 같은 상업적으로 제공된 산업 메시 네트워크에 기초하며, 도 1의 블록도 형태로 도시된다.
도 1은 알려진 위치에 배치되는 복수의 앵커 스테이션(또는 “비이컨”)(302)(도 3에 도시되고, 아래에 더 상세히 설명되는 3개의 앵커 스테이션(302A, 302B, 302C) 및 위치(310)가 결정되기를 원하는 이동 스테이션(“태그”, “휴대용 유닛(portable unit)” 또는 “PU”로도 호칭됨)(304)(아래에 더 상세히 설명됨)을 갖는 시스템(300)을 도시한다. 본 발명의 일 실시예에서 앵커 스테이션(302)은, 무선 HART® 네트워크와 같은 무선 네트워크 메시(306)의 일부이다. 동작 시, 복수의 앵커 스테이션(302)은 모니터링될 영역 주변의 알려진 위치(308A, 308B, 308C)에 위치된다. 이동 스테이션(304)은 위치(310)가 알려지기를 원하는 대상 상에 또는 그에 매우 근접해서 위치된다. 대상은 제한이 아니라 단지 예로서, 일부의 재고품 또는 사람일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 앵커 스테이션(302)으로부터 이동 스테이션(304)까지의 거리를 결정하기 위해, 앵커 스테이션(302)은 RF 메시지(320)(즉, 무선 HART® 메시지)를 송신한다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 무선 HART® 신호는 동기화(synchronization) 정보를 포함할 수 있기 때문에 동기화를 가능하게 하고, 당업계에 알려져 있는 바와 같이 데이터의 송신도 역시 가능하게 한다. 이러한 동기화 및 데이터 송신 능력을 이용하는 것은 RF 펄스가 고유의 동기화 펄스로서 사용되게 하여 언제 송신이 이루어지는가에 더하여 어느 앵커 스테이션(302) 또는 이동 스테이션(304)이 송신하고 있는지를 아는 것이 가능하게 한다. RF 펄스의 송신과 응답의 수신 사이의 시간차는 이동 스테이션과 송신용 앵커 스테이션(302) 사이의 거리의 결정을 가능하게 한다. 이동 스테이션에 대한 위치는 3개의 분리된 앵커 스테이션으로부터의 거리 계산을 이용하여, 예를 들어 삼변 측량을 이용하여 결정될 수 있다.
TDMA는 신호를 다수의 타임 슬롯으로 분할함으로써 네트워크상의 주파수 채널을 공유하는 알려진 표준이다. 본 발명에서 기술되는 앵커 스테이션(302)과 같은 각각의 스테이션은 송신을 위한 특정 타임 슬롯을 할당받음으로써 펄스에 사용되고 있는 주파수를 공유할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 이동 스테이션(304)으로부터 그(들)의 위치에 관한 정보를 수신해 온 센트럴 스테이션(312)은 결정된 위치를 이용하여 TDMA 내에서의 타임 슬롯팅(time slotting)을 조절한다. 센트럴 스테이션(312)은 시스템(300)에서 사용되며, 메시(306)와 연결되어 하나 이상의 이동 스테이션(304)으로부터 정보를 수신한다. 앵커 스테이션(302)에 대한 타임 슬롯은 센트럴 스테이션(312)에 의해 할당된다. CDMA 기법 또는 다른 시간 및/또는 주파수 슬롯팅 또는 공유 기법을 포함한 임의의 적절한 통신 기법이 채용될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 앵커 스테이션(302)은 센트럴 스테이션(312)과 직접적으로 통신할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 이동 스테이션(304)에 대한 위치 정보는 다양한 앵커 스테이션에 대한 타임 슬롯을 조정하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 이동 스테이션의 위치(310)가 다른 것들보다 어떤 앵커 스테이션(302)에 더 가까운 경우, 더 먼 거리에 있는 앵커 스테이션(302)에 대한 타임 슬롯은 확장될 수 있고, 거리로 인한 다른 앵커 스테이션(302)으로부터의 펄스 전파 및 중첩 없는 수신을 가능하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 센트럴 스테이션(312)은 앵커 스테이션(302)의 각각의 시선으로부터 각각의 이동 스테이션(304)까지의 거리를 모니터링하고, 예상 전파 시간에 따라 앵커 스테이션에 대한 타임 슬롯을 조정하여, 앵커 스테이션(302) 사이의 혼신(crosstalk)을 감소시킨다. 또한, 확산(spread) 스펙트럼 기법을 포함한 펄스 코딩 및 상이한 주파수가 또한 가까운 앵커 스테이션(302)들 또는 다른 앵커 스테이션들 사이에서의 혼신을 감소시키는 데 이용될 수 있다.
앵커 시스템 스테이션(302)은 모두 네트워크(300) 상의 등록된 디바이스이므로, 각각의 앵커 포인트(302)는 RF 송신기(402)를 갖는 무선 HART® 디바이스이다. 또한, 앵커 스테이션(302)은 통신 신호(330) 및 일부 글루 로직(glue logic)(406)을 사용하여 통신할 수 있는 선택적인 통신 모듈(404)을 포함한다.
앵커 스테이션(302)은 도 2에 도시되어 있다. 일 실시예에서, 각각의 앵커 스테이션(302)은 RF 송신기(즉, 무선 HART®)(402), 통신 모듈(404), 앵커 스테이션(302) 내에서 RF 송신기(402)와 같은 다양하고 더 복잡한 로직 회로와 통신 모듈(404), 처리장치(408) 등의 사이에서의 인터페이스(interface)를 가능하게 하는 글루 로직(406) 및 클록(410)을 포함한다. 글루 로직(406)은 당업계에 알려져 있으며, 본 발명에서 더 설명되지는 않을 것이다. 또한, 무선 HART®은 HART®(Highway Addressable Remote Transducer) 프로토콜에 기초한 무선 센서 네트워킹에 대한 알려진 표준이다. 일 실시예에서, 앵커 스테이션(302)은 디바이스의 메시 네트워크의 일부이고, 각각의 앵커 스테이션(302)은 무선 메시 네트워크(306) 상의 무선 HART® 디바이스이다. 일 실시예에서, 클록(410)은 처리장치(406)에 동작 가능하게 연결되어, 처리장치(406)가 RF 신호(320)와 같은 신호의 송신 시간을 결정하게 한다. 다른 실시예에서, 클록(410)은 처리장치(406)의 일부일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일 구성에서, 이동 스테이션(304)은 또한 선택적인 통신 유닛(502), 선택적인 GPS 유닛(504), 소형 처리장치(506) 및 RF 수신기(508)를 갖는 무선 HART® 디바이스이다.
일 실시예에서, 이동 스테이션(304)은 선택적인 통신 모듈(502), 실외 위치에서 사용하기 위한 선택적인 GPS 유닛(504), 처리장치(506), RF 수신기(508) 및 클록(510)을 포함한다. RF 수신기(508)는 처리장치(506)에 동작 가능하게 연결된다. 일 실시예에서, 클록(510)은 처리장치(506)에 동작 가능하게 연결되어, 처리장치(506)가 RF 신호(320)와 같은 신호의 수신 시간을 결정하게 한다. 다른 실시예에서, 클록(510)은 처리장치(506)의 일부일 수 있다.
위치 결정을 계산하기 위해, 이동 스테이션(304)은 적어도 3개의 앵커 스테이션(302)까지의 거리를 측정한다. 3개의 앵커 스테이션(302)은, 각각의 앵커 스테이션(302)의 시선에 있는 이동 스테이션(304)에 대해, 예를 들어 삼변 측량에 의해, 위치의 적절한 결정을 가능하게 하지만, 그 영역에 더 많은 앵커 포인트(302)가 있는 경우, 측정의 확실성을 개선하기 위해 중복성(redundancy)이 이용될 수 있다. 3개의 앵커 스테이션(302)(각각, 302A, 302B, 302C)이 도 3에 도시되어 있지만, 영역의 완전한 범위를 위해, 추가 앵커 스테이션이 사용되어, 위치(310) 결정의 정확도를 증가시키고, 시스템(300)에 의해 커버될 영역의 모든 부분에 더 많은 잠재적 시선 옵션을 제공할 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 하나의 이동 스테이션(304)이 도시되어 있지만, 모니터링될 영역 내에 다수의 이동 스테이션(304)이 배치될 수 있고, 시스템(300)은 RF 신호를 송신하는 동일한 복수의 앵커 스테이션(302)을 사용하여 다수의 이동 스테이션(304)의 다수의 위치(310)를 결정할 수 있다. 이동 스테이션(304)은 네트워크(306)를 통해 센트럴 스테이션(312)으로 획득된 정보를 보고한다. 센트럴 스테이션(312)은 이동 스테이션(304)의 현재 위치(310)에 따라 TDMA 타임 슬롯을 최적화하는 알고리즘을 실행할 수 있고, 이에 따라, 네트워크 파라미터를 변경할 수 있다. 메시 네트워크 내에서, 앵커 스테이션(302)의 위치가 네트워크를 통해 송신될 수 있으므로, 앵커 스테이션(302), 이동 스테이션(304) 또는 센트럴 스테이션(312)은, 다양한 실시예에서 이동 스테이션(304)의 위치의 결정을 행할 수 있다.
일부 환경에서, 이동 스테이션의 위치는 3개 앵커 스테이션보다 적은 수를 사용하여 결정될 수도 있다. 그러한 환경은 예를 들어, 일부 외부 정보가 이동 스테이션에 관해 알려져 있는 경우, 즉 그것이 복도(corridor) 또는 기타 알려진 한정된 영역에 위치되어 있는 경우, 또는 이동 스테이션에 대해 다른 추적(tracking) 정보가 알려져 있는 경우를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 그러한 환경에서, 위치는 하나 정도의 적은 앵커 스테이션을 사용하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 위치 결정 시스템(PS)은, 디바이스의 네트워크가 빌딩 내부에서 또는 혼잡한 산업 지역 내에서 대상 또는 사람을 무선으로 찾는 데 사용된다. 위치 결정을 위해 반드시 GPS에 의존하는 것이 아닌 시스템 실시예가 제공된다. 또한, 마이크로파는 특히 실내 환경에서 지붕, 벽 및 기타 대상에 의해 감쇄 및 산란될 것이다. 또한, 표면에서의 다수의 반사는 다중 경로 전파를 야기하여, 제어 불가능한 에러를 초래할 수 있다.
시스템의 비이컨과 태그 사이의 초광대역(ultra-wide band) 통신을 이용한 PS의 실시예(600)가 도 4의 블록도에 도시되어 있다. 일 실시예에서 PS(600)는 애플리케이션 서버(602), 복수의 비이컨(604) 및 적어도 하나의 이동 태그(606)를 포함한다. 이 실시예에서, 태그(606)는 시스템(600)에 의해 추적되어야 하는 사람 또는 장비에 의해 부착되거나 또는 소지될 수 있는 휴대용 컴포넌트이다. 비이컨(604)은 고정 위치이고, 정적(static) 앵커는 위치 결정 아레나(arena) 또는 영역(620)의 사전 정의된 좌표에 위치된다. 일 실시예에서, 도 4에 도시된 것과 같은 어레이로 배열된 복수의 비이컨(604)은 아레나(620)에 위치되어, 아레나(620) 내의 모든 위치가 하나 이상의 비이컨(604)에 의해, 바람직하게는 적어도 3개의 비이컨(604)에 의해 가시적이 되게 한다. 어떤 조건 하에서, 태그로부터 적어도 3개의 비이컨(604)까지의 범위 측정은 아레나(620) 내의 태그(606)의 위치를 결정하는 데 충분한 정보를 제공할 것이다.
일 실시예에서 애플리케이션 서버(602)는 셋업 및 구성 정보를 준비하여 비이컨(604)으로 전송한다. 또한 일 실시예에서, 애플리케이션 서버(602)는 파일 보관(archiving) 또는 임의의 다른 향후 분석을 위해 태그(606)의 위치를 최종 사용자에게 표시할 목적으로, 태그(606)에 대한 위치 정보 및 비이컨(604)으로부터의 다른 정보를 수신하고 처리한다. 하나의 태그(606)가 도시되어 있지만, 많은 태그(606)가 아레나(620) 내의 위치에 있을 수 있음을 이해해야 한다. 일 실시예에서 애플리케이션 서버(602)는 비이컨(604)과 함께 아레나(620) 내의 복수의 태그(606)의 위치를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 애플리케이션 서버(602)는 아래에서 추가로 설명되는 라인(608)으로 나타낸 바와 같은 제 1 무선통신 네트워크로서의 저전력 네트워크를 통해 비이컨(604)과 통신한다.
일 실시예에서, 비이컨(604)은 초광대역(UWB) 거리 측정 신호 라인(612)에 의해 나타낸 바와 같이 초광대역(UWB) 기술을 이용하여 라인(610)으로 표시된, 제 2 통신 네트워크로서의 데이터 링크를 따라서 태그(606)와 통신한다. 초광대역(UWB)은 다중 경로 신호를 해결하고 장애물을 관통하는 그의 능력으로 인해, 거친 환경에서도, 도착 시간(time of arrival; TOA) 신호 측정을 통한 높은 거리 측정 정확도를 달성할 잠재력을 제공한다. 예를 들어, 초광대역(UWB) 네트워크 내의 한 쌍의 노드 A와 B 사이의 이격 거리에 관련된 정보가 신호 전파 지연의 측정 또는 전파시간(TOF)
Figure 112020073460602-pct00001
(여기서, d는 2개의 노드 사이의 실제 거리이고, c는 전자기파의 속도(c ~ 3*108 m/s)의 측정을 이용하여 획득될 수 있다. 다양한 실시예에서의 노드 A 및 B는 다수의 비이컨(604), 또는 비이컨(604)과 태그(606), 또는 다수의 태그(606)일 수 있다. 일 실시예에서, 태그(606)는 이동 위치 로케이터(locators)가 되도록 전용되는 비이컨이다.
IEEE 802.15.4a-2011 표준은 로컬화 능력을 갖는 저율 무선 네트워크에 대한 첫번째 초광대역(UWB)-기반 표준이다. 그러나, 다른 초광대역 통신 기법이 또한 채용될 수 있다.
예를 들어, 제1 노드 A가 A의 패킷이 전송된 타임스탬프 t1을 포함하는 패킷(packet)을 제2 수신 노드 B로 송신한다고 가정한다. 노드 B는 시간 t2에서 패킷을 수신한다. 이상적인 조건하에서, 즉 노드 A 및 B의 노드 클록이 공통 시간 기준에 완벽하게 동기화될 때, 전파시간(Tf)은 노드 B에서 Tf = t2 - t1로서 결정될 수 있다. 노드 A와 B 사이의 거리는 이 단방향 거리 측정에서 Tf를 사용하여 추정될 수 있다. 그러나, 단방향 거리 측정은 노드들 사이에서 매우 정확한 동기화를 필요로 하고, 이는 저비용 전자기기로 유지하기에는 매우 어렵다. 예를 들어, 노드 A와 B 사이의 상대적으로 작은 10 nsec 동기화 에러는 3 미터 거리 측정 에러를 산출할 것이다.
실제로, 전파시간(ToF) 추정은, 종종 양방향 거리 측정(two-way ranging; TWR)으로 (공통 시간 기준 없이) 행해진다. 양방향 거리 측정(TWR)에서, 노드 A는 노드 B로 패킷을 송신하고, 이는 응답 지연 Td 후에 노드 A로 확인 패킷을 송신함으로써 응답한다. 노드 A에서의 왕복 여행 시간(round trip time; RTT)은 TRT = 2Tf + Td에 의해 결정되고, 이로부터, Td가 알려져 있다고 가정하면 거리가 추정될 수 있다. Td 및 TRT를 아는 것은 Tf의 계산을 가능하게 한다.
정의에 의하면, 초광대역(UWB)(IEEE 802.15.4a- 2011 기반) 양방향 거리 측정(TWR) 시퀀싱(sequencing)이 2개의 노드 사이에서 행해진다. 이론적으로, (표준에 따라서), 동시에(동일한 채널 상에서) 혼신 없이 행해질 수 있는 측정의 횟수는 채널에 따라 2회 또는 4회로 제한된다.
구성 재료 등에 의해 야기되는 것과 같은 일부 환경에서의 감쇄 및 반사로 인해, 이동 비이컨/태그가 시스템(600)에 의해 커버되어야 하는 임의의 위치에 있을 때, 이동 비이컨, 예를 들어, 태그(606)로부터 적어도 3개의 비이컨(예를 들어, 비이컨(604))까지의 가로막히지 않는 시선을 갖는 것이 바람직하다. 그 결과, 다수의 비이컨(604)이 사용될 수 있다.
다수의 비이컨(604)의 사용은 비이컨(604)의 설치 비용에 제약을 받게 한다. 따라서, 비이컨(604)은 적어도 부분적으로 배터리로 작동되고, 비이컨(604)으로부터 애플리케이션 서버(602)로의 통신(예를 들어, 저전력 네트워크(608) 상에서의)이 무선일 것임이 바람직하다. 일부 실시예에서, 비이컨은 그의 전력의 적어도 일부를 위해, 알려진 방법으로 수확되는 것과 같은 다른 형태의 에너지를 이용할 수 있다.
시스템(600)과 같은 PS는 또한 물품 및/또는 개인의 위치를 결정하기 위해 수천 개의 태그를 채용할 수 있다. 위치 결정 업데이트(시스템(600)의 또는 태그(606)의 특정 업데이트 속도에 따른)의 경우, 각각의 태그(606)는 그의 현재 위치를 추정할 수 있도록 하기 위해 비이컨(604)을 갖는 적어도 3개의 TWR 시퀀스에 포함되어야 한다. 일반적으로, 측정 속도는 태그(606)의 개수, 태그(606)당 측정, 및 업데이트 속도의 곱셈이다.
TWR 왕복 여행 시간은 일반적으로 1 밀리초 정도이다. 수천 개의 태그(606) 및 수초 내지 수십 초 정도의 업데이트 속도를 갖는 시스템의 경우, 그것은 TWR 측정의 조정이 혼신 없이 많은 수의 TWR 측정을 허용하도록 주의 깊게 제어된다는 것을 의미한다.
일 실시예에서, TWR에서 노드 B는 무장되어(armed), 노드 A로부터의 폴(poll)을 기다린다. 노드 B (태그 또는 비이컨 중 어느 것에서든) 상에서의 배터리 수명을 보존하기 위해, 노드 A가 막 폴을 전송하려고 하기 직전에 노드 B가 리스닝(listening)을 시작하는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 애플리케이션 서버(602)와 같은 애플리케이션 서버는 노드 B와 같은 비이컨(604)으로 스케줄링 정보를 전송하여, 폴의 이송 직전 시간에 비이컨(604)이 리스닝을 위해 활성화되게 한다. 일 실시예에서, 이것은 IEEE 802.14.4-2003 호환 네트워크를 통해 행해진다.
PS(600)의 다른 기능은 정보를 비이컨(604)으로부터 중앙 애플리케이션 센트럴 애플리케이션 스테이션(602)으로 연속적으로 이송하는 것이다. 비이컨(604)과 센트럴 애플리케이션 스테이션(602) 사이에서 이송되는 데이터는 (시스템(600)의 구성에 따라) 태그(606)의 미처리(raw) 거리 측정 또는 계산된 위치 중 어느 하나일 수 있다. 일 실시예에서, TWR 측정 등과 같은 미처리 측정에 관한 정보는 IEEE 802.14.4-2003 호환 네트워크를 통해 행해진다.
IEEE 802.15.4-2003은 데이터 속도는 낮지만 매우 긴 배터리 수명(월간 또는 심지어 연간) 및 매우 낮은 복잡도를 갖고서 처리한다. 표준은 개방형 시스템 상호접속(open system interconnection; OSI) 모델의 물리층(층 1) 및 데이터 링크층(층 2) 모두를 정의한다. 802.15.4 표준의 제1 편집본은 2003년 4월 발매되었다. 여러 개의 표준화되고 사적인 네트워크(또는 메시) 층 프로토콜이, IEEE 802.15.5, 지그비(ZigBee), 6LoWPAN, 무선 HART® 및 ISA100.11a를 포함한 802.15.4 기반 네트워크를 통해 실행된다.
도 4는 애플리케이션 서버(602), 비이컨(604) 및 휴대용 태그(606) 사이의 통신을 나타내는 도면이다. 일 실시예에서, 무선 HART® 네트워크와 같은 무선 네트워크는 거리 측정 측정을 위하여 UWB(예를 들어 IEEE 802.15.4a-2011)를 사용하는 위치 결정 시스템에 대한 백본(backbone)으로서 사용된다. 비이컨(604)과 통신하는 데 사용되는 저전력 네트워크는, 태그(606)와 하나 이상의 비이컨(604) 사이의 데이터 링크(610) 및 초광대역 거리 측정 신호(612)와 함께 608에서 예시된다. 예시된 예에서, 비이컨(604)은 대략 30 미터의 간격을 두고 설비(예를 들어, 아레나(620))에 걸쳐서 분포된다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 기술되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고서 형태 및 세부사항의 변경이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 본 발명의 실시예는 실내, 실외, 또는 복합 환경에서 이용될 수 있다. 통신은 임의 표준에 따를 수 있고, 메시 네트워크 타입 통신 시스템으로 제한되지 않는다.“RF”라는 용어는 임의의 적절한 파장의 무선 주파수를 지칭한다. 본 발명에 사용된 바와 같이,“앵커”라는 용어는 위치가 알려져 있고 위치를 결정하는 데 있어서의 기준 위치로서 사용되는 베이스 송신기를 지칭한다.“이동 디바이스”라는 용어는 이동 스테이션과 같은, 위치가 식별되고 있는 디바이스를 지칭한다. 위치를 결정하는 데 사용되는 처리장치는 이동 스테이션 내에, 앵커 스테이션들 중 하나 이상에, 센트럴 스테이션에, 또는 기타 다른 위치에 상주할 수 있다.
위에 도시된 모듈(504)과 같은 선택적인 GPS 모듈은 이동 스테이션(예를 들어, 태그(606))에 제공될 수 있고, GPS 신호가 이용 가능할 때 사용될 수 있다. IEEE 802.15.4-2003 물리층에 기초한 것과 같은 저전력 통신 프로토콜(즉, 608)은 저전력 UWB 거리 측정 및 IEEE 802.15.4a-2011에 기초한 것과 같은 통신 프로토콜의 사용을 통해 달성되는 확실한 거리 측정을 이용하는 위치 결정 시스템에 대한 백본으로서 이용될 수 있다. 그러나, 다른 거리 측정 및 통신 프로토콜 및 기법이 본 발명의 실시예를 구현하는 데 이용될 수 있다. 구성은 다중 경로 에러에 실질적으로 영향받지 않는 정확한 저전력 위치 검출을 제공한다. 신규한 중재(arbitration) 기법이 많은 수천 개의 태그의 위치 모니터링을 가능하게 한다. 비이컨과 서버 사이의 백홀(backhaul) 통신은, 바람직하게는, 무선 HART®, ISA100, Zigbee® 및 Bluetooth® 저전력 및 LORA® 기반 WAN 등과 같은 저전력 통신 기법을 채용한다.

Claims (25)

  1. 삭제
  2. 복수의 고정 위치 비이컨 및 적어도 하나의 이동 비이컨을 포함하며, 상기 비이컨들 각각이 적어도 부분적으로 배터리로 작동되고 무선 통신을 하도록 구성된 복수의 비이컨; 및
    통신 표준에 기초하여 상기 고정 위치 비이컨들과 저전력 네트워크인 제 1 네트워크에서 무선으로 통신하도록 구성된 애플리케이션 서버를 포함하며,
    적어도 하나의 상기 이동 비이컨은 상기 제 1 네트워크와 별도의 제 2 네트워크로서의 통신 네크워크를 사용하여 복수의 고정 위치 비이컨들의 적어도 하나의 비이컨과과 통신하도록 구성되며,
    상기 이동 비이컨은 무장되고 고정위치 비이컨으로 부터 폴(poll)을 기다리도록 구성되며, 상기 애플리케이션 서버는 또한 고정위치 비이컨이 폴을 보내기전에 리스닝을 개시하여 TWR 측정의 개시 직전에 TWR 측정을 준비하도록 비이컨들에게 정보를 전송하도록 구성된 것을 특징으로 하는 위치 결정 시스템.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 이동 비이컨과 복수의 비이컨 중의 비이컨 사이의 거리 측정은 초광대역(UWB) 기술에 기초하는 것을 특징으로 하는 위치 결정 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 통신 표준은 IEEE 802.15.4-2003 호환 프로토콜 네트워크를 포함하고, 또는 상기 통신 표준은 무선 HART®을 포함하는, 위치 결정 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 복수의 비이컨과 통신하도록 구성된 태그를 더 포함하고, 상기 태그와 복수의 비이컨 사이의 거리 측정은 초광대역(UWB) 기술에 기초하는, 위치 결정 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 UWB 기술은 통신 표준과 호환되는, 위치 결정 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 통신 표준은 IEEE 802.15.4a-2011 호환 표준인, 위치 결정 시스템.
  9. 제2항에 있어서, 상기 복수의 비이컨과 시간 동기화를 수행하도록 구성된 태그를 더 포함하고, 상기 복수의 비이컨과 태그 사이의 시간 동기화는 복수의 비이컨 중의 하나의 비이컨과 태그 사이의 양방향 거리 측정(TWR)을 위해 구성된, 위치 결정 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복수의 비이컨 중의 하나의 비이컨과 태그 사이의 TWR 측정의 조정은 IEEE 802.15.4-2003 호환 네트워크의 내재적 시간 동기화 메커니즘에 기초하는, 위치 결정 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 애플리케이션 서버는 TWR 측정을 위해 타임 슬롯을 할당하도록 구성된, 위치 결정 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 애플리케이션 서버는 복수의 비이컨 중의 하나의 비이컨과 태그 사이의 TWR 측정을 위해 타임 슬롯을 할당하도록 더 구성되고, 비이컨과 태그 사이의 TWR을 위한 타임 슬롯을 정의하는 정보가 IEEE 802.15.4-2003 호환 네트워크를 통해 애플리케이션 서버로부터 비이컨으로 이송되는, 위치 결정 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 TWR 측정을 위한 타임 슬롯은 다수의 TWR 측정 사이에서의 혼신을 방지하도록 할당되는, 위치 결정 시스템.
  14. 삭제
  15. 제2항에 있어서, 상기 복수의 비이컨은 IEEE 802.15.4-2003 호환 네트워크를 통해 미처리 TWR 측정에 관련된 정보를 애플리케이션 서버로 송신하도록 구성된, 위치 결정 시스템.
  16. 제2항에 있어서, 상기 이동 비이컨으로서의 태그의 위치에 관련된 정보는 IEEE 802.15.4-2003 호한 네트워크를 통해 복수의 비이컨 중 적어도 3개의 비이컨으로부터 애플리케이션 서버로 이송되는, 위치 결정 시스템.
  17. 제2항에 있어서, 상기 애플리케이션 서버는 비이컨 위치를 포함하는, 복수의 비이컨에 대한 셋업 및 구성 정보를 IEEE 802.15.4-2003 호환 네트워크를 통해 복수의 비이컨으로 이송하도록 추가로 구성된, 위치 결정 시스템.
  18. 복수의 비이컨 및 애플리케이션 서버를 저전력 네트워크인 제 1 무선 통신 네트워크와 연결하는 단계;
    상기 애플리케이션 서버에서, 제 1 무선 통신 네트워크와 별개의 제 2 네트워크인 통신 네트워크를 사용하여 복수의 비이컨들 중의 적어도 하나의 비이컨과 이동 태그 사이의 양방향 거리 측정 동작을 위해 복수의 타임 슬롯을 할당하는 단계;
    상기 애플리케이션 서버로 부터 복수의 비이컨들로 폴이 이송되기 직전에 감지 동작을 개시할 것을 상기 복수의 비이컨들에게 지시하는 단계;
    제 2 통신 네트워크에서 복수의 비이컨들 중의 적어도 3개의 비이컨들에 대해 이동 태그의 거리를 측정하는 단계; 및
    상기 복수의 비이컨들로부터의 이동 태그 정보를 제 1 무선 통신 네트워크를 통해 애플리케이션 서버로 이송하는 단계를 포함하는, 애플리케이션 서버 및 복수의 고정 위치 비이컨을 포함하는 시스템에서 이동 태그의 위치를 결정하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 거리 측정 단계는,
    상기 복수의 비이컨 중의 하나의 비이컨으로부터 알려진 송신 시간을 갖는 패킷을 송신하는 단계; 및
    상기 이동 태그로부터의 패킷의 수신에 응답하여, 비이컨에서 복귀 신호를 수신하는 단계를 포함하는,
    애플리케이션 서버 및 복수의 고정 위치 비이컨을 포함하는 시스템에서 이동 태그의 위치를 결정하는 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 비이컨과 애플리케이션 서버 사이의 무선 통신은 통신 표준에 기초하여 수행되거나, 상기 통신은 IEEE 802.15.4-2003 호환 네트워크 상에서 수행되거나, 상기 통신은 무선 HART® 네트워크 상에서 수행되거나, 상기 태그와 복수의 비이컨 중의 하나의 비이컨 사이의 거리 측정은 통신 표준과 호환하는 초광대역(UWB) 기술에 기초하거나, 또는 상기 거리 측정은 IEEE 802.15.4a-2011 표준 호환 네트워크를 통해 수행되는,
    애플리케이션 서버 및 복수의 고정 위치 비이컨을 포함하는 시스템에서 이동 태그의 위치를 결정하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 거리 측정의 조정을 위한 복수의 비이컨 및 태그에 대한 시간 동기화는 IEEE 802.15.4-2003 호환 네트워크의 내재적 시간 동기화 메커니즘에 기초하는,
    애플리케이션 서버 및 복수의 고정 위치 비이컨을 포함하는 시스템에서 이동 태그의 위치를 결정하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 복수의 비이컨과 태그 사이의 거리 측정을 위해 복수의 타임 슬롯을 정의하는 정보는 다수의 측정 사이에서의 혼신을 방지하는,
    애플리케이션 서버 및 복수의 고정 위치 비이컨을 포함하는 시스템에서 이동 태그의 위치를 결정하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 복수의 타임 슬롯을 정의하는 정보는 IEEE 802.15.4-2003 호환 네트워크를 통해 애플리케이션 서버로부터 복수의 비이컨으로 이송되는,
    애플리케이션 서버 및 복수의 고정 위치 비이컨을 포함하는 시스템에서 이동 태그의 위치를 결정하는 방법.
  24. 삭제
  25. 제20항에 있어서, 폴(poll)이 애플리케이션 서버로부터 복수의 비이컨으로 이송되기 직전에, 복수의 비이컨이 리스닝을 시작하게 하는 정보를 이송하는 단계, IEEE 802.15.4-2003 호환 네트워크를 통해 복수의 비이컨으로부터 애플리케이션 서버로 거리 측정에 관련된 정보를 이송하는 단계, IEEE 802.15.4-2003 호환 네트워크를 통해 복수의 비이컨으로부터 애플리케이션 서버로 태그 위치에 관련된 정보를 이송하는 단계, 또는 IEEE 802.15.4-2003 호환 네트워크를 통해 애플리케이션 서버로부터 복수의 비이컨으로 복수의 비이컨에 대한 이치를 포함하는 복수의 비이컨에 대한 원격 셋업 및 구성 정보를 이송하는 단계를 추가로 포함하는,
    애플리케이션 서버 및 복수의 고정 위치 비이컨을 포함하는 시스템에서 이동 태그의 위치를 결정하는 방법
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