KR20090060914A - 위치추적 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위치추적 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서 네트워크에서 표적 노드의 위치를 추적할 수 있도록 한 위치추적 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 적어도 하나의 표적 노드와; 위치정보를 갖는 다수의 기준 노드들과; 위치를 추적하는 측위 장치를 포함하고, 상기 기준 노드중 임의의 기준 노드와 상기 표적 노드가 거리측정 메시지를 이용하여 제1 티오에이(TOA)를 측정해서 측위 장치로 전송하고, 상기 임의의 기준 노드와 표적 노드에 인접한 적어도 2개의 다른 기준 노드들이 거리측정 메시지를 청취하여 제2 티오에이를 측정한 후, 상기 측위 장치로 전송하여 상기 표적 노드의 위치를 추적하도록 구성된 위치추적 시스템 및 이를 통해 수행되는 위치추적 방법을 제공한다.
TOA, TDOA, 기준 노드, 센서 노드

Description

위치추적 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CHASING LOCATION}
본 발명은 위치추적 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선을 이용하는 개인 영역 네트워크에서 표적 노드의 위치를 추적할 수 있도록 한 위치추적 시스 템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-070-02, 과제명: 홈네트워크용 Cognitive 무선 시스템 개발 기술].
일반적으로, 무선 개인 영역 네트워크(WPAN; Wireless Personal Area Network. 이하, "WPAN"이라 약칭함)는 센서 네트워크의 일종으로서, 비교적 짧은 거리 내에서 비교적 적은 사용자간에 정보를 전달하며, 주변 장치간 케이블 없이 직접 통신할 수 있도록 한다.
이러한 WPAN에서 이동형 표적 노드들의 위치를 파악해야 하는 경우가 많으며, 이를 위하여 통상적으로 네트워크를 관리하는 코디네이터, 거리를 측정하기 위 한 적어도 3개의 기준 노드들, 다수의 표적 노드들과 하나의 측위 장치를 포함한다.
상기 측위 장치는 다수의 WPAN이 공유할 수 있으며, 주변의 위치정보와 기준 노드의 위치정보, 기준 노드들과 표적 노드들의 클럭오차에 대한 정보를 관리하며, 스스로 기준 노드로도 기능한다.
코디네이터는 WPAN을 관리하기 위한 것으로, 하나의 WPAN에는 하나의 코디네이터가 존재하며 WPAN 주파수 채널과 ID 관리, 표적 노드의 가입과 탈퇴 및 멤버정보 등을 관리한다. 이러한 상기 코디네이터는 기준 노드의 기능도 수행한다.
기준 노드는 표적장치의 위치를 인식하기 위한 노드로서, 자신의 위치를 알고 있으며 위치 인식이 필요한 표적 노드에 대한 거리 측정 기능을 수행한다. 일반적으로 코디네이터와 기준 노드는 사용 에너지에 대한 제한이 적다.
표적 노드는 통신을 위한 무선 노드로서, 하나의 WPAN에 다수의 표적 노드들이 존재하고 고정된 위치에 있거나 이동한다. 상기 표적 노드는 일반적으로 사용할 수 있는 에너지가 제한되어 저전력으로 운용된다.
이러한 WPAN에서 위치추적이 필요한 표적 노드의 위치를 추적하는 방법은 도래시간(TOA; Time Of Arrival. 이하, "TOA"라 약칭함), 도래시간차(TDOA; Time Difference Of Arrival. 이하, "TDOA"라 약칭함) 등의 방법이 있다. 일반적으로 하나의 표적 노드의 위치를 인식하기 위하여 2차원 평면의 경우에는 적어도 3개의 기준 노드에 대한 거리 정보가 필요하며, 3차원 공간의 경우에는 4개의 기준 노드에 대한 거리 정보가 필요하다는 것은 자명한 사항이다.
우선, TOA 방법은 수신노드에서 거리측정 메시지를 수신한 시간을 측정하여 두 노드간 전파시간을 계산하고, 전파시간에 전파속도를 곱하여 거리를 계산하는 방법으로서, 동기망에서 전파시간을 측정하여 거리를 계산하는 방법과 비동기 망에서 왕복지연 시간을 측정하여 거리를 계산하는 양방향 거리측정(TWR; Two-Way Ranging. 이하, "TWR"이라 약칭함) 방법 등이 있다.
도 1은 일반적인 비동기망에서 이용되는 TWR 방식의 TOA를 이용한 위치추적과정을 설명하기 예시도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 위치추적장치는 제1~제3 기준 노드(30, 40, 50) 및, 표적 노드(20)로 구성된 WPAN과 측위 장치(10)로 구성된다. 여기서 3개의 기준 노드 중 하나는 WPAN의 네트워크를 관리하는 코디네이터가 될 수 있다.
종래의 WPAN에서 TWR 방법은 제1 기준 노드(30)와 표적 노드(20)간 전파시간을 측정하기 위한 것으로, 우선 측위 장치(10)가 제1 기준 노드(30)에게 표적 노드(20)에 대한 거리 측정을 요구한다. 이에 제1 기준 노드(30)는 표적 노드(20)로 거리측정 요구메시지(request)를 보내고, 표적 노드(20)는 거리측정 요구 메시지(request)를 수신한 뒤 응답메시지(ack)를 보낸다. 그리고 표적 노드(20)는 거리측정 요구메시지를 수신하고 응답메시지를 송신하는데 소요된 응답시간(treply,d)을 제1 기준 노드(30)로 전송한다. 그러면 제1 기준 노드(30)는 거리측정 요구메시지(request)의 송신한 시간과 표적 노드(20)로부터 응답메시지(ack)를 수신하는데 소요된 왕복지연시간 (tround,d)을 측정하여 표적 노드(20)로부터 수신한 TOA와 함께 측위 장치(10)로 전송한다.
이에 의해 측위 장치(10)는 하기의 수학식1을 이용해서 두 노드간 전파시간(tp , r1 -d)을 계산한다. 수학식1을 통해 얻어진 두 노드간 전파시간에 하기의 수학식2와 같이 전파속도(c)를 곱하여 제1 기준 노드(30)와 표적 노드(20)간 거리(dr1 -d)를 계산한다.
tp , r1 -d = (tround ,d - treply ,d) / 2
dr1 -d = c.tp , r1 -d
여기서, tround,d 은 제1 기준 노드(30)에서 응답 메시지 수신시간과 거리측정 요구메시지 송신시간차인 왕복지연시간을 나타내고, treply,d 는 표적 노드(20)에서 제1 기준 노드(30)로부터 거리측정 요구 메시지를 수신한 수신시간과 응답메시지의 송신시간차인 응답시간을 나타낸다.
한편, 표적 노드(20)의 위치를 추적하기 위해서 2차원 평면의 경우 적어도 3개의 거리 정보가 필요하다. 도 1과 같이 제1 기준 노드(30)와 표적 노드(20)간 거리(dr1-d)측정을 위하여 거리측정 요구 메시지와 응답 메시지에 해당하는 2개의 거리측정 메시지가 필요하므로 3개의 거리 정보를 구하기 위하여 6개의 거리측정 메시지(거리측정 요구메시지와 응답메시지)가 요구된다.
이 경우 위치 추적이 요구되는 표적 노드가 증가하면, 각각의 표적 노드에 대한 거리를 측정하여야 하므로 거리 측정을 위한 메시지가 표적 노드 수에 비례하여 증가하게 된다. 이에 WPAN에서 메시지 수의 증가는 네트워크의 트래픽(traffic)의 증가를 야기시켜 표적 노드(20)의 동작시간과 소모전력도 증가시킬 뿐만 아니라 표적 노드의 증가에 따라 CSMA(Career Sense Mutiple Access) 네트워크에서 트래픽 폭주를 야기시키는 문제점이 있다.
또한 tround,r1은 제1 기준 노드(30)의 클럭으로 측정되며 treply,d는 표적 노드(20)의 클럭으로 측정되므로 두 클럭의 오차에 따라 tp , r1-r2만큼의 오차가 발생하는 문제점이 있다. 이러한 클럭 오차를 보정하는 방법으로 IEEE802.15.4a에서는 두 노드에서 각각 TWR을 수행하여 오차를 보정하는 대칭 양방향 거리측정(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging : SDS-TWR) 방법을 제시하고 있다. 이 방법은 2번의 TWR을 수행하여 클럭 오차를 보정할 수 있으나 거리측정 따른 트래픽이 더욱 증가되는 문제점이 있다.
한편, TDOA 방법은 기준 노드들과 표적 노드가 동기되지 않은 경우에 용이하게 구현될 수 있는 방법으로서, TOA의 차이정보인 TDOA로부터 쌍곡선 함수를 이용하여 표적 노드의 위치를 추적할 수 있다.
그러나, TDOA 방법 역시 3개의 기지국들을 동기시켜 TOA를 측정하는 방법으로 WPAN에 적용하기에는 어려운 문제점이 있다.
상기 WPAN은 하나의 네트워크에 제한된 에너지를 갖는 다수의 표적 노드들이 존재하므로, 표적 노드들의 위치를 인식하기 위한 네트워크의 트래픽 량을 절감하고 전력 소모를 감소할 수 있는 효율적인 거리 측정 방법에 따른 위치 추적방법이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 필요성을 감안하여 창출한 것으로, WPAN에서 표적 노드의 위치를 인식하기 위한 네트워크의 트래픽 량을 절감하고 전력 소모를 감소하며 표적 노드의 위치를 추적할 수 있도록 한 위치 추적시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 목적은 WPAN에서 표적 노드와 하나의 기준 노드에 대하여 거리를 측정하고 다른 기준 노드들은 거리측정에 관한 메시지를 청취하여 TWR 방식의 TOA를 이용한 표적 노드의 위치를 추적할 수 있도록 한 위치 추적시스템 및 방법을 제공함에 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 WPAN에서 기준 노드사이에서 거리측정과정을 수행하고, 표적 노드가 이에 따른 메시지를 청취하여 TOA의 상대적인 차를 측정하여 표적 노드의 위치를 추적할 수 있도록 한 위치 추적시스템 및 방법을 제공함에 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 WPAN에서 기준 노드와 표적 노드간의 클럭오차를 효율적으로 보상하여 정확한 표적 노드의 위치를 추적할 수 있도록 한 위치 추적시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 위치추적 시스템 은 적어도 하나의 표적 노드와; 위치정보를 갖는 다수의 기준 노드들과; 위치를 추적하는 측위 장치를 포함하고, 상기 기준 노드중 임의의 기준 노드와 상기 표적 노드가 거리측정 메시지를 이용하여 제1 티오에이(TOA)를 측정해서 측위 장치로 전송하고, 상기 임의의 기준 노드와 표적 노드에 인접한 적어도 2개의 다른 기준 노드들이 거리측정 메시지를 청취하여 제2 티오에이를 측정한 후, 상기 측위 장치로 전송하여 상기 표적 노드의 위치를 추적하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 면에 따른 위치추적 시스템은 적어도 하나의 표적 노드와; 위치정보를 갖는 다수의 기준 노드들과; 위치를 추적하는 측위 장치를 포함하고, 상기 기준 노드들중 임의의 기준 노드가 거리측정 메시지를 이용하여 복수의 기준 노드들간의 제1 티오에이(TOA)를 측정해서 상기 측위시스템으로 전송하고, 상기 표적 노드가 상기 거리측정 메시지를 청취하여 제2 티오에이(TOA)를 측정한후 상기 측위 장치로 전송하며, 상기 측위 장치가 상기 제1, 제2 티오에이간의 차이정보의 티디오에이(TDOA)를 측정해서 상기 표적 노드의 위치를 추적하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 면에 따른 위치추적 방법은 적어도 하나의 표적 노드와, 위치정보를 갖는 다수의 기준 노드들 및 위치를 추적하는 측위 장치로 구성된 위치추적 장치를 이용한 위치추적 방법에 있어서, 상기 기준 노드중 임의의 기준 노드와 상기 표적 노드가 거리측정 메시지를 이용하여 제1 티오에이를 측정하는 단계와; 상기 임의의 기준 노드와 표적 노드에 인접한 기준 노드들이 상기 거리측정 메시지를 청취하여 제2 티오에이를 측정하는 단계와; 상기 측위 장치가 상기 제1, 제2 티오에이를 이용하여 상기 표적 노드의 위치를 추적하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 면에 따른 위치추적 방법은 적어도 하나의 표적 노드와, 위치정보를 갖는 다수의 기준 노드들 및 위치를 추적하는 측위시스템으로 구성된 위치추적 장치를 이용한 위치추적 방법에 있어서, 상기 기준 노드들중 임의의 기준 노드가 거리측정 메시지를 이용하여 복수의 기준 노드들간의 제1 티오에이(TOA)를 측정하는 단계와; 상기 표적 노드가 상기 거리측정 메시지를 청취하여 제2 티오에이(TOA)를 측정한후 상기 측위시스템으로 전송하는 단계와; 상기 측위시스템이 상기 제1, 제2 티오에이간의 차이정보의 티디오에이(TDOA)를 측정해서 상기 표적 노드의 위치를 추적하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 과제 해결 수단에 의해 본 발명은 기존의 TOA방법을 이용하여 노드의 위치를 추적하는 방법에 비하여 2차원 평면인 경우 요구되는 거리측정 메시지의 갯수가 1/3로 절감되며, 3차원 공간인 경우 1/4로 절약되는 이점이 있다. 이에 네트워크의 트래픽 량을 절감할 수 있어 노드의 위치를 빠르게 추적할 수 있는 효과가 있다. 이와 더불어, 노드의 동작시간을 절약하고 소모전력을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한 기준 노드간 거리측정 과정을 수행하는 TDOA 방법은 거리측정 메시지가 표적 노드 갯수에 무관하게 거리측정 메시지를 요구하므로, 표적 노드 갯수가 많은 WPAN에 효율적인 효과가 있다.
또한 노드간 거리를 측정하여 표적 노드의 클럭오차를 보정함으로써, 거리 정밀도가 향상되어 특정 노드의 현 위치를 정확히 추적할 수 있는 효과가 있다.
또한 하나의 네트워크에 제한된 에너지를 갖는 다수의 표적 노드들이 존재하는 WPAN에서 표적 노드들의 위치를 인식하기 위한 네트워크의 트래픽 량을 절감하고 전력 소모를 감소할 수 있는 효율적인 거리 측정 방법에 따른 위치 추적방법이 필요하다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설명한다.
하기의 설명에서 본 발명의 위치추적 시스템 및 방법의 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있는데, 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 2a는 본 발명의 실시 예에 따른 위치추적 시스템의 TOA 절차를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 위치추적 시스템은 하나의 측위 장치(100)와, 표적 노드(200)와, 제1~제3 기준 노드(300, 400, 500)로 구성된다. 도 2a는 하나의 표적 노드(200)와의 거리를 측정하는 제1~제3 기준 노드(300, 400, 500)의 일예의 구성으로서, 다수의 표적 노드(200)와 그 다수의 표적 노드와 인접한 추가의 기준 노드로 확장될 수 있다.
이와 같은 구성에서, 측위 장치(100)가 위치를 추적하고자 하는 표적 노드(200)가 소속된 WPAN의 임의의 기준 노드(300 또는 400 또는 500)에게 표적 노드에 대한 거리 측정을 요청하거나, 또는 표적 노드(200)가 자신의 위치파악을 위하여 거리측정을 기준 노드 또는 측위 장치에 요청할 수 있다.
이하, 본 발명의 동작에 대한 이해를 돕기 위해 일예로, 표적 노드(200)가 제1 기준 노드(300)에게 거리측정을 요청한다고 가정한다.
제1 기준 노드(200)는 거리측정 요청에 따라 거리측정 요구 메시지(reqd)를 표적 노드(200)로 전송한다. 그러면 표적 노드(200)는 거리측정 요구 메시지(reqd)에 따른 응답메시지(ackd)를 제1 기준 노드(300)로 전송한다. 상기 메시지를 수신한 제1 기준 노드(300)는 다시 확인(confirm) 메시지(cfmd) 를 표적 노드(200)로 전송한다.
확인 메시지(cfmd)를 수신한 표적 노드(200)는 거리측정 요구 메시지(reqd)를 수신하고 응답(ackd) 메시지를 전송할 때까지 소요된 시간인 응답시간(treply,d)과 확인 메시지를 수신한 시간과 요구 메시지를 수신한 시간차이인 확인시간(tconfirm,d) 을 보고 메시지(repd)에 실어 제1 기준 노드(300)로 전송한다.
이때 제2, 제3 기준 노드(400, 500)는 제1 기준 노드(300)와 표적 노드(200)간의 거리측정과정을 청취한다. 이에 제2, 제3 기준 노드(400, 500)는 제1 기준 노드(300)가 전송한 요구 메시지와 표적 노드(200)가 전송한 응답 메시지의 수신시간차인 거리측정시간과 거리측정 요구 메시지(reqd)와 확인 메시지(cfmd)의 수신 시간차인 확인시간(tconfirm,r2, tconfirm,r3)을 보고 메시지(reqr1, reqr2)에 실어 제1 기준 노드(300)에 보고한다.
도 2b는 도 2a에 있어, TOA 측정을 위한 파라미터를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2b에서 제1 기준 노드(300)가 표적 노드(200)로 거리측정 요구메시지를 전송하고, 표적 노드(200)로부터 응답메시지를 수신할 때까지 소요되는 시간을 왕복지연시간(tround,d), 요구 메시지를 전송하고 다시 확인 메시지를 전송할 때까지 소요되는 시간을 확인시간(tconfirm , r1)이라고 한다. 표적 노드(200)에서 요구 메시지를 수신하고 응답메시지를 전송하기까지 소요되는 시간을 응답시간(treply ,d)이라고 하며 요구 메시지를 받고 확인 메시지를 수신할 때까지 소요되는 시간을 확인시간(tconfirm,d)이라고 한다. 또 제2, 제3 기준 노드(400, 500)에서 거리측정 요구 메시지를 수신하고, 응답 메시지를 수신할 때까지 소요된 시간을 거리측정시간(trange,r2, trange,r3)이라고 하며 거리측정 요구 메시지를 수신하고 확인 메시지를 받을 때 까지 소요되는 시간을 확인시간(tconfirm,r2, tconfirm,r3)이라고 한다.
제1 기준 노드(300)는 자신이 측정한 수신 시간과 표적 노드(200) 및 제2, 제3 기준 노드(400, 500)가 측정한 수신시간 정보를 측위 장치(100)에 보고하거나, 자신의 노드에서 위치를 계산한다.
위치를 계산하기 위하여 먼저 두 노드간 거리를 계산하며 거리 계산시 두 노드간 클럭 옵셋을 보정한다. 제1 기준 노드(300)의 확인시간(tconfirm , r1)과 표적 노드(200)의 확인시간(tconfirm , r2)에 의해 두 클럭의 상대 오차(εd/ r1)는 하기의 수학식3과 같이 계산된다. 또한 같은 방법으로 제1 기준 노드(300)와 제2, 제3 기준 노드(400, 500)의 상대오차(εr2/r1 , εr3/r1)를 계산한다.
εd/ r1 = (tconfirm ,d - tconfirm , r1) / tconfirm , r1
εr2 / r1 = (tconfirm , r2 - tconfirm , r1) / tconfirm , r1
εr3 / r1 = (tconfirm , r3 - tconfirm , r1) / tconfirm , r1
표적 노드(200)가 측정한 응답시간(treply,d)를 1+ εd로 나누어(treply,d = t* reply,d /1+ εd/r1) 제1 기준 노드(300) 클럭으로 보정한다. 여기서 t* reply,d는 측정 값, treply ,d 는 실제값을 나타낸다. 같은 방법으로 제2, 제3 기준 노드(400, 500)가 측정한 응답 시간을 제1 기준 노드(300)의 클럭으로 보정하여 클럭 옵셋을 보정한다.
제1 기준 노드(300)와 표적 노드(200)간 거리는 기준클럭으로 보정된 응답시간(treply,d)을 사용하여 수학식 1과 같이 tp,r1-d 를 계산한다.
다음은 측위 장치(100)가 표적 노드(200)로부터 보고받은 TOA를 이용하여 표적 노드(200)와 제2, 제3 기준 노드(400, 500)간 전파시간을 계산하는 것으로, 하기의 수학식 4와 같다.
tp ,d- r2 = trange , r2 - (tp , r1 -d+ treply ,d - tp , r1 - r2 )
tp ,d- r3 = trange , r3 - (tp , r1 -d+ treply ,d - tp , r1 - r3 )
여기서, 상기 tp,d-r1는 표적 노드(200)와 제1 기준 노드(300)간 전파시간, 상기 tp,d-r2는 표적 노드(200)와 제2 기준 노드(400)간 전파시간, 상기 treply,r1은 제1 기준 노드(300)에서 거리측정 요구메시지를 수신하고, 응답메시지를 전송할 때까지 소요되는 시간, 상기 tp,r1-r2는 제1 기준 노드(300)와 제2 기준 노드(400)간 전파시간, 상기 trange , r2는 제2 기준 노드(400)에서 거리측정 요구메시지를 수신하고 응답메시지를 수신할 때까지 소요된 시간, 상기 tp , r3 -d는 표적 노드(200)와 제3 기준 노 드(500)간 전파시간, 상기 tp , r1 - r3은 제1 기준 노드(300)와 제3 기준 노드(500)간 전파시간, 상기 tp ,d- r3은 표적 노드(200)와 제3 기준 노드(500)간 전파시간, 상기 trange,r3은 제3 기준 노드(500)에서 거리측정 요구메시지를 수신하고 응답메시지를 수신할 때까지 소요된 시간을 나타낸다.
이후, 측위 장치(100)는 이들 전파시간과 전파속도를 곱하여 표적 노드(200)와 제2, 제3 기준 노드(400, 500)의 거리를 구하고, 제2, 제3 기준 노드(400, 500) 의 위치정보와 거리정보로부터 표적 노드(200)의 위치를 추적한다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 위치 추적 시스템의 TDOA 절차를 설명하기 위한 예시도이다.
하나의 측위 장치(100)와, 표적 노드(200)와, 제1~제3 기준 노드(300, 400, 500)로 구성된다. 제1 기준 노드(300)가 제2, 제3 기준 노드(400, 500)에 대하여 TWR을 수행하고 표적 노드(200)는 이러한 TWR 메시지를 청취하여 수신시간을 측정하여 자신의 위치를 계산하거나, 측위 장치(100)에 위치계산을 요구한다. 그러면 측위 장치(100)는 위치계산을 수행한 후 계산결과를 통보한다.
예를 들면, 제1 기준 노드(300)가 제2 기준 노드(400)로 거리측정 요구 메시지(reqr2)를 전송하면, 메시지를 수신한 제2 기준 노드(400)는 응답 메시지(ackr2)를 전송하고, 응답 메시지(ackr2)를 수신한 제1 기준 노드(300)는 보고 메시지(rptr2)를 브로드캐스트한다. 그리고 제1 기준 노드(300)는 제3 기준 노드(500)로 거리측정 요구메시지(reqr3)를 전송하면, 거리측정 요구 메시지를 수신한 제3 기준 노드(500)는 응답 메시지(ackr3)를 전송한다. 제1 기준 노드(300)는 응답 메시지를 수신하면 보고 메시지(rptr3)를 브로드캐스트한다. 이때 표적 노드(200)는 이러한 2개의 TWR 메시지의 수신시간을 측정하고, 브로드캐스트된 보고 메시지(rptr2, rptr3)로부터 자신의 위치를 계산하거나 측위 장치(100)로 위치계산을 요구한다. 보고 메시지는 TWR 결과 계산된 왕복지연 시간을 포함한다.
도 3b는 도 3a에 있어, TDOA 측정을 위한 파라미터를 설명하기 위한 예시도이다.
제1 기준 노드(300)가 제2 기준 노드(400)에 대한 TWR 측정결과 소요된 시간을 왕복지연 시간(tround,r2) 이라 하며, 제2 기준 노드(400)에서 소요된 시간을 응답시간(treply,r2) 이라고 한다. 또한 제1 기준 노드(300)가 제3 기준 노드(500)에 대한 TWR 측정결과 소요된 시간을 왕복지연 시간(tround,r3) 이라 하며, 제2 기준 노드(400)에서 소요된 시간을 응답시간(treply,r3) 이라고 한다. 이때 표적 노드(200)는 제1, 제2 기준 노드(300, 400) 간의 거리 차를 계산하기 위해 송수신하는 거리측정 메시지를 청취하여 응답 메시지(ackr2) 수신시간과, 요청 메시지(reqr2) 수신 시간차를 거리측정시간(trange,r2)이라고 하며, 제1~제3 기준 노드(300, 400, 500) 간의 거리 차를 계산하기 위해 송수신하는 거리측정 메시지를 청취하여 응답 메시지(ackr3) 수신시간과 요청 메시지(reqr3) 수신시간차를 거리측정시간(trange,r3)이라고 한다.
제2 기준 노드(400)의 응답시간(treply,r2)은 제1 기준 노드(300)에서 계산된 왕복지연시간과 제1 기준 노드(300)와 제2 기준 노드(400)의 거리로부터 계산된 전파시간으로부터 계산된다. 같은 방법으로 제3 기준 노드(500)의 응답시간(treply,r3)도 계산된다.
이러한 파라미터로부터 표적 노드(200)에서 측정한 제1, 제2 기준 노드(300, 400)의 도래시간차 TDOAr2-r1는 하기의 수학식 5와 같다. 같은 방법으로 제1기준 노드(300)가 제3 기준 노드(500)에 대하여 수행하는 TWR을 청취하여 하기의 수학식5와 같이 TDOAr3-r1를 계산한다.
TDOAr2-r1 = trange,r2 - tp,r1-r2 - treply,r2
TDOAr3-r1 = trange,r3 - tp,r1-r3 - treply,r3
표적 노드(200)는 상기와 같이 2개의 TDOA로부터 위치를 인식하거나, 측위 장치(100)에 요구하여 위치를 인식한다.
이러한 각 노드는 거리 오차의 원인이 되는 클럭 오차 보정 과정이 필요하다. ε1, ε2, ε3 는 제1~제3 기준 노드(300, 400, 500)의 클럭 오차, εd 는 표적 노드(200)의 클럭 오차를 나타낸다. 제1 기준 노드(300)는 제2, 제3 기준 노드(400, 500)에 대하여 TWR을 수행하여 제2 기준 노드(400)와 제3 기준 노드(500)에 대한 도착시간차(TDOA* r3-r2,r1)를 하기의 수학식 6과 같이 측정한다. 또한 제2 기준 노드(400)는 제1 기준 노드(300)와 제3 기준 노드(500)에 대하여 TWR을 수행하여 제1 기준 노드(300)와 제3 기준 노드(500)에 대한 도착시간차(TDOA* r3-r1,r2)를 하기의 수학식 6과 같이 측정한다. 또한 제3 기준 노드(500)는 제1, 제2 기준 노드(300, 400)에 대하여 TWR을 수행하여 제1 기준 노드(300)와 제2 기준 노드(400)에 대한 도착시간차((TDOA* r2 - r1 , r3)를 하기의 수학식 6과 같이 측정한다. 여기서 표적 노드(200)의 위치를 측정하기 위해서는 도착시간차들 중 최소 2개를 필요로 한다.
TDOA* r3-r2,r1 = TDOA* r3-r1 - TDOA* r2-r1
= (t* rng,r3 - tp,r1-r3 - t* reply,r3) - (t* rng,r2 - tp,r1-r2 - t* reply,r2)
= (trng,r3(1+εd) - tp,r1-r3 - treply,r3(1+ε1)) - (trng,r2(1+εd) - tp,r1-r2 - treply,r2(1+ε2))
= TDOAr3 - r2(1+εd) + (tp , r1 - r3 - tp , r1 - r2) εd + (treply , r3 - treply , r2)( εd - ε1)
여기서 TDOAr3-r2는 도착시간차의 실제값을 나타내며 TDOA* r3-r2,r1 는 도착시간 차의 측정치를 나타낸다. 측정된 TDOA* r3 - r2 , r1 오차는 하기의 수학식 7과 같다.
또한, WPAN의 도달거리가 수십m 정도이므로 전파시간은 수십 nsec에 불과한 반면 응답 시간(t* reply,r2, t* reply,r3)은 일반적으로 수백 usec 이상 소요되므로 전파시간 항목은 생략하여 하기의 수학식7과 같이 간략화 할 수 있다.
TDOA* r3-r2,r1 - TDOAr3-r2 = TDOAr3-r2 εd + (tp,r1-r3 - tp,r1-r2) εd + (t* reply,r3 - t* reply,r2)( εd - ε1)
≒ (t* reply , r3 - t* reply , r2)( εd - ε1)
즉, t* reply,r3 와 t* reply,r2의 차에 비례하므로 그 차를 작게하면, 클럭 오차로 인한 거리 오차를 감소시킬 수 있다. 같은 방법으로 제2 기준 노드(400)에서 제1, 제3 기준 노드(300, 400)에 대한 TWR 수행 결과로부터 TDOA* r3 - r1 , r2를 계산한다.
예컨대, 두 기준 노드의 응답시간 차이를 10 us, 클럭 오차를 40 ppm 이라고 하면 클럭 옵셋으로 발생되는 측정오차는 0.8nsec (24 cm)가 된다. 이와 같이 클럭 오차를 보정하면 수십ppm의 오차를 갖는 저렴한 클럭으로도 수십 cm급의 거리 정밀도를 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 위치추적을 위한 노드 구성도이다. 여기서 노드는 표적 노드(200)와 제1~제3 기준 노드(300, 400, 500)를 의미한다.
노드는 RF부(61)와, 송수신부(63)와, 시스템 타이머(65) 및 제어부(67)로 구성된다.
우선 RF부(61)는 송신되는 신호의 주파수를 상승변환 및 증폭하여 안테나(ANT)로 전송하는 RF송신기(미도시)와, 안테나(ANT)를 통해 수신되는 신호를 저잡음 증폭하고 주파수를 하강 변환하는 RF수신기(미도시)로 구성된다.
송수신부(63)는 송신 데이터를 WPAN에 필요한 UWB 신호로 코딩한후, 아날로그 신호로 변환하여 RF부(61)로 출력한다. 이때 거리측정 메시지의 경우 거리측정 비트에 따라 송신 시간을 기록한다. 또한 송수신부(63)는 RF부(61)로부터 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 복조한후 수신 프레임을 상위계층(미도시)으로 전송한다.
시스템 타이머(65)는 거리측정 메시지에 따라 송수신 시간을 카운트한다.
제어부(67)는 송수신부(63)에 의해 송신된 송신 데이터가 거리측정 메시지인 경우 거리측정 비트에 따라 시스템 타이머(65)를 제어하여 송신 시간 또는 수신 시간을 측정한다.
도 5a와 도 5b는 도 4에 있어, 제어부의 거리측정시 메시지 송수신 시간 설정과정을 보인 흐름도이다. 여기서 도 5a는 거리측정 메시지 송신시의 시간 설정과정을 보인 도면이고, 도 5b는 거리측정 메시지 수신시의 시간 설정과정을 보인 도면이다.
도 5a와 같이 제어부(67)는 송수신부(63)에서 거리측정 비트를 송신할 때의 시스템 타임(ststem_time)을 송신시간(tx_time)으로 하고(S510), 송신 프레임이 거리측정 요구 메시지인지 판단한다(S520).
판단 결과 거리측정요구 메시지인 경우, 제어부(67)는 송신시간(tx_time)을 노드에서 거리측정 요구메시지를 송신한 시간(τreq_1)으로 설정한다(S530).
그러나 판단 결과 거리측정 요구메시지가 아닌 경우, 제어부(67)는 송신 프레임이 응답 메시지인지를 판단한다(S540).
판단결과 응답 메시지이면, 제어부(67)는 송신시간(tx_time)을 응답 메시지를 송신한 시간(τack_1)으로 설정한다(S550).
그러나 판단 결과 응답 메시지가 아닌 경우, 제어부(67)는 송신프레임이 확인 메시지인지를 판단한다(S560).
판단 결과 확인 메시지이면, 제어부(67)는 송신시간(tx_time)을 확인 메시지를 송신한 시간(τrpt _1)으로 설정한다(S560).
한편, 도5b에 같이 제어부(67)는 송수신부(63)에서 거리측정 비트를 수신할 때의 시스템 타임(ststem_time)을 수신시간(rx_time)으로 하고(S610), 수신 프레임이 거리측정 요구 메시지인지 판단한다(S620).
판단 결과 거리측정요구 메시지인 경우, 제어부(67)는 수신시간(rx_time)을 거리측정 요구메시지를 수신한 시간(τreq_2)으로 설정한다(S630).
그러나 판단 결과 거리측정 요구메시지가 아닌 경우, 제어부(67)는 수신 프 레임이 응답 메시지인지를 판단한다(S640).
판단결과 응답 메시지이면, 제어부(67)는 수신시간(rx_time)을 응답 메시지를 수신한 시간(τack _2)으로 설정한다(S650).
그러나 판단 결과 응답 메시지가 아닌 경우, 제어부(67)는 수신프레임이 확인 메시지인지를 판단한다(S660).
판단 결과 확인 메시지이면, 제어부(67)는 수신시간(rx_time)을 확인 메시지를 수신한 시간(τrpt _1)으로 설정한다(S660).
제어부(67)는 전술한 과정에 의한 도래시간 정보로부터 tround, treply, tconfirm 을 계산한다.
도 6은 본 발명의 거리측정에 필요한 메시지 수를 보인 예시도이다.
기존의 SDS-TWR 측정 방법은 위치 인식을 요구하는 하나의 표적 노드에 대하여 3개의 기준 노드로부터 적어도 12개의 거리 측정 메시지가 요구되며 측정결과를 하나의 기준 노드로 보내는 메시지 2개를 포함하여 14개 메시지가 요구되어 100개의 표적 노드가 존재하면 1400개의 거리측정 메시지가 요구된다. TWR인 경우 하나의 표적 노드의 위치를 인식하기 위하여 11개의 거리 측정 메시지가 요구되어 100개의 표적 노드가 존재하면, 1100개의 메시지가 요구되지만 클럭 오차로 인한 거리 오차가 발생된다.
본 발명에 따른 하나의 기준 노드와 표적 노드간 TWR 기반의 TOA 측정방법은 한 개의 표적 노드에 대하여 6개의 거리측정 메시지가 요구되어 100개의 표적 노드 가 있는 경우 600개의 거리측정 메시지가 요구된다.
한편 기준 노드간 TWR 기반 TDOA 측정방법은 표적 노드 수에 무관하며 하나의 기준 노드에 대하여 12개의 거리 측정 메시지가 요구되며 100개의 표적 노드가 있더라도 표적 노드 수에 무관하게 12개의 거리측정 메시지가 요구된다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 일반적인 비동기망에서 이용되는 TWR 방식의 TOA를 이용한 위치추적과정을 설명하기 예시도.
도 2a는 본 발명의 실시 예에 따른 위치추적 시스템의 TOA 절차를 설명하기 위한 예시도.
도 2b는 도 2a에 있어, TOA 측정을 위한 파라미터를 설명하기 위한 예시도.
도 3a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 위치 추적 시스템의 TDOA 절차를 설명하기 위한 예시도.
도 3b는 도 3a에 있어, TDOA 측정을 위한 파라미터를 설명하기 위한 예시도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 위치추적을 위한 노드 구성도.
도 5a와 도 5b는 도 4에 있어, 제어부의 거리측정시 메시지 송수신 시간 설정과정을 보인 흐름도.
도 6은 본 발명의 거리측정에 필요한 메시지 수를 보인 예시도.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 표적 노드와;
    위치정보를 갖는 다수의 기준 노드들과;
    위치를 추적하는 측위 장치를 포함하고,
    상기 기준 노드중 임의의 기준 노드와 상기 표적 노드가 거리측정 메시지를 이용하여 제1 티오에이(TOA)를 측정해서 측위 장치로 전송하고, 상기 임의의 기준 노드와 표적 노드에 인접한 적어도 2개의 다른 기준 노드들이 거리측정 메시지를 청취하여 제2 티오에이를 측정한 후, 상기 측위 장치로 전송하여 상기 표적 노드의 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 위치추적 시스템.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 측위 장치는,
    상기 제1, 제2 티오에이를 취합한 후, 기 측정된 상기 기준 노드들과 상기 표적 노드간의 클럭오차를 보정하여 상기 표적 노드의 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 위치추적 시스템.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 측위 장치는,
    상기 기준 노드에서 타이머 시작 메시지와 타이머 멈춤 메시지를 전송하고, 상기 기준 노드에서 상기 타이머 시작 메시지와 타이머 멈춤 메시지를 보낸 시간차와 상기 표적 노드에서 상기 타이머 시작 메시지와 타이어 멈춤 메시지를 수신한 시간차로부터 클럭 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 위치추적 시스템.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 클럭오차는,
    기준클럭으로부터 멀티홉(Multi-hop)으로 측정하는 것을 특징으로 하는 위치추적 시스템.
  5. 적어도 하나의 표적 노드와;
    위치정보를 갖는 다수의 기준 노드들과;
    위치를 추적하는 측위 장치를 포함하고,
    상기 기준 노드들중 임의의 기준 노드가 거리측정 메시지를 이용하여 복수의 기준 노드들간의 제1 티오에이(TOA)를 측정해서 상기 측위시스템으로 전송하고, 상기 표적 노드가 상기 거리측정 메시지를 청취하여 제2 티오에이(TOA)를 측정한 후 상기 측위 장치로 전송하며, 상기 측위 장치가 상기 제1, 제2 티오에이간의 차이정보의 티디오에이(TDOA)를 측정해서 상기 표적 노드의 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 위치추적 시스템.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 측위 장치는,
    상기 티디오에이 계산시 표적 노드와 해당 기준 노드들의 클럭오차를 보상하여 보정된 티디오에이 정보로부터 표적 노드의 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 위치추적 시스템.
  7. 적어도 하나의 표적 노드와, 위치정보를 갖는 다수의 기준 노드들 및 위치를 추적하는 측위 장치로 구성된 위치추적 장치를 이용한 위치추적 방법에 있어서,
    상기 기준 노드중 임의의 기준 노드와 상기 표적 노드가 거리측정 메시지를 이용하여 제1 티오에이를 측정하는 단계와;
    상기 임의의 기준 노드와 표적 노드에 인접한 기준 노드들이 상기 거리측정 메시지를 청취하여 제2 티오에이를 측정하는 단계와;
    상기 측위 장치가 상기 제1, 제2 티오에이를 이용하여 상기 표적 노드의 위치를 추적하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치추적 방법.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 위치를 추적하는 단계는,
    제1, 제2 티오에이를 취합한 후, 기 측정된 상기 기준 노드들과 상기 표적 노드간의 클럭오차를 보정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 위치 추적 방법.
  9. 적어도 하나의 표적 노드와, 위치정보를 갖는 다수의 기준 노드들 및 위치를 추적하는 측위시스템을 이용한 위치추적 방법에 있어서,
    상기 기준 노드들중 임의의 기준 노드가 거리측정 메시지를 이용하여 복수의 기준 노드들간의 제1 티오에이(TOA)를 측정하는 단계와;
    상기 표적 노드가 상기 거리측정 메시지를 청취하여 제2 티오에이를 측정하는 단계와;
    상기 측위시스템이 상기 제1, 제2 티오에이로부터 티디오에이(TDOA)를 측정하여 상기 표적 노드의 위치를 추적하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치추적 방법.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 표적 노드의 위치를 추적하는 단계는,
    상기 티디오에이 계산시 표적 노드와 해당 기준 노드들의 클럭오차를 보상하여 보정된 티디오에이 정보로부터 표적 노드의 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 위치추적 방법.
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