KR20090087557A - 실내 측위 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실내 측위 기술에 관한 것으로서, 특히 매트릭스 펜슬 (Matrix Pencil)을 이용하여 두 지점간의 거리를 보다 정확하게 측정할 수 있는 실내 측위 시스템 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 송신 노드에서 다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출하는 송신 과정, 수신 노드에서 상기 전송 패킷을 수신하는 수신 과정, 상기 전송 패킷의 상기 심볼들과 매트릭스 펜슬 알고리듬을 이용하여 지연 시간을 산출하는 지연 시간 산출 과정, 및 산출된 상기 지연 시간을 이용하여 상기 송신 노드와 상기 수신 노드 간의 거리를 산출하는 거리 산출 과정을 포함하는 실내 측위 시스템 및 방법을 제공한다.
이러한 본 발명은 매트릭스 펜슬을 이용하여 지연 시간을 추정하므로, 에러율을 최소화할 수 있다. 따라서, 노드들 간의 거리를 보다 정확하게 추정할 수 있다.
실내 측위, 매트릭스 펜슬, Chirp 신호, 채널 주파수 응답, TOA, TDOA, 다중 경로

Description

실내 측위 시스템 및 방법{Indoor Location System and method thereof}
본 발명은 실내 측위 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매트릭스 펜슬 (Matrix Pencil)을 이용하여 두 지점간의 거리를 보다 정확하게 측정할 수 있는 실내 측위 시스템 및 방법에 관한 것이다.
실내에서 물체의 움직임을 측정하는 실내 측위 기술은 주로 무선 전파(예컨대, 초음파, 적외선 등)를 이용하여 두 지점(이하, 노드)간의 거리를 측정하는 기술이 연구 및 개발되고 있다. 이러한 실내 측위 기술의 예로는, SSR(Signal strength Ranging), TOA(Time of Arrival), TDOA(Time Difference of Arrival), AOA(Angle of Arrival) 방식 등을 들 수 있다.
SSR 방식은 신호 세기의 강약을 통해서 송신 노드와 수신 노드 사이의 거리를 추정하는 방식이다. 이러한 SSR 방식을 이용한 측위 기술은 거리 추정 값이 채널환경에 크게 영향을 받으며, 특히 NLOS(Non Light Of Sight) 채널 환경과 멀티패스 페이딩(Multipath Fading) 영향에 따라서 측위 오차가 커지는 단점이 있다.
AOA(Angle of Arrival) 방식은 노드들 사이의 각을 측정하여 목적 대상의 위치를 추정하는 방식으로 NLOS 채널 환경하에서는 위치 추정 값의 오차가 커지는 단 점이 있다.
TOA 및 TDOA 방식은 송신 노드와 수신 노드 사이에 신호가 전달되는 시간을 이용하여 두 노드 간의 거리를 추정하는 방식이다. TOA 방식은 송신 노드와 수신 노드 사이의 절대적인 시간을 기준으로 위치 추정하며, TDOA 방식은 송신 노드와 수신 노드 사이의 상대적인 시간 차이를 통해서 거리를 추정하는 방식이다.
이 중, TOA나 TDOA 방식과 같이 시간 차이를 이용하여 각 노드의 위치를 확인하는 방식은 주변 환경 등의 영향으로 인하여 정확한 시간 차이를 계산하기 어렵다는 단점이 있다. 송신 노드로부터 송출된 신호가 벽이나 실내 장애물에 의해 반사되고, 이러한 반사된 신호들로 인하여 송신 노드와 수신 노드 사이에는 다중 경로(멀티 패스)가 생성된다. 이에 따라 수신 노드에는 다중 경로를 통한 여러 신호들이 중첩되어 수신되며, 이로 인하여 수신 노드는 실제 송신 신호가 수신되는 시간을 정확하게 추정해내지 못하는 경우가 발생되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 다중 경로를 통해 함께 수신되는 신호로부터 실제 송신 신호가 수신되는 시간(지연 시간)과, 이에 따른 노드 간의 거리를 효과적으로 산출해 낼 수 있는 실내 측위 시스템 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실내 측위 방법은 송신 노드에서 다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출하는 송신 과정, 수 신 노드에서 상기 전송 패킷을 수신하는 수신 과정, 상기 전송 패킷의 상기 심볼들과 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리듬을 이용하여 지연 시간을 산출하는 지연 시간 산출 과정, 및 산출된 상기 지연 시간을 이용하여 상기 송신 노드와 상기 수신 노드 간의 거리를 산출하는 거리 산출 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실내 측위 시스템은 다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출하는 송신 노드, 및 상기 전송 패킷을 수신하고, 상기 전송 패킷의 상기 심볼들과 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리듬을 이용하여 지연 시간을 추정하는 수신 노드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실내 측위 시스템 및 방법은 복잡도와 정확도를 개선하는 매트릭스 펜슬을 이용하여 지연 시간을 추정한다. 이에 실내 채널의 중첩된 다중 경로 신호들을 효과적으로 분리하여 정확한 송신 신호의 지연 시간을 추정할 수 있다.
따라서, 지연 시간 추정에 따른 에러율을 최소화할 수 있어 노드 간의 거리를 보다 정확하게 추정할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 또한, 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성 요소들에 대해서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실내 측위 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실내 측위 시스템(100)은 송신 노드(200)와 수신 노드(300)를 포함한다.
송신 노드(200)는 다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출한다. 이를 위해 본 실시예에 따른 송신 노드(200)는 심볼 생성부(210), 패킷 생성부(220), 무선통신부(260)를 포함한다.
심볼 생성부(210)는 전송 패킷에 포함되는 심볼을 생성하여 패킷 생성부(220)로 전송한다. 본 실시예에 따른 심볼은 처프 신호(Chirp signal)로 이루어진다. 따라서 심볼 생성부(210)는 처프 신호로 하나의 심볼을 생성하여 이를 패킷 생성부(220)에게 전송하게 된다.
패킷 생성부(220)는 심볼 생성부(210)에서 전송된 심볼을 이용하여 전송 패킷을 생성한다.
여기서 전송 패킷은 후술되는 수신 노드(300)로 전송하는 신호를 의미하며, 수신 노드(300)는 이러한 전송 패킷이 송신 노드(200)에서 수신 노드(300)까지 전송되는 시간을 기반으로 하여 송신 노드(200)와 수신 노드(300) 사이의 거리를 측정하게 된다. 또한, 본 실시예에 따른 패킷 생성부(220)는 전송 패킷의 프리앰블(Preamble) 구간에 심볼이 포함되도록 전송 패킷을 생성한다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 프리앰블 구간이 아닌 데이터 구간에 포함되도록 전송 패킷을 생성할 수도 있다. 더하여, 본 실시예에 따른 패킷 생성부(220)는 전송 패킷 내에 동일한 심볼을 다수 개 연속적으로 배치한다. 본 실시예에서는 8개의 심볼이 전송 패킷에 포함되는 경우를 예로 들어 설명한다. 즉, 본 실시예에 따른 전송 패킷은 프리앰블 구간에 8개의 심볼이 포함된다. 그러나 상기한 수에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 개수의 심볼을 전송 패킷에 포함시킬 수 있다.
무선통신부(260)는 무선 통신을 위한 해당 데이터의 송수신 기능을 수행한다. 무선통신부(260)는 송신되는 신호의 주파수를 상승변환 및 증폭하는 RF송신기 와, 수신되는 신호를 저잡음 증폭하고 주파수를 하강 변환하는 RF수신기 등으로 구성될 수 있다. 특히, 무선통신부(260)는 무선 채널을 통해 데이터를 수신하여 제어부(190)로 출력하고, 패킷 생성부(220)로부터 출력된 전송 패킷을 무선 채널을 통해 외부로 송출할 수 있다.
수신 노드(300)는 송신 노드(200)에서 송출된 전송 패킷을 수신하고, 전송 패킷에 포함된 심볼들과 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리듬을 이용하여 지연 시간을 추정한다. 이를 위해 본 실시예에 따른 수신 노드(300)는 무선통신부(360), 심볼 평균화부(320), 심볼 생성부(310), 주파수 응답 추정부(330), 지연 시간 추정부(340), 및 거리 산출부(350)를 포함한다.
무선통신부(360)는 전술한 송신 노드(200)의 무선통신부(260)와 동일한 역할을 수행한다. 즉, 무선 통신을 위한 해당 데이터의 송수신 기능을 수행한다. 특히, 송신 노드(200)로부터 송출된 전송 패킷을 수신하고, 이를 심볼 평균화부(320)로 전송한다.
심볼 평균화부(320)는 전송 패킷에 포함된 다수 개의 심볼들 즉, 8개의 심볼들을 평균화하여 시간 다이버시티(Time Diversity) 이득을 획득한다. 이를 통해 노이즈를 최소화한 보다 양호한 심볼을 획득할 수 있게 된다.
심볼 생성부(310)는 송신 노드(200)에 포함되는 심볼 생성부(210)와 동일하게 구성되며, 전송 패킷에 포함된 심볼과 동일한 심볼을 생성하여 후술되는 주파수 응답 추정부(330)로 전송한다. 본 실시예에서는 처프(Chirp) 신호를 이용하여 심볼을 생성하므로, 수신 노드(300)의 심볼 생성부(310)도 처프 신호를 이용하여 심볼 을 생성하게 된다.
주파수 응답 추정부(330)는 심볼 평균화부(320)를 통해 평균화된 심볼에 선형 이퀄라이저를 적용하여 채널 주파수 응답을 추정한다. 이를 위해 본 실시예에 따른 주파수 응답 추정부(330)는 심볼 생성부(310)를 통해 송신 노드(200)에서 생성된 심볼과 동일한 심볼을 획득한다. 그리고, 획득한 심볼과 수신된 전송 패킷(즉, 심볼 평균화부에 의해 평균화된 심볼)을 이용하여 수신된 전송 패킷에 대한 채널 주파수 응답을 추정한다. 이때, 본 실시예에서는 최소 평균 자승 에러(MMSE; Minimum Mean Squared Error)을 이용한 선형 이퀄라이저(Linear MMSE Equalizer, 또는 MMSE-LE; Minimum Mean Squared Error - Linear Equalizer)를 이용하여 채널 주파수 응답을 추정한다.
지연 시간 추정부(340)는 주파수 응답 추정부(330)에서 추정한 채널 주파수 응답에 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리듬을 적용하여 지연 시간을 추정한다. 매트릭스 펜슬은 신호의 DOA(Direction Of Arrival) 추정에 이용되는 알고리듬들 중 하나이다. DOA를 추정하는 알고리듬에는 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification), ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) 등의 알고리듬이 있으나, 본 발명에서는 매트릭스 펜슬 알고리듬을 이용한다. 지연 시간 추정부(340)는 이러한 매트릭스 펜슬 알고리듬을 통해 산출되는 고유값(eigenvalue)을 이용하여 수신된 전송 패킷의 정확한 지연 시간(즉, 가장 먼저 도착된 신호의 피크점)을 추정한다.
거리 산출부(350)는 지연 시간 추정부(340)에서 추정된 지연 시간을 기반으 로 하여 송신 노드(200)와 수신 노드(300) 간의 거리를 산출한다.
이어서, 본 발명의 실시예에 따른 실내 측위 방법에 대하여 실시예를 통하여 자세히 설명한다. 실내 측위 방법에 대한 이하의 설명으로부터 전술한 실내 측위 시스템(100)의 구성 또한 보다 명확해질 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실내 측위 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저 송신 노드(200)에 측위 요청이 입력되는 S10 과정이 수행된다. 본 실시예에서 측위 요청은 송신 노드(200) 자체에서 주기적으로 발생될 수 있으며, 외부로부터의 신호 입력에 의해 발생될 수도 있다.
송신 노드(200)에 측위 요청이 입력되면, 송신 노드(200)는 수신 노드(300)로 전송하기 위한 전송 패킷을 생성하는 과정을 수행한다. 먼저 송신 노드(200)의 심볼 생성부(210)가 심볼을 생성하는 S11 과정이 수행된다. 이 과정에서 심볼 생성부(210)는 처프 신호(Chirp signal)를 이용하여 심볼을 생성한다. 이러한 처프 신호는 레이더 기술에 이미 적용되고 있는 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
심볼 생성부(210)에서 심볼이 생성되면, 생성된 심볼은 패킷 생성부(220)로 전송된다. 이에 패킷 생성부(220)가 심볼을 이용하여 전송 패킷을 생성하는 S12 과정이 수행된다. 이 과정에서 패킷 생성부(220)는 전송 패킷의 프리앰블(Preamble) 구간에 동일한 심볼을 8개 포함시킨다.
S12 과정을 통해 전송 패킷이 생성되면, 이어서 송신 노드(200)의 무선통신 부(260)가 무선 채널을 통해 생성된 전송 패킷을 외부로 송출하는 S13 과정이 수행된다.
다음으로, 수신 노드(300)의 무선통신부(360)가 송신 노드(200)로부터 송출된 전송 패킷을 수신하는 S14 과정이 수행된다. 전송 패킷을 수신한 수신 노드(300)의 무선통신부(360)는 수신한 전송 패킷을 심볼 평균화부(320)로 전송한다.
이어서 심볼 평균화부(320)에서 수신된 전송 패킷에 포함되어 있는 심볼들을 평균화하는 S15 과정이 수행된다. 현재 수신된 전송 패킷은 프리앰블 구간에 8개의 심볼이 포함되어 있다. 따라서 심볼 평균화부(320)는 8개의 심볼을 평균화하는 과정을 수행하게 된다. 이러한 과정을 통해 시간 다이버시티 이득을 획득할 수 있게 되며, 이에 무선 전송 과정에서 심볼에 포함된 노이즈를 최소화할 수 있다.
S15 과정이 완료되면, 수신 노드(300)의 심볼 생성부(310)에서 심볼을 생성하여 주파수 응답 추정부(330)에 제공하는 S16 과정이 수행된다. 이 과정에서 생성되는 심볼은 송신 노드(200)의 심볼 생성부(210)에서 생성된 심볼과 동일한 심볼이 생성된다.
심볼 생성부(310)에서 생성된 심볼이 주파수 응답 추정부(330)에 제공되면, 평균화된 심볼과, 심볼 생성부(310)에서 제공된 심볼을 이용하여 채널 주파수 응답을 추정하는 S17 과정이 수행된다. 전술하였듯이, 본 실시예에 따른 주파수 응답 추정 과정은 최소 평균 자승 에러 선형 이퀄라이저(MMSE-LE; Minimum Mean Squared Error - Linear Equalizer)를 이용하여 채널 주파수 응답을 추정한다. 이를 수식과 함께 간략히 설명하면 다음과 같다.
수학식 1은 수신 노드(300)에 전송된 전송 패킷 즉, 심볼을 나타내는 모델이다.
Figure 112008010592380-PAT00001
수학식 1에서 r은 수신된 전송 패킷 즉, 무선 전송 과정을 통해 노이즈 등이 부가된 신호의 벡터(vector)를 나타내고, S는 송신 노드(200)에서 전송한 초기의 전송 패킷을 나타낸다. 또한, H는 채널 주파수 응답(이하, 주파수 응답)을 나타내는 파라미터로 L x 1 채널 행렬을 나타내며, w는 노이즈 벡터(
Figure 112008010592380-PAT00002
)를 나타낸다. 여기서, S는 하기의 수학식 2 와 M x L 행렬로 표현될 수 있다.
Figure 112008010592380-PAT00003
여기서, 표시되어 있지 않지만, N은 시간 도메인에서의 샘플 수로, 심볼의 총 길이(length)를 나타낸다. 그리고 L은 주파수 도메인에서 설정되는 샘플의 수를 나타내며, N을 기반으로 하여 N보다 작은 임의의 수로 설정된다. L을 설정하게 되 면, 슬라이딩 방식으로 L의 개수만큼 데이터를 스냅샷하게 되는데, M은 이때 생성되는 스냅샷의 수를 나타낸다. 이에 따라 M은 N-L+1로 결정된다.
주파수 응답 추정부(330)는 이러한 수학식 1로부터 주파수 응답인 H를 추정하기 위해 최소 평균 자승 에러 선형 이퀄라이저(MMSE-LE)를 이용한다. 주파수 응답 추정부(330)는 먼저 수학식 1의 양 변에 초기의 전송 패킷인 S의 수도 인버스(Pseudo-inverse)인 S +를 곱해준다. 여기서 S +는 S16 과정에서 심볼 생성부(310)에서 제공된 심볼을 이용하여 생성할 수 있다. 또한, S +는 MMSE 조건에 따라 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008010592380-PAT00004
이를 이용하여 수학식 1의 양 변에 S +를 곱하게 되면 다음의 수학식 4를 얻을 수 있다.
Figure 112008010592380-PAT00005
이러한 수학식 4를 통해 주파수 응답 추정부(330)는 주파수 응답인 H를 획득하게 된다.
다음으로, 주파수 응답인 H와 매트릭스 펜슬 알고리듬을 이용하여 지연 시간을 추정하는 S18 과정이 수행된다.
일반적으로 k 번째 주파수 샘플에 대해 추정된 채널 주파수 응답은 다음의 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112008010592380-PAT00006
여기서 L P 는 무선 채널에서 형성되는 다중 경로들의 개수를 나타내고, α l 은 각 경로들을 통해 수신되는 신호 세기를 나타낸다. 또한, τ l 은 다중 경로들의 시간 지연을 나타내며,
Figure 112008010592380-PAT00007
는 주파수 샘플링 간격을 나타낸다.
한편, 수학식 5와 같은 k 번째 주파수 샘플의 신호는 매트릭스 펜슬 알고리듬을 적용하기 위해 하기의 수학식 6과 같이 (N - P) x (P + 1)행렬로 표현될 수 있다.
Figure 112008010592380-PAT00008
여기서 P는 펜슬 파라미터(pencil parameter)를 나타낸다.
그리고 이로부터 (N - P) x P 행렬 X 0 , X 1 을 정의 한다. 이러한 X 0 , X 1 은 X의 처음과 마지막의 P 벡터로 이루어진다. X 0 , X 1 행렬은 다음의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008010592380-PAT00009
또한 X 0 와 X 1 은 하기의 수학식 8과 같이도 표현될 수 있다.
X 0 = Z 1 AZ 2 , X 1 = Z 1 AZ 0 Z 2
여기서, Z 1 과 Z 2 는 각각 다음 수학식 9와 같이 표현된다.
Figure 112008010592380-PAT00010
Figure 112008010592380-PAT00011
,
그리고 Z 0 와 A는 각각 z 1 … z M 과 α 1 … α M 의 대각 원소를 가지는 대각행렬이다.
이에, 수학식 10에 표현된 generalized eigenvalue decomposition을 통해 matrix pair [X 1 , X 0 ]의 일반화된 고유값(generalized eigenvalue)인 λ(= z Lp )를 구할 수 있다.
Figure 112008010592380-PAT00012
.
여기서 최대의 eigenvalue인 λ max = z Lp 이다.
또한, 수학식 5로부터 다음의 수학식 11을 도출할 수 있다.
Figure 112008010592380-PAT00013
이에 지연 시간 추정부(340)는 상기한 수학식 11로부터 최대의 eigenvalue(즉, z Lp )에서의 지연 시간인 τ Lp 를 산출한다. 이때 산출되는 지연 시간인 τ Lp 는 수신 노드(300)에 가장 빨리 수신된 전송 패킷의 지연 시간을 나타낸다.
이와 같은 과정을 통해 지연 시간을 추정하게 되면, 이어서 거리 산출부(350)는 S18 과정에서 추정된 지연 시간(τ Lp )을 기반으로 하여 송신 노드(200)와 수신 노드(300) 간의 거리를 산출하는 S19 과정을 수행한다. 거리를 산출하는 과정은 추정된 지연 시간(τ Lp )과 전송 패킷의 전송 속도를 기반으로 하여 산출될 수 있다.
이상의 본 실시예를 따라 제안된 매트릭스 펜슬을 이용하는 실내 측위 방법은 기존의 다른 알고리듬(예컨대, MUSIC 알고리듬 등)을 사용하여 TOA 추정을 하는 경우와 구별되는 효과를 갖는다. 도 3은 매트릭스 펜슬과 MUSIC의 복잡도를 비교하는 도면으로, 이를 참고하여 예를 들면, 매트릭스 펜슬의 경우 MUSIC 알고리듬보다 복잡도 면에서 이득이 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 매트릭스 펜슬을 이용하는 실내 측위 방법은 TOA 추정 성능 면에서 매우 작은 에러율을 갖는다. 도 4는 IEEE 802.15.4a의 CSS PHY에 대한 Ranging Error를 비교하는 그래프로, 가로 축은 SNR(dB)을 나타낸다. 도 4를 참조 하면, 매트릭스 펜슬이 다른 TOA 추정 기법에 비해 우수한 성능(작은 Ranging Error)을 보이고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 이러한 매트릭스 펜슬을 이용하여 지연 시간을 추정하므로, 기존의 방법들보다 정확한 지연 시간을 추정할 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 실내 측위 방법의 모의 실험 환경을 나타내는 도면이고, 도 5b는 도 5a에 기재된 환경에 따른 2-ray 채널 모델에서의 ranging 시간 에러를 나타내는 그래프이다. 도 5a 및 도 5b는 다중 경로(즉, 멀티 패스)가 2개(2-ray) 존재하는 것으로 가정한 경우를 나타내고 있다. 이를 참조하면, 본 발명은 신호대잡음비인 SNR이 15dB 이상일 때 1ns의 거리(즉, 약 30cm) 이하의 오류 범위(Ranging error)를 갖는 것을 알 수 있다. 이처럼 본 발명은 매우 작은 오류 범위를 가지므로, 위치 기반 어플리케이션이나 서비스 등의 핵심 기술로 유용하게 이용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 실내 측위 시스템 및 방법은 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이 가능하다.
예를 들어, 본 실시예에서는 실내에서 측위하는 방법과 시스템을 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 실외에서 측위하는 경우에 이용할 수도 이다.
또한, 본 실시예에서는 심볼을 형성하는 데에 처프(Chirp) 신호를 이용하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 심볼을 형성 할 수 있다면 다른 다양한 신호들을 이용할 수 있다.
더하여, 본 실시예에서는 전송 패킷에 8개의 심볼이 포함되는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 다양한 개수의 심볼을 포함시켜 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실내 측위 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실내 측위 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도.
도 3은 매트릭스 펜슬과 MUSIC의 복잡도를 비교하는 도면.
도 4는 IEEE 802.15.4a의 CSS PHY에 대한 Ranging Error를 비교하는 그래프.
도 5a는 본 발명에 따른 실내 측위 방법의 모의 실험 환경을 나타내는 도면.
도 5b는 도 5a에 기재된 환경에 따른 2-ray 채널 모델에서의 Ranging 시간 에러를 나타내는 그래프.

Claims (19)

  1. 송신 노드에서 다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출하는 송신 과정,
    수신 노드에서 상기 전송 패킷을 수신하는 수신 과정,
    상기 전송 패킷의 상기 심볼들과 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리듬을 이용하여 지연 시간을 산출하는 지연 시간 산출 과정, 및
    산출된 상기 지연 시간을 이용하여 상기 송신 노드와 상기 수신 노드 간의 거리를 산출하는 거리 산출 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 지연 시간 산출 과정은,
    상기 심볼들로부터 채널 주파수 응답을 추정하는 과정과,
    상기 주파수 응답과 상기 매트릭스 펜슬 알고리듬을 이용하여 상기 지연 시간을 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 채널 주파수 응답을 추정하는 과정은,
    상기 심볼들을 평균화하여 시간 다이버시티(Time Diversity) 이득을 획득하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 채널 주파수 응답을 추정하는 과정은,
    평균화된 상기 심볼에 선형 이퀄라이저를 적용하여 상기 채널 주파수 응답을 추정하는 과정인 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 선형 이퀄라이저는,
    최소 평균 자승 에러 선형 이퀄라이저(MMSE-LE; Minimum Mean Squared Error - Linear Equalizer)인 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 심볼들은,
    상기 전송 패킷의 프리앰블(Preamble) 구간에 포함되는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 심볼들은,
    처프(Chirp) 신호로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 송신 신호는,
    8개의 상기 심볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.
  9. 다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출하는 송신 노드, 및
    상기 전송 패킷을 수신하고, 상기 전송 패킷의 상기 심볼들과 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리듬을 이용하여 지연 시간을 추정하는 수신 노드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 수신 노드는,
    상기 심볼들로부터 채널 주파수 응답을 추정하는 주파수 응답 추정부와,
    상기 채널 주파수 응답과 상기 매트릭스 펜슬 알고리듬을 이용하여 상기 지연 시간을 추정하는 지연 시간 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 수신 노드는,
    상기 심볼들을 평균화하여 시간 다이버시티(Time Diversity) 이득을 획득하는 심볼 평균화부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 주파수 응답 추정부는,
    상기 심볼 평균화부를 통해 평균화된 상기 심볼에 선형 이퀄라이저를 적용하여 상기 채널 주파수 응답을 추정하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 선형 이퀄라이저는,
    최소 평균 자승 에러 선형 이퀄라이저(MMSE-LE; Minimum Mean Squared Error - Linear Equalizer)인 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 수신 노드는,
    상기 지연 시간 추정부로부터 전송되는 상기 지연 시간을 기반으로 하여 상기 송신 노드와의 거리를 산출하는 거리 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 송신 노드는,
    상기 심볼을 생성하는 심볼 생성부와,
    상기 심볼이 포함되는 상기 전송 패킷을 생성하는 패킷 생성부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 수신 노드는,
    상기 송신 노드의 상기 패킷 생성부와 동일한 상기 심볼을 생성하여 상기 주파수 응답 추정부에 제공하는 패킷 생성부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  17. 제 10 항에 있어서, 상기 심볼들은,
    상기 전송 패킷의 프리앰블 구간에 포함되는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 심볼들은,
    처프(Chirp) 신호로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 전송 패킷은,
    8개의 상기 심볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
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