KR20100010779A

KR20100010779A - 거리측정 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20100010779A
Application number: KR1020080071817A
Authority: KR
Inventors: 권대길; 조진웅; 임승옥; 이장연; 이현석; 원윤재
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2010-02-02
Also published as: KR101000790B1

Abstract

본 발명은 거리측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 무선 개인 영역 네트워크에서 표적 노드의 거리를 측정할 수 있도록 한 거리측정 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명은 노드간의 이격 거리를 측정하는 거리 측정 시스템에 있어서, 수신되는 거리측정 요청 메시지에 따른 거리측정 응답 메시지를 전송하는 적어도 하나의 표적 노드; 및 상기 거리측정 요청 메시지를 전송하여 수신되는 상기 거리측정 응답 메시지의 수신신호 세기에 따라 상기 표적 노드와의 이격거리가 기 설정된 임계 근거리 이하인가를 확인하고, 그 확인 결과에 따라 상기 수신신호 세기를 고려한 씨에스에스(CSS) 방식에서 발생되는 오차 보정여부를 결정하여 상기 이격 거리를 측정하는 적어도 하나의 기준 노드를 포함하는 거리측정 시스템 및 이를 통한 거리측정 방법을 제공함에 있다.

표적 노드, 기준 노드, CSS, TOA, RSSI, 거리 측정

Description

거리측정 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING DISTANCE}

본 발명은 거리측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 무선 개인 영역 네트워크에서 표적 노드의 거리를 측정할 수 있도록 한 거리측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.

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 위한 적어도 3개의 기준 노드들, 다수의 표적 노드들과 하나의 측위 장치를 포함한다.

측위 장치는 다수의 WPAN이 공유할 수 있으며, 주변의 위치정보와 기준 노드의 위치정보, 기준 노드들과 표적 노드들의 클럭오차에 대한 정보를 관리하며, 스스로 기준 노드로도 기능을 수행한다.

코디네이터는 WPAN을 관리하기 위한 것으로, 하나의 WPAN에는 하나의 코디네이터가 존재하며 WPAN 주파수 채널과 ID 관리, 표적 노드의 가입과 탈퇴 및 멤버정보 등을 관리한다. 이러한 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 거리를 측정하고자 하는 무선 노드로서, 하나의 WPAN에 다수의 표적 노드들이 존재하고 고정된 위치에 있거나 이동한다. 표적 노드는 일반적으로 사용할 수 있는 에너지가 제한되어 저전력으로 운용된다.

이러한 WPAN에서 표적 노드의 거리를 측정하는 방법은 도래시간(TOA; Time Of Arrival. 이하, "TOA"라 약칭함) 방법이 있다.

무선 환경의 데이터 전송기술과 무선매체의 특정속도를 이용하여 어떤 기준점에서 특정 물체와의 거리를 측정하기 위해서는 WPAN의 구성이 필요하다.

이때 WPAN의 형태는 주로 위치인식과 관련된 분야에서 가장 기본적으로 구성할 수 있는 네트워크 토폴로지 형태이며, 이러한 네트워크는 개인 활동 영역 내에서 동일한 무선 주파수 채널상에서 동작하고 있는 2개 이상의 노드가 존재할 때 구성된다.

이때 WPAN내의 모든 노드들은 RF의 수신세기인 RSSI값을 가지며, 각각의 기준 노드는 표적 노드와 서로 데이터를 송수신할 수 있으며, 이러한 네트워크를 구성하고 무선통신을 가능하게 하는 물리적 매체는 CSS(Chirp Spread Spectrum) 기술 을 사용한다.

일반적으로 CSS에서 거리 측정 방법은 2개의 노드 사이의 전파 도달시간을 측정하여 위치를 구하는 TOA 방법중 첨부된 도 1의 SDS-TWR(Symmetric Doubly-Side Two-way Ranging) 알고리즘을 사용한다.

SDS-TWR 알고리즘은 서로 동기가 맞지 않는 노드들 사이에서 데이터 패킷과 응답(Ack) 패킷을 상호 교환하면서 전파 도달시간(TOF: Time of Flight. 이하, "ToF"라 약칭함)을 측정하게 된다.

TOA에 해당하는 ToF는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

ToF = ((Tround A + Tround B) - (Treply B + Treply A))/4

이렇게 ToF를 추정한 경우 신호의 처음 도달 시간 추정, 카운터 정밀도, 크리스탈 오프셋(Crystal offset), 송수신시 내부 지연 문제 등으로 항상 일정한 오차가 발생한다.

이러한 오차로 인해 측정 거리가 멀어질수록 실제거리에 비해 상대적으로 거리오차의 값이 줄어들지만, 거리가 가까워질수록 상대적으로 거리 오차의 값이 커지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출한 것으로, 무선 개인 영역 네트워크에서 표적 노드의 거리를 정확하게 측정할 수 있도록 한 거리측정 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 기준노드로부터 표적노드간의 근거리 측정시에 거리오차를 최소화할 수 있도록 한 거리측정 시스템 및 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 거리측정 시스템은 노드간의 이격 거리를 측정하는 거리 측정 시스템에 있어서, 수신되는 거리측정 요청 메시지에 따른 거리측정 응답 메시지를 전송하는 적어도 하나의 표적 노드; 및 상기 거리측정 요청 메시지를 전송하여 수신되는 상기 거리측정 응답 메시지의 수신신호 세기에 따라 상기 표적 노드와의 이격거리가 기 설정된 임계 근거리 이하인가를 확인하고, 그 확인 결과에 따라 상기 수신신호 세기를 고려한 씨에스에스(CSS) 방식에서 발생되는 오차 보정여부를 결정하여 상기 이격 거리를 측정하는 적어도 하나의 기준 노드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 면에 따른 거리측정 시스템은 노드간의 이격 거리를 측정하는 거리 측정 시스템에 있어서, 수신되는 거리측정 요청 메시지에 따른 거리측정 응답 메시지를 전송하는 적어도 하나의 표적 노드; 상기 거리측정 요청 메시지를 전송하고, 상기 거리측정 응답 메시지를 수신하는 적어도 하나의 기준 노드; 및 상 기 거리측정 요청 메시지와 상기 거리측정 응답 메시지를 청취하여 상기 거리측정 응답 메시지의 수신신호 세기에 따라 상기 이격거리가 기 설정된 임계 근거리 이하인가를 확인하고, 그 확인 결과에 따라 상기 수신신호 세기를 고려한 씨에스에스(CSS) 방식에서 발생되는 오차 보정여부를 결정하여 상기 이격 거리를 측정하는 거리측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 면에 따른 거리측정 방법은 노드간의 이격 거리를 측정하는 방법에 있어서, 전송한 거리측정 요청 메시지에 따른 거리측정 응답 메시지를 표적 노드로부터부터 수신하는 단계; 상기 수신된 거리측정 응답메시지의 수신신호 세기에 따라 상기 표적 노드와의 이격 거리가 기 설정된 임계 근거리 이하인가를 확인하는 단계; 및 상기 확인결과 상기 임계 근거리 이하이면, 상기 수신신호 세기를 고려하여 씨에스에스(CSS) 방식에서 발생되는 오차를 보정해서 상기 이격 거리를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제 해결 수단에 의해 본 발명은 무선 개인 영역 네트워크에서 기준 노드와 표적 노드간의 이격 거리 측정시, 근거리일 경우 CSS방식에 의해 획득된 거리에 RSSI값을 고려하여 이격 거리를 계산함으로써, 근거리에서 발생되는 거리 오차를 최소화하여 정확한 이격 거리를 측정할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설 명한다.

하기의 설명에서 본 발명의 거리측정 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 2는 본 발명의 실시예에 따른 거리측정 시스템을 설명하기 위한 보인 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 거리측정 시스템(20)은 표적 노드(10)와, 기준 노드(20)를 포함하여 구성된다.

표적 노드(10)는 거리를 측정하고자 하는 특정 노드가 된다. 또한 표적 노드(21)는 거리측정 요청 메시지를 수신하고, 그 거리측정 요청 메시지에 따른 거리측정 응답 메시지를 기준 노드(20)로 전송한다.

기준 노드(20)는 거리측정 요청 메시지의 전송시간과 거리측정 응답 메시지를 수신한 시간 및 기준 노드의 위치를 이용하는 CSS 기술을 통해 표적 노드(10)와의 이격 거리를 측정한다. 이때 기준 노드(20)에는 RSSI값에 대응하는 거리로 매핑된 룩업 테이블이 기 등록되어 있어, 수신되는 거리측정 응답 메시지에 따른 RSSI값에 매핑되는 거리가 기 설정된 임계 근거리 이하이면, 근거리라고 인식하여 RSSI값과 CSS방식을 이용하여 기준 노드(20)와 표적 노드(10)간의 이격 거리를 측정한다. 그러나 기 설정된 임계 근거리 이상이면, CSS방식을 이용하여 기준노드(20)와 표적 노드(10)간의 이격 거리를 측정한다.

또한 기준 노드(20)는 RSSI값에 매핑되는 거리가 'O'인 경우에는 표준 노드(10)와의 이격 거리를 '0'으로 인식한다.

도 3은 도 2에 있어, 기준 노드의 내부 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 기준 노드(20)는 무선 통신부(21)와, 메모리(23)와, 제어부(25)를 포함하여 구성된다.

무선 통신부(21)는 거리측정 요청 메시지를 무선으로 송신하고, 그에 따른 거리측정 응답 메시지를 무선으로 수신한다. 여기서 무선 통신부(21)는 송신되는 거리측정 요청메시지에 대한 신호의 주파수를 상승변환 및 증폭하는 RF송신기(미도시)와, 수신되는 거리측정 응답 메시지에 대한 신호를 저잡음 증폭하고 주파수를 하강변환하는 RF수신기(미도시)와, 송신되는 신호를 부호화 및 변조하며 상기 수신되는 신호를 복조 및 복호화하는 코덱(미도시)으로 구성될 수 있다.

메모리(23)는 표적 노드(10)와의 이격 거리를 측정하도록 하는 프로그램들이 저장된다. 또한 메모리(23)는 이격 거리의 측정을 수행하는 중에 발생되는 데이터들을 일시 저장하는 기능을 수행한다. 또한 메모리(23)는 도 4와 같은 RSSI값에 대응하는 거리 정보로 매핑된 룩업 테이블이 기 등록되어 있다.

제어부(25)는 RSSI값에 대응하는 거리를 메모리(23)로부터 독출하여 임계 근거리의 대소를 비교하고, 그 비교결과에 따라 이격 거리를 연산하여 측정하는 전반적인 동작을 제어한다.

여기서 제어부(25)는 도 5에 도시된 바와 같이 RSSI값에 대응하는 거리를 독출하는 독출부(25a)와, 독출된 거리와 임계 근거리의 대소를 비교하는 비교부(25b) 와, 대소 비교결과, 독출된 거리가 임계 근거리 이하이면, 오차가 발생할 수 있는 근거리로 판단하여 독출된 거리와 CSS 방식에 의해 획득한 거리를 이용하여 이격 거리를 연산하고, 독출된 거리가 임계 근거리 이하가 아니면, CSS 방식으로 이격 거리를 연산하는 거리 연산부(25c)를 포함하여 이격 거리를 측정한다.

이때 거리 연산부(25c)는 아래의 수학식 2를 통해 오차가 보정된 거리를 산출한다.

보정된 거리 = (CSS 거리 × W1) + (RSSI값과 매핑된 거리 × W2)

이때 W1(제1 가중치) + W2(제2 가중치) = 1의 조건을 갖는다. 이는 일예의 2m이하의 근거리에서 RSSI값에 매핑된 거리에 W2(예컨대, 0.8)를 더 많이 부여하고, CSS방식의 거리에 W1(예컨대, 0.2)를 적게 부여하는 방식으로 보정된 값을 산출한다.

한편, 본 발명에 따른 거리측정 시스템은 앞서 기술한 구성을 통해 이격 거리를 측정할 수도 있지만, 거리 측정 장치를 추가한 구성을 통해서 표적 노드(10)와 기준 노드(20)간의 이격 거리를 측정할 수 있다.

즉, 본 발명의 다른 실시예로서 거리측정 시스템은 수신되는 거리측정 요청 메시지에 따른 거리측정 응답 메시지를 전송하는 적어도 하나의 표적 노드와, 거리측정 요청 메시지를 전송하고, 거리측정 응답 메시지를 수신하는 적어도 하나의 기준 노드와, 거리측정 요청 메시지와 거리측정 응답 메시지를 청취하여 거리측정 응답 메시지의 RSSI값에 따라 이격거리가 기 설정된 임계 근거리 이하인가를 확인하 고, 그 확인 결과에 따라 RSSI값을 고려하여 CSS방식에서 발생되는 오차를 보정하여 이격 거리를 측정하는 거리측정 장치를 포함한다.

도 6은 본 발명의 거리측정 방법을 보인 흐름도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 기준 노드(20)가 표적 노드(10)에게 거리측정 요청 메시지를 전송한다(S610).

그러면 표적 노드(10)는 거리측정 요청 메시지를 수신한 이후에 기준 노드(20)에게 거리측정 응답 메시지를 전송한다(S620).

기준 노드(20)는 거리측정 응답 메시지가 수신되는지를 감지하고(S630), 감지 결과 거리측정 응답메시지가 수신되지 않으면, 단계(S610)로 복귀하여 전술한 과정을 반복수행한다.

그러나 거리측정 응답 메시지가 수신되면, 기준 노드(20)는 거리측정 응답메시지의 RSSI값을 측정하고(S640), 그 측정된 RSSI값에 매핑된 거리가 '0'인가를 판단한다(S650).

판단결과 '0'이면, 기준 노드(20)는 표준 노드(10)와의 이격거리가 '0'이라고 인식한다(S660).

그러나, 판단결과 '0'이 아니면, 측정된 RSSI값에 매핑된 거리가 임계 근거리 이하인가를 판단한다(S670).

판단결과 임계 근거리 이하이면, 기준 노드(20)는 CSS방식에 의해 획득된 거리에 제1 가중치를 곱셈 연산하여 획득되는 제1 결과값과 독출된 거리에 제2 가중치를 곱셈 연산하여 획득되는 제2 결과값을 가산하여 이격 거리를 측정한다(S680).

여기서 제1 가중치는 제2 가중치보다 작으며, 제1, 제2 가중치의 합은 1이 된다.

그러나, 판단결과 측정된 RSSI값에 매핑된 거리가 임계 근거리를 초과하면, 기준 노드(20)는 CSS방식으로 이격 거리를 측정한다(S655).

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 CSS방식을 통해 거리를 측정하는 방법을 설명하기 위한 예시도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 거리측정 시스템을 설명하기 위한 보인 구성도.

도 3은 도 2에 있어, 기준 노드의 내부 구성도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 RSSI값에 대응하는 거리 정보 매핑된 룩업 테이블을 보인 예시도.

도 5는 도 3에 있어, 제어부의 내부 구성도.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 거리측정 방법을 보인 흐름도.

Claims

노드간의 이격 거리를 측정하는 거리 측정 시스템에 있어서,

수신되는 거리측정 요청 메시지에 따른 거리측정 응답 메시지를 전송하는 적어도 하나의 표적 노드; 및

상기 거리측정 요청 메시지를 전송하여 수신되는 상기 거리측정 응답 메시지의 수신신호 세기에 따라 상기 표적 노드와의 이격거리가 기 설정된 임계 근거리 이하인가를 확인하고, 그 확인 결과에 따라 상기 수신신호 세기를 고려한 씨에스에스(CSS) 방식에서 발생되는 오차 보정여부를 결정하여 상기 이격 거리를 측정하는 적어도 하나의 기준 노드

를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 기준 노드는,

상기 거리측정 응답 메시지의 신호에 따른 수신신호 세기를 확인하는 알에스에스아이(RSSI)값 확인부;

상기 수신신호 세기에 대응하는 거리 정보로 매핑된 룩업 테이블이 기 등록되는 메모리;

상기 수신신호 세기에 대응하는 거리를 독출하여 상기 임계 근거리의 대소를 비교하고, 그 비교결과에 따라 상기 이격 거리를 연산하여 측정하는 제어부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
제2 항에 있어서, 상기 제어부는,

상기 수신신호 세기에 대응하는 거리를 독출하는 독출부;

상기 독출된 거리와 상기 임계 근거리의 대소를 비교하는 비교부; 및

상기 대소 비교결과, 상기 독출된 거리가 상기 임계 근거리 이하이면, 상기 독출된 거리와 상기 씨에스에스 방식에 의해 획득한 거리를 이용하여 상기 이격 거리를 연산하고, 상기 독출된 거리가 상기 임계 근거리를 초과하면, 상기 씨에스에스 방식으로 상기 이격 거리를 연산하는 거리 연산부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 거리 연산부는,

상기 씨에스에스 방식에 의해 획득된 거리에 제1 가중치를 곱셈 연산한 결과값과, 상기 독출된 거리에 제2 가중치를 곱셈 연산한 결과값을 가산하여 거리 오차를 보정한 상기 이격 거리를 출력하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
제4 항에 있어서, 상기 제1,제2 가중치의 합이 1이 되고, 상기 제1 가중치가 제2 가중치보다 작은 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
노드간의 이격 거리를 측정하는 거리 측정 시스템에 있어서,

수신되는 거리측정 요청 메시지에 따른 거리측정 응답 메시지를 전송하는 적 어도 하나의 표적 노드;

상기 거리측정 요청 메시지를 전송하고, 상기 거리측정 응답 메시지를 수신하는 적어도 하나의 기준 노드; 및

상기 거리측정 요청 메시지와 상기 거리측정 응답 메시지를 청취하여 상기 거리측정 응답 메시지의 수신신호 세기에 따라 상기 이격거리가 기 설정된 임계 근거리 이하인가를 확인하고, 그 확인 결과에 따라 상기 수신신호 세기를 고려한 씨에스에스(CSS) 방식에서 발생되는 오차 보정여부를 결정하여 상기 이격 거리를 측정하는 거리측정 장치

를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
제6 항에 있어서, 상기 거리측정 장치는,

상기 거리측정 응답 메시지의 신호에 따른 수신신호 세기를 확인하는 알에스에스아이(RSSI)값 확인부;

상기 수신신호 세기에 대응하는 거리 정보로 매핑된 룩업 테이블이 기 등록되는 메모리;

상기 수신신호 세기에 대응하는 거리를 독출하는 독출부;

상기 독출된 거리와 상기 임계 근거리의 대소를 비교하는 비교부; 및

상기 대소 비교결과, 상기 독출된 거리가 상기 임계 근거리 이상이면, 상기 씨에스에스 방식으로 상기 이격 거리를 연산하고, 상기 임계 근거리 이하이면, 상기 독출된 거리와 상기 씨에스에스 방식에 의해 획득한 거리를 이용하여 상기 이격 거리를 연산하는 거리 연산부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정 시스템.
노드간의 이격 거리를 측정하는 방법에 있어서,

전송한 거리측정 요청 메시지에 따른 거리측정 응답 메시지를 표적 노드로부터부터 수신하는 단계;

상기 수신된 거리측정 응답메시지의 수신신호 세기에 따라 상기 표적 노드와의 이격 거리가 기 설정된 임계 근거리 이하인가를 확인하는 단계; 및

상기 확인결과 상기 임계 근거리 이하이면, 상기 수신신호 세기를 고려한 씨에스에스(CSS) 방식에서 발생되는 오차 보정여부를 결정하여 상기 이격 거리를 측정하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법.
제8 항에 있어서, 상기 임계 근거리 이하인가를 확인하는 단계는,

상기 수신신호 세기에 대응하는 거리를 독출하는 단계; 및

상기 독출된 거리와 상기 임계 근거리의 대소를 비교하는 단계를 더 포함하여 상기 임계 근거리 이하인가를 확인하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법.
제9 항에 있어서, 상기 이격 거리를 측정하는 단계는,

상기 씨에스에스 방식에 의해 획득된 거리에 제1 가중치를 곱셈 연산하여 제 1 결과값을 획득하는 단계;

상기 독출된 거리에 상기 제1 가중치보다 큰 제2 가중치를 곱셈 연산하여 제2 결과값을 획득하는 단계; 및

상기 제1, 제2 결과값을 가산하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법.
제9 항에 있어서, 상기 확인결과 상기 임계 근거리 이하이며, 상기 독출된 수신신호 세기에 대응하는 거리가 '0'이면, 상기 이격거리를 '0'으로 인식하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법.
제8 항에 있어서, 상기 수신신호 세기에 대응하는 거리 정보로 매핑된 룩업 테이블이 기 등록되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법.
제8 항에 있어서, 상기 확인결과 상기 임계 근거리를 초과하면, 씨에스에스 방식을 이용하여 상기 이격 거리를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법.