KR20100041317A - 대칭형 양방향 거리 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대칭형 양방향 거리 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 모바일 노드가 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 소정의 고정 노드로 전송하면, 고정 노드가 일정한 시간 간격을 두고 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 전송하고, 이에 대해 모바일 노드가 하나의 회신(ACK) 패킷으로 회신을 한다. 이때, 고정 노드는 자신이 측정한 고정 노드 응답 시간 및 고정 노드 왕복 시간과 모바일 노드가 전송한 모바일 노드 응답 시간 및 모바일 노드 왕복 시간을 이용하여 모바일 노드와의 거리를 측정한 후, 위치 측정 서버로 전달함으로써, 거리 측정에 사용되는 패킷의 개수를 줄이고, 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템 및 방법이 개시된다.
위치 추적, 거리 측정, 레인징, 양방향, 대칭형

Description

대칭형 양방향 거리 측정 시스템 및 방법{ Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging System and Method }
본 발명은 위치 추적 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모바일 노드의 거리 측정 요청 패킷에 대해 고정 노드가 일정한 간격으로 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청 패킷을 전송함으로써, 모바일 노드와 고정 노드 사이의 거리 측정에 걸리는 시간을 최소화하고 거리 측정의 정확도를 높이는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
이동 통신 기기의 물리적 위치를 신속하고 정확하게 결정하는 위치 추적 기술은 다양한 응용 분야에서 널리 사용된다.
즉, 위치 추적 시스템은 건물 내부 또는 외부에 있는 사람 예를 들어, 전술 작전 중인 경찰, 불타는 건물의 내부 또는 근방에 위치한 소방관, 병원에서 의사 및 간호사, 구조나 수색 작전에 참가한 사람, 놀이 공원 또는 유원지에서 어린이 등의 위치를 추적하는데 유용하게 사용된다.
또한, 위치 추적 기술을 이용하면 고가의 물건 예를 들어, PC, 노트북 컴퓨 터, 휴대용 전자 장치, 수하 물, 여행 가방 또는 도난 차량 등을 추적하여 그 위치를 파악할 수 있다.
위치 추적 시스템에서 모바일 노드의 위치를 추정하기 위해서는 해당 모바일 노드와 세 개 이상의 고정 노드 사이의 거리를 알아야 한다.
이때, 모바일 노드와 고정 노드 사이의 거리를 측정하는 방법으로는, 모바일 노드 및 고정 노드 사이에서 전달되는 신호의 경로 손실을 이용하는 방법과, 모바일 노드 및 고정 노드 사이에서 신호가 이동하는데 걸리는 시간을 이용하는 방법이 있다. 즉, 두 노드 사이의 경로 손실이나 이동 시간을 측정하여 두 노드 사이의 거리를 측정하게 된다.
여기서, 두 노드 사이의 경로 손실을 측정하는 방법은 기술적으로는 구현하기 쉬우나, 전파 간섭에 민감하여 오차 가능성이 크며, 특히 장비들 사이의 거리가 멀수록 오차의 가능성이 더욱 커진다는 단점이 있다.
한편, 두 노드 사이의 신호의 이동 시간을 이용하여 거리를 측정하는 방법은, 두 노드 사이를 편도로 이동하는 신호를 이용하느냐 혹은 왕복으로 이동하는 신호를 이용하느냐에 따라 단방향 거리 측정(One-Way Ranging) 방식과 양방향 거리 측정(Two-Way Ranging) 방식으로 구분할 수 있다.
또한, 두 노드 사이의 신호의 이동 시간을 이용하여 거리를 측정하는 방법은거리 측정이 어느 한쪽 노드에서만 이루어지느냐 또는 두 노드 모두에서 이루어지느냐에 따라 비대칭적 방식과 대칭적 방식으로 구분할 수 있다.
일반적으로, 단방향 거리 측정 방식은 비대칭적으로 사용되며, 양방향 거리 측정 방식은 비대칭적일 수도 있지만 대부분 대칭적으로 사용되는 경우가 많다.
단방향 거리 측정 방식은 각 노드들 사이의 동기가 제공되는 시스템에서, 한 노드가 거리 측정을 위한 패킷을 전송하면 다른 노드가 그 패킷을 수신하고, 패킷을 수신한 시간 및 패킷에 기록되어 있는 패킷의 전송 시간을 이용하여 두 노드 사이의 이동 시간을 측정하며, 이를 이용하여 두 노드 사이의 거리를 계산한다.
단방향 거리 측정 방식의 경우, 모바일 노드가 전송한 거리 측정 요청 패킷을 수신하는 모든 고정 노드에서 동시에 거리 측정이 이루어지고, 거리 측정을 위해 모바일 노드가 하나의 패킷만을 전송하면 되므로 거리 측정에 걸리는 시간이 짧다는 장점이 있다.
그러나, 단방향 거리 측정 방식은 거리 측정이 두 노드 간에 비대칭적으로 이루어지므로, 거리 측정을 위해 모든 노드에 대해 시간 동기를 맞추어야하는 어려움이 있다.
또한, 동기를 정확하게 맞추기 위해 비싼 오실레이터(Oscillator)를 사용해야 하므로, 저가의 센서 네트워크 장치를 개발하는데 적합하지 않으며, 동기 신호가 도달하는 범위 내에서만 사용할 수 있으므로 확장성에 제약이 있다는 단점이 있다.
반면에, 양방향 거리 측정 방식에서는 모바일 노드가 소정의 고정 노드에 대해 거리 측정 요청 패킷을 전송하면, 상기 고정 노드는 거리 측정 요청 패킷을 수신하고 이에 대한 회신을 한다.
이때, 모바일 노드는 상기 고정 노드로부터 회신 패킷을 수신하고, 패킷이 두 노드 사이를 왕복하는데 걸린 시간을 측정한 후, 이를 이용하여 두 노드 사이의 거리를 계산한다.
양방향 거리 측정 방식은 두 노드 사이에서 패킷의 이동 시간을 측정하기 위해, 거리 측정 요청 패킷을 전송하는 노드가 자신의 클럭 정보를 이용하기 때문에, 각 노드들 사이에 시간 동기를 맞출 필요가 없다는 장점이 있다.
양방향 거리 측정 방식은 비대칭적일 수도 있고, 대칭적일 수도 있다. 즉, 어느 한쪽 노드에서만 거리 측정 요청을 할 수도 있고, 양쪽 노드 모두에서 거리 측정 요청을 할 수도 있다. 그러나, 비대칭적인 경우, 클럭 표류(Clock Drift)나 클럭 옵셋(Clock Offset)의 영향에 의해 거리 측정 오차가 커질 수 있어, 주로 대칭적 거리 측정 방식이 많이 사용된다.
대칭적 거리 측정 방식의 경우, 모바일 노드뿐만 아니라 고정 노드도 거리 측정 요청을 하게 되는데, 이때 고정 노드가 별도의 거리 측정 요청 패킷을 모바일 노드로 전송할 수 있으나, 모바일 노드의 거리 측정 요청 패킷에 대한 회신 패킷을 거리 측정 요청 패킷으로 사용할 수도 있다.
그리고 모바일 노드가 상기 고정 노드의 거리 측정 요청 패킷에 대해 회신 패킷을 전송함으로써, 양쪽 노드 모두에서 거리 측정이 이루어지도록 한다.
이러한 대칭적 양방향 거리 측정 방식의 대표적인 예가 IEEE 802.15.4a 표준에 명시된 SDS-TWR(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging) 방법이다.
그러나 SDS-TWR 방식에 의해 모바일 노드의 위치를 계산하기 위해서는 많은 시간이 필요한데, 이는 모바일 노드의 전력 소모를 늘려 배터리 수명을 단축시키는 문제를 야기한다.
즉, 모바일 노드의 위치 추적을 위해서는 고정 노드와의 거리를 측정하기 위해 여러 개의 패킷을 교환해야 하고, 세 개 이상의 고정 노드와 순차적으로 거리 측정을 해야 하므로, 거리 측정을 하는데 많은 시간이 소요되고, 그로 인해 모바일 노드의 배터리 소모량이 많아지게 되는 문제점이 있다.
또한, 거리 측정 결과의 안정성 및 정확도를 높이기 위해 거리 측정 과정을 수 차례 반복하는 경우, 더 많은 시간이 소요된다.
따라서, 거리 측정에 소요되는 시간을 최소화하여 배터리 소모량을 줄임과 동시에 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 거리 측정 시스템 및 방법의 개발이 요구된다.
본 발명의 목적은 거리 측정에 소요되는 시간을 최소화하여 모바일 노드의 배터리 소모량을 줄일 수 있는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 거리 측정에 소요되는 시간을 최소화함과 동시에 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 대칭형 양방향 거리 측정 시스템의 바람직한 실시예는, 소정의 고정 노드로 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 전송하는 모바일 노드와, 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷에 대해 일정한 시간 간격을 두고 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 전송하는 고정 노드로 이루어지고, 상기 고정 노드는 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷 및 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 이용하여 상기 모바일 노드와의 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 모바일 노드는, 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷에 대해 하나의 회신(ACK) 패킷으로 회신하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 고정 노드는 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 수신한 시간부터 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 각각 전송하기까지의 고정 노드 응답 시간을 측정하여 기록하고, 상기 모바일 노드는 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 전송한 시간부터 상기 각각의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신하기까지의 모바일 노드 왕복 시간을 측정하여 기록하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모바일 노드는 상기 각각의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신한 시간부터 상기 회신(ACK) 패킷을 전송하기까지의 모바일 노드 응답 시간을 측정하여 기록하고, 상기 고정 노드는 상기 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 각각 전송한 시간부터 상기 회신(ACK) 패킷을 수신하기까지의 고정 노드 왕복 시간을 측정하여 기록하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모바일 노드는, 상기 모바일 노드 왕복 시간 및 상기 모바일 노드 응답 시간을 상기 회신(ACK) 패킷에 기록하여 전송하거나, 별도의 데이터 패킷에 기록하여 상기 고정 노드로 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정 노드는 측정한 고정 노드 응답 시간 및 고정 노드 왕복 시간과 상기 모바일 노드가 전송한 모바일 노드 응답 시간 및 모바일 노드 왕복 시간을 이용하여 상기 모바일 노드와의 거리를 측정한 후, 상기 측정한 모바일 노드와의 거리 값을 유선 또는 무선으로 연결된 위치 측정 서버로 전달하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 대칭형 양방향 거리 측정 방법의 바람직한 실시예는, (A) 모바일 노드가 소정의 고정 노드로 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 전송하는 단계와, (B) 상기 고정 노드가 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷에 대해 일정한 시간 간격을 두고 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 전송하는 단계와, (C) 상기 모바일 노드가 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷에 대해 하나의 회신(ACK) 패킷으로 회신하는 단계와, (D) 상기 고정 노드가 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷, 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷 및 상기 회신(ACK) 패킷을 이용하여 상기 모바일 노드와의 거리를 측정하는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 (B) 단계에서, 상기 고정 노드는 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 수신한 시간부터 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 각각 전송하기까지의 고정 노드 응답 시간을 측정하여 기록하고, 상기 모바일 노드는 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 전송한 시간부터 상기 각각의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신하기까지의 모바일 노드 왕복 시간을 측정하여 기록하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (C) 단계에서, 상기 모바일 노드는 상기 각각의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신한 시간부터 상기 회신(ACK) 패킷을 전송하기까지의 모바일 노드 응답 시간을 측정하여 기록하고, 상기 고정 노드는 상기 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 각각 전송한 시간부터 상기 회신(ACK) 패킷을 수신하기까지의 고정 노드 왕복 시간을 측정하여 기록하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모바일 노드는, 상기 모바일 노드 왕복 시간 및 상기 모바일 노드 응답 시간을 상기 회신(ACK) 패킷에 기록하여 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (C) 단계 이후에, 상기 모바일 노드는 상기 모바일 노드 왕복 시간 및 상기 모바일 노드 응답 시간을 별도의 데이터 패킷에 기록하여 상기 고정 노드로 전송하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (D) 단계에서, 상기 고정 노드는 측정한 고정 노드 응답 시간 및 고정 노드 왕복 시간과 상기 모바일 노드가 전송한 모바일 노드 응답 시간 및 모바일 노드 왕복 시간을 이용하여 상기 모바일 노드와의 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (D) 단계 이후에, 상기 고정 노드는 상기 측정한 모바일 노드와의 거리 값을 유선 또는 무선으로 연결된 위치 측정 서버로 전달하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 거리 측정을 위해 모바일 노드와 고정 노드 사이에 교환하는 패킷의 개수를 줄임으로써, 거리 측정에 소요되는 시간을 줄일 수 있으며, 그로 인해 모바일 노드가 레인징을 위해 액티브(Active) 상태에 있어야 하는 시간을 최소화할 수 있고, 모바일 노드의 배터리 소모량을 줄일 수 있다.
그리고, 거리 측정을 위해 모바일 노드와 고정 노드 사이에 교환하는 패킷의 개수를 줄이면서도 거리 측정의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 거리 측정에 소요되는 시간을 최소화함으로써, 특정한 시간 동안 단일 고정 노드가 지원할 수 있는 모바일 노드의 수를 늘려 여러 개의 모바일 노드의 위치를 실시간으로 추적할 수 있도록 해준다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 대칭형 양방향 거리 측정 시스템 및 방법의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
일반적으로, 위치 추적 시스템에서 안정적인 거리 측정 결과를 얻기 위해서는 레인징 프로세스(Ranging Process)를 수차례 수행하게 된다.
즉, 단방향 거리 측정(One-Way Ranging)에 의하든 또는 양방향 거리 측정(Two-Way Ranging)에 의하든 간에, 다중 경로에 의한 신호 전달, 동일 주파수 대역을 사용하는 장치들 간의 간섭 등과 같은 전파 환경의 불안정성 때문에, 레인징 프로세스를 수차례 수행하여 거리 측정의 정확도를 높이게 된다.
그러나, 레인징 프로세스를 수차례 반복하여 수행하는 것은 레인징 시간을 길게 만들어서 모바일 노드들이 액티브(Active) 상태에 있는 시간을 길게 한다. 이는 결과적으로 배터리 소모량을 늘려서 모바일 노드의 수명을 짧게 만들 뿐만 아니라, 고정 노드가 지원할 수 있는 모바일 노드의 최대 개수를 제한하게 된다.
따라서, 본 발명은 레인징 프로세스를 수차례 반복하는 대신, 모바일 노드의 거리 측정 요구(REQ) 패킷에 대해 고정 노드가 일정한 시간 간격을 두고 여러 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK + REQ) 패킷을 전송함으로써, 한 번의 레인징 프로세스를 통해 기존의 방식에서 레인징 프로세스를 수차례 반복하는 것과 같은 효과를 얻도록 한다.
거리 측정에 있어서, 거리 측정에 소요되는 시간은 거리 측정을 위한 레인징 프로토콜의 구조 및 거리 측정 시스템의 성능에 의해 결정된다.
여기서, 레인징 프로토콜의 구조는 거리 측정을 위해 주고받는 패킷의 개수, 패킷의 길이, 데이터 전송 속도(Data Rate), 패킷 사이의 경계 시간(Guard Time)의 길이와 개수 등에 의해 결정된다.
그러나, 거리 측정을 위해 주고받는 패킷의 길이, 데이터 전송 속도, 패킷 사이의 경계 시간의 길이는 거리 측정 시스템의 구조적 특성 및 RF 시스템의 물리적 특성에 의해 결정된다.
반면에, 거리 측정을 위해 주고받는 패킷의 개수는 레인징 프로토콜의 구조 및 반복 횟수에 의해 결정되며, 패킷 사이의 경계 시간의 개수는 거리 측정을 위해 주고받는 패킷의 개수 및 레인징 프로토콜의 반복 횟수에 의해 결정된다.
따라서, 거리 측정 시스템의 성능 및 RF 시스템의 물리적 환경이 일정하다고 가정하면, 거리 측정을 위해 주고받는 패킷의 개수를 최소화하는 것이 거리 측정에 소요되는 시간을 최소화하는 방안이 된다.
그러므로, 본 발명에서는 거리 측정의 정확도를 향상시킴과 동시에 거리 측정에 소요되는 시간을 최소화하기 위해, 모바일 노드의 거리 측정 요청(REQ) 패킷에 대해 고정 노드가 일정 시간 간격으로 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 전송한다.
그리고, 모바일 노드는 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷에 대해 하나의 회신(ACK) 패킷을 전송하면서 상기 회신(ACK) 패킷에 자신이 측정한 모바일 노드 왕복 시간 및 응답 시간을 기록하여 전송한다.
그 후, 고정 노드는 자신이 측정한 고정 노드 응답 시간 및 왕복 시간과 상기 모바일 노드로부터 전송받은 모바일 노드 왕복 시간 및 응답 시간을 이용하여 두 노드 사이의 거리를 계산한 후, 위치 측정 서버로 전달한다.
이하에서는, 이러한 방식을 SDS-TWR-MA(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging with Multiple ACKs)라고 한다.
한편, 고정 노드 측에서 먼저 거리 측정 요청 패킷(REQ)을 전송함으로써 레인징 프로세스를 시작하는 방법도 가능하다. 즉, 고정 노드가 거리 측정 요청 패킷(REQ)을 모바일 노드로 전송하고, 이에 대해 모바일 노드가 복수 개의 회신 겸 거리 요청(ACK+REQ) 패킷을 전송하여 응답하는 방법도 가능하다.
그러나, 이 경우 모바일 노드에서 복수 개의 회신 겸 거리 요청 패킷을 전송해야 하고, 모바일 노드에서 측정한 응답 시간 및 왕복 시간을 고정 노드로 전송하기 위해 별도의 패킷을 이용해야 하며, 모바일 노드에서 두 노드 사이의 거리를 계산한 후, 위치 측정 서버로 전송하기 위해 별도의 패킷을 또 사용해야한다.
즉, 고정 노드 측에서 먼저 레인징 프로세스를 시작하는 방법은 앞서 설명한 모바일 노드 측에서 레인징 프로세스를 시작하는 방법보다 더 많은 패킷을 사용해야 하는데, 이 경우 모바일 노드의 배터리 소모량이 더욱 늘어난다는 단점이 있다.
또한, 고정 노드가 먼저 레인징 프로세스를 시작하는 경우, 여러 모바일 노드에 대해 서로 다른 위치 정보 전송 주기를 설정하는 것이 매우 어려우므로, 여기서는 모바일 노드가 레인징 프로세스를 시작하는 경우에 대해서만 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 SDS-TWR-MA의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 먼저 모바일 노드(100)가 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 고정 노드(200)로 전송한다. 이때, 모바일 노드(100)는 타이머를 가동시켜 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 전송한 시간을 기록한다.
그리고 고정 노드(200)는 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 수신한 순간 타이머를 가동시킨 후, 기 설정된 시간 간격으로 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 모바일 노드(100)로 전송한다.
상기 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷은 모바일 노드(100)의 거리 측정 요청에 대한 회신 기능 및 모바일 노드(100)에 대한 거리 측정 요청 기능을 함께 수행한다.
이때, 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 전송하는 시간 간격은 고정 노드(200)가 전송하는 패킷의 개수, 길이, 패킷 처리 속도, 두 노드 사이의 최대 거리 등을 감안하여 미리 결정된다.
여기서, 고정 노드(200)는 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 수신한 시간부터 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 각각 전송하기까지의 고정 노드 응답 시간(treplyB1 ~ Bn)을 측정하여 기록한다.
다음으로, 모바일 노드(100)는 고정 노드(200)가 전송한 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신한 후, 자신이 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 전송한 시간부터 각각의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신하기까지의 모바일 노드 왕복 시간(troundA1 ~ An)을 측정하여 기록한다.
그 후, 모바일 노드(100)는 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷에 대해 하나의 회신(ACK) 패킷을 이용하여 회신한다.
여기서, 모바일 노드(100)는 각각의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신한 시간부터 상기 회신(ACK) 패킷을 전송하기까지의 모바일 노드 응답 시간(treplyA1 ~ An)을 측정하여 기록한다.
이때, 모바일 노드(100)는 자신이 측정한 각각의 모바일 노드 왕복 시 간(troundA1 ~ An) 및 모바일 노드 응답 시간(treplyA1 ~ An)을 상기 회신(ACK) 패킷에 기록하여 전송한다.
또한, 모바일 노드(100)는 상기 각각의 모바일 노드 왕복 시간(troundA1 ~ An) 및 모바일 노드 응답 시간(treplyA1 ~ An)을 별도의 데이터 패킷에 기록하여 고정 노드(200)로 전송할 수도 있다.
이어서, 고정 노드(200)는 상기 회신(ACK) 패킷을 수신한 후, 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 각각 전송한 시간부터 상기 회신(ACK) 패킷을 수신하기까지의 고정 노드 왕복 시간(troundB1 ~ Bn)을 측정하여 기록한다.
그 후, 고정 노드(200)는 자신이 측정한 고정 노드 응답 시간(treplyB1 ~ Bn) 및 고정 노드 왕복 시간(troundB1 ~ Bn)과 모바일 노드(100)가 측정하여 전송한 모바일 노드 왕복 시간(troundA1 ~ An) 및 모바일 노드 응답 시간(treplyA1 ~ An)을 이용하여 두 노드 사이의 거리를 계산한 후, 위치 측정 서버(300)로 전달한다.
본 발명의 SDS-TWR-MA에 의하면, 거리 측정에 있어 그 정확도를 향상시킬 수 있는데, 이를 기존의 대칭형 양방향 거리 측정 방법과 비교하여 설명하기로 한다.
양방향 거리 측정 방법에서 대칭적으로 거리 측정을 수행하는 이유는, 어느 한쪽 노드에서만 레인징을 실시할 경우 클럭 표류(Clock Drift) 및 클럭 옵셋(Clock Offset)에 의해 발생할 수 있는 거리 측정 오차를 줄여주기 위함인데, 본 발명에 의하면 거리 측정 오차를 더욱 줄여 기존의 방법보다 더 높은 정확도를 확보할 수 있다.
도 2는 기존의 대칭형 양방향 거리 측정(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging : SDS-TWR) 방법을 나타낸 도면이다.
여기서, 전파가 모바일 노드(100) 및 고정 노드(200) 사이를 이동하는데 걸리는 시간을 tp라고 하고, 모바일 노드(100)가 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 전송한 후, 고정 노드(200)로부터 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신하기까지의 시간을 모바일 노드(100) 왕복 시간(troundA)이라 한다.
그리고, 고정 노드(200)가 모바일 노드(100)의 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 수신한 후, 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 전송하기까지의 시간을 고정 노드(200) 응답 시간(treplyB)이라 하고, 모바일 노드(100)가 고정 노드(200)의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신한 후, 그에 대한 회신(ACK) 패킷을 전송하기까지의 시간을 모바일 노드(100) 응답 시간(treplyA)이라 한다.
또한, 고정 노드(200)가 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 전송한 후, 모바일 노드(100)로부터 그에 대한 회신(ACK) 패킷을 수신하기까지의 시간을 고정 노드(200) 왕복 시간(troundB)이라 한다.
그러면, SDS-TWR의 경우 다음과 같은 식이 성립한다.
troundA = 2tp + treplyB
troundB = 2tp + treplyA
여기서, 수학식 1 및 수학식 2를 더하여 tp 에 관해 정리하면, 다음의 수학식 3과 같다.
tp = {(troundA - treplyA)+(troundB - treplyB)}/4
상기 수학식 3은 이상적인 통신 환경에서 얻어진 이동 시간에 해당한다.
한편, 각 노드에서의 클럭 표류에 의한 영향을 각각 eA 및 eB라 하면, 클럭 표류의 영향을 받는 경우 두 노드 사이를 이동하는데 걸리는 시간 tp'는 다음의 수학식 4로 나타낼 수 있다.
tp' = {(troundA - treplyA)·(1+eA) + (troundB - treplyB)·(1+eB)}/4
따라서, 두 노드 사이를 이동하는데 걸리는 시간에 대한 오차 tp - tp'는 다음의 수학식 5가 된다.
tp - tp' = {(troundA - treplyA)·eA + (troundB - treplyB)·eB}/4
상기 수학식 5에 수학식 1 및 수학식 2를 대입하고 정리하면, 다음의 수학식 6과 같다.
tp - tp' = {2(eA + eB)·tp + (eA - eB)·(treplyB - treplyA)}/4
여기서, 두 노드를 이동하는데 걸리는 시간 tp는 두 노드에서 패킷을 처리하는데 걸리는 시간에 비해 무시할만큼 작으므로, tp - tp'는 다음 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
tp - tp' ≒ {(eA - eB)·(treplyB - treplyA)}/4
그리고 이와 같은 방식으로, 본 발명의 SDS-TWR-MA에 대해서 tp - tp'를 정리하면 다음 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008071337700-PAT00001
여기서, n은 고정 노드가 전송하는 회신 겸 거리 측정 요청 패킷의 개수를 나타낸다.
상기 수학식 8을 살펴보면, n=1인 경우, 본 발명의 SDS-TWR-MA는 종래의 SDS-TWR과 동일한 정확성을 나타내는 것을 알 수 있으며, n 값이 커지면 커질수록 더욱 높은 정확성을 보장할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 SDS-TWR-MA에 의하면, 거리 측정에 소요되는 시간을 최소화할 수 있는데, 이를 기존의 대칭형 양방향 거리 측정 방법(SDS-TWR)과 비교하여 설명하기로 한다.
일반적으로, 두 노드 간의 거리 측정은 주변 환경의 영향을 많이 받는다. 즉, 전파의 차단, 간섭, 반사, 다중 경로 등으로 인해 거리 측정이 성공적으로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 거리 측정 과정을 수차례 반복하게 된다.
도 2를 참조하면, 기존의 SDS-TWR 방법의 경우, 한 번의 거리 측정 과정에서 두 노드 간에 교환되는 패킷의 개수는 4개이다.
또한, 기존의 SDS-TWR 방법에서는 모바일 노드 측에서 거리를 계산하기 때문에, 거리 측정 계산 결과를 위치 측정 서버(300)로 전달하기 위해 고정 노드와의 사이에서 두 개의 패킷을 추가로 교환해야 한다. 즉, 기존의 SDS-TWR 방법에서는 한 번의 레인징 프로세스에서 교환되는 패킷의 총 개수가 6개가 된다.
따라서, 기존의 SDS-TWR 방법에서는 레인징을 m번 수행하는 경우, m×6 개의 패킷을 교환해야 하는데, 이는 레인징에 소요되는 시간이 레인징 프로세스의 반복 횟수에 비례해서 늘어남을 의미한다.
반면에, 본 발명의 SDS-TWR MA 방법에서 고정 노드가 전송하는 회신 겸 거리 측정 요청 패킷의 개수를 n이라 하면, n=1인 경우, 한 번의 거리 측정을 위해 교환 되는 패킷의 총 개수는 4개가 된다.
이때, 본 발명의 SDS-TWR MA 방법은 고정 노드가 거리 계산을 하게 되며, 따라서 거리 계산 결과를 위치 측정 서버로 보내기 위해 모바일 노드와 추가로 교환해야 하는 패킷이 필요 없게 된다.
즉, 본 발명에서는 고정 노드에서 거리 계산을 수행한 후, 바로 위치 측정 서버로 전달해주면 된다. 이때, 고정 노드와 위치 측정 서버는 유선 또는 무선으로 연결되어 있으며, 거리 계산 결과를 위치 측정 서버로 보내기 위해 모바일 노드와 추가로 교환해야 하는 패킷이 필요 없게 된다. 따라서, 본 발명에서는 모바일 노드와 고정 노드 사이에서 리포팅 페이스(Reporting Phase)를 따로 구분할 수 없다.
한편, 종래의 SDS-TWR 방법을 m번 반복하는 것은 본 발명의 SDS-TWR MA 방법에서 고정 노드가 전송하는 회신 겸 거리 측정 요청 패킷의 개수를 m으로 하는 것과 동일하다. 그리고, 이 경우 m+3 개의 패킷을 교환하면 된다.
따라서, 본 발명의 SDS-TWR MA 방법에 의하면, 종래의 SDS-TWR 방법에 비해 거리 측정 프로세스를 반복하는 횟수가 늘어날수록 거리 측정에 소요되는 시간이 줄어든다는 것을 알 수 있는데, 표 1에서 이를 보다 구체적으로 나타내었다.
m 또는 n 1 2 3 4 5 6 7 8
SDS-TWR (종래발명) 6 12 18 24 30 36 42 48
SDS-TWR-MA (본 발명) 4 5 6 7 8 9 10 11
여기서, SDS-TWR 방법에 대해 거리 측정 과정을 m번 반복하였을 때 교환되는 패킷의 개수를 나타내었고, 이 경우 m은 SDS-TWR MA 방법에서 고정 노드가 전송하는 회신 겸 거리 측정 요청 패킷의 개수인 n에 해당한다.
표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 SDS-TWR MA 방법에서 고정 노드가 3개의 회신 겸 거리 측정 요청 패킷(ACK+REQ)을 전송하는 경우, SDS-TWR 방법을 한 번 수행하는 것과 같은 수의 패킷을 교환하게 된다.
또한, 수학식 8에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 SDS-TWR MA 방법에서 고정 노드가 3개의 회신 겸 거리 측정 요청 패킷(ACK+REQ)을 전송하는 경우, SDS-TWR 방법 보다 3배 더 정확한 거리 측정 결과를 제공할 수 있게 된다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 SDS-TWR-MA(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging with Multiple ACKs)의 실시예를 나타낸 도면.
도 2는 기존의 대칭형 양방향 거리 측정(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging : SDS-TWR) 방법을 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 모바일 노드 200 : 고정 노드
300 : 위치 측정 서버

Claims (15)

  1. 소정의 고정 노드로 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 전송하는 모바일 노드; 및
    상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷에 대해 일정한 시간 간격을 두고 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 전송하는 고정 노드를 포함하며,
    상기 고정 노드는 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷 및 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 이용하여 상기 모바일 노드와의 거리를 측정하는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정 노드는 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 수신한 시간부터 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 각각 전송하기까지의 고정 노드 응답 시간을 측정하여 기록하고,
    상기 모바일 노드는 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 전송한 시간부터 상기 각각의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신하기까지의 모바일 노드 왕복 시간을 측정하여 기록하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모바일 노드는,
    상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷에 대해 하나의 회신(ACK) 패킷으로 회신하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모바일 노드는 상기 각각의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신한 시간부터 상기 회신(ACK) 패킷을 전송하기까지의 모바일 노드 응답 시간을 측정하여 기록하고,
    상기 고정 노드는 상기 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 각각 전송한 시간부터 상기 회신(ACK) 패킷을 수신하기까지의 고정 노드 왕복 시간을 측정하여 기록하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 모바일 노드는,
    상기 모바일 노드 왕복 시간 및 상기 모바일 노드 응답 시간을 상기 회신(ACK) 패킷에 기록하여 전송하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 모바일 노드는,
    상기 모바일 노드 왕복 시간 및 상기 모바일 노드 응답 시간을 별도의 데이터 패킷에 기록하여 상기 고정 노드로 전송하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 고정 노드는 측정한 고정 노드 응답 시간 및 고정 노드 왕복 시간과 상기 모바일 노드가 전송한 모바일 노드 응답 시간 및 모바일 노드 왕복 시간을 이용하여 상기 모바일 노드와의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고정 노드는 상기 측정한 모바일 노드와의 거리 값을 유선 또는 무선으로 연결된 위치 측정 서버로 전달하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 시스템.
  9. (A) 모바일 노드가 소정의 고정 노드로 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 전송하는 단계;
    (B) 상기 고정 노드가 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷에 대해 일정한 시간 간격을 두고 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 전송하는 단계;
    (C) 상기 모바일 노드가 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷에 대해 하나의 회신(ACK) 패킷으로 회신하는 단계; 및
    (D) 상기 고정 노드가 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷, 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷 및 상기 회신(ACK) 패킷을 이용하여 상기 모바일 노드와의 거리를 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 대칭형 양방향 거리 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (B) 단계에서,
    상기 고정 노드는 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 수신한 시간부터 상기 복수 개의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 각각 전송하기까지의 고정 노드 응답 시간을 측정하여 기록하고,
    상기 모바일 노드는 상기 거리 측정 요청(REQ) 패킷을 전송한 시간부터 상기 각각의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신하기까지의 모바일 노드 왕복 시간을 측정하여 기록하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (C) 단계에서,
    상기 모바일 노드는 상기 각각의 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 수신한 시간부터 상기 회신(ACK) 패킷을 전송하기까지의 모바일 노드 응답 시간을 측정하여 기록하고,
    상기 고정 노드는 상기 회신 겸 거리 측정 요청(ACK+REQ) 패킷을 각각 전송한 시간부터 상기 회신(ACK) 패킷을 수신하기까지의 고정 노드 왕복 시간을 측정하여 기록하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모바일 노드는,
    상기 모바일 노드 왕복 시간 및 상기 모바일 노드 응답 시간을 상기 회신(ACK) 패킷에 기록하여 전송하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 (C) 단계 이후에,
    상기 모바일 노드는 상기 모바일 노드 왕복 시간 및 상기 모바일 노드 응답 시간을 별도의 데이터 패킷에 기록하여 상기 고정 노드로 전송하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 (D) 단계에서,
    상기 고정 노드는 측정한 고정 노드 응답 시간 및 고정 노드 왕복 시간과 상기 모바일 노드가 전송한 모바일 노드 응답 시간 및 모바일 노드 왕복 시간을 이용하여 상기 모바일 노드와의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (D) 단계 이후에,
    상기 고정 노드가 상기 측정한 모바일 노드와의 거리 값을 유선 또는 무선으로 연결된 위치 측정 서버로 전달하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방향 거리 측정 방법.
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