KR20100123988A - 무선 동기를 이용한 ｉｒ-ｕｗｂ 무선 측위 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시간 영역에서 나노-초(nano-sec) 이하의 임펄스 신호를 이용한 초광대역 무선 임펄스 통신으로 비콘(beacon) 간에 동기를 맞추어 TDoA(Time Difference of Arrival) 방식에 따른 측위의 정확도를 높이고 실용적으로 구현할 수 있는 무선 측위 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무선 측위 방법에서는, 마스터비콘에서 상기 마스터 비콘의 측위동기클락의 동작 주기로 제1 동기 펄스와 제2 동기 펄스를 전송하고, 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘에서 상기 제1 동기 펄스와 상기 제2 동기 펄스의 수신 시간 차이를 이용해 상기 슬레이브 비콘의 측위동기클락을 상기 마스터 비콘의 측위동기클락과 동기화한 후, 상기 마스터비콘과 상기 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘 각각에서 수신되는 태그 펄스들의 수신 시간 차이에 기초하여 해당 태그의 위치를 산출할 수 있다.

초광대역, 무선측위, TDoA(Time Difference of Arrival), 동기화(synchronization)

Description

무선 동기를 이용한 ＩＲ-ＵＷＢ 무선 측위 방법 및 시스템{IR-UWB Location Positioning Method and System with Wireless Synchronization}

본 발명은 IR-UWB(Impulse Radio - Ultra Wide Band) 무선 측위 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 특히, 시간 영역에서 나노-초(nano-sec) 이하의 임펄스 신호를 이용한 초광대역 무선 임펄스 통신으로 비콘(beacon) 간에 동기를 맞추어 TDoA(Time Difference of Arrival) 방식에 따른 측위의 정확도를 높이고 용이하게 구현할 수 있는 무선 측위 방법 및 시스템에 관한 것이다.

초광대역 무선 임펄스 통신(IR-UWB)은 캐리어를 사용하지 않고 나노-초 이하의 짧은 펄스를 사용하는 특징을 가지는 근거리 무선 통신 기술이다. 연속적인 에너지의 전송이 없기 때문에 초저전력 통신이 가능하며, 이에 따라서 센서 네트워크나, 높은 해상도를 가지는 무선 측위 시스템에 그 사용 가능성이 높아지고 있다. 근래에 FCC(Federal Communications Commission)에서 초광대역 통신의 사용을 허가하고, 국내에서도 2006년에 초광대역의 주파수 사용을 허가함에 따라서 이에 관련한 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내에서는 이에 관하여 저전력 초광대역 통신 방식 및 칩셋 구현에 관한 연구가 진행되고 있다. 이 중 IR-UWB 무선 측위 시스템 은 수십 미터의 범위를 가지면서 30cm 이하까지의 해상도를 지원하는 것을 실용화 목표로 하여 현재 많은 연구 개발이 진행 중이며, 이러한 측위 기술은 IEEE 802.15.4a에서 표준으로도 채택되었다. 이러한 무선 측위 시스템은 센서 네트워크에서 센서(sensor)(또는 태그(tag))의 위치 추적에 유용하게 사용될 수 있다.

기존의 무선 측위 알고리즘은 크게 ToA(Time of Arrival) 방식, TDoA(Time Difference of Arrival) 방식, 그리고 AoA(Angle of Arrival) 방식으로 나뉘어진다. 이 중 ToA와 TDoA는 IEEE 802.15.4a 의 표준에서 채택하고 있는 방법이다.

ToA 방식은 기본적으로 2개의 노드(node) 사이에 TWR(Two Way Ranging)을 이용하여 두 노드 사이의 거리를 추정하는 방식으로서, 이러한 TWR을 태그와 몇 개의 비콘이 수행하여 태그의 위치를 추정한다. TWR이란 한 노드가 펄스를 전송한 후 반대편에서 이 펄스를 수신한 노드가 다시 펄스를 송신하여 두 노드 사이에 펄스의 왕복 시간을 계산 한 뒤 노드의 처리 시간을 제외하고 노드 간의 거리를 계산하는 방법이다. 이러한 TWR을 적용하는 ToA 방식은 태그의 에너지 소모가 많고 태그가 복잡해지는 문제점이 있다.

TDoA 방식에서는 비콘 사이에 동기화가 되어 있다는 가정 하에 태그가 송신한 펄스가 각 비콘에 도착하는 시간의 차이를 측정한다. 펄스가 각 비콘에 도착하는 시간차를 이용하면 비콘들을 초점으로 하는 쌍곡선을 그릴 수 있게 되고 이 쌍곡선들의 교점을 찾으면 태그의 위치를 계산할 수 있다. TDoA 방식은 ToA 방식에 비해서 정확성이 높을 것으로 일반적으로 생각되나 비콘 사이의 동기화를 맞추어야 한다는 점에서 실용화에 상당한 어려움이 있다.

AoA 방식은 태그로부터 도착하는 펄스의 각도를 각 비콘에서 파악하는 방법으로서, 각도를 파악하는 안테나를 사용하는 데 어려움이 있어서 이 방식은 현 시점에서 실용적이지 못한 방식이다.

이와 같은 기본적인 측위 알고리즘들을 발전시킨 알고리즘들도 개발되고 있다. 예를 들어, ToA시스템에서 3개의 비콘이 각각 TWR 을 수행하는 대신 비콘을 마스터(master)와 슬레이브(slave)로 나누어 마스터 비콘과 태그만이 TWR을 수행하고, 슬레이브 비콘은 이 TWR 과정을 관찰하도록 하는 간접 ToA 방식이 있다. 도 1과 같이, 마스터 비콘과 태그가 수행하는 TWR과정(마스터가 송신하는 과정 (1)과 태그가 송신하는 과정(2))을 슬레이브 비콘은 관찰한다. 슬레이브 비콘과 마스터 비콘사이의 거리는 이미 알고 있고, 마스터 비콘과 태그의 거리도 TWR 과정의 결과에서 계산되기 때문에 이 정보를 이용하면 슬레이브 비콘과 태그의 거리도 계산할 수 있게 된다. 그러나 이 알고리즘은 태그가 송, 수신을 수행해야 하여서 태그의 복잡도가 높고 태그의 에너지 소비가 높은 단점이 있다.

또한, 간접 TDoA 방식이 있다. 간접 TDoA 방식은 TDoA 방식으로 위치를 계산하지만, 간접적인 방식으로 시간차를 측정하는 방식을 사용한다. 도 2와 같이, 태그가 펄스를 전송한 후(1), 마스터 비콘이 펄스를 전송하게 되고(2), 다른 비콘들에서는 태그가 전송한 펄스와 마스터 비콘이 전송한 펄스의 시간 차이를 측정한다. 마스터 비콘과 슬레이브 비콘과의 거리를 알고 있기 때문에 마스터 비콘과 슬레이브 비콘에서 태그가 전송한 펄스의 도착 시간 차이를 계산해 낼 수 있게 되며 이를 이용해 태그의 위치를 계산할 수 있다.

이와 같은 간접 알고리즘들은 태그나 비콘을 한번 경유한 시간을 측정하는 간접적인 측위 방식을 사용하기 때문에 펄스 수신시 발생하는 에러가 중첩되는 효과로 인해 오차가 많이 생길 수 있다. 또한, 펄스 수신 이후에 미리 정해진 짧은 시간 내에 다른 펄스를 재송신 하는 펄스 반사 로직이 구현되어야 하는데, 이는 노드의 높은 가격을 이루는 요소가 될 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 완벽한 동기의 가정에 따른 측위 오류나 펄스의 송, 수신을 위한 반사 로직에서의 시간 제약 등을 극복한 새로운TDoA(Time Difference of Arrival) 방식을 적용하여, 시간 영역에서 나노-초(nano-sec) 이하의 임펄스 신호를 이용한 초광대역 무선 임펄스 통신으로 비콘(beacon) 간에 동기를 맞추어 측위함으로써, TDoA 측위의 정확도를 높이고 실용적으로 용이하게 구현할 수 있는 무선 측위 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 무선 측위 방법은, 마스터비콘에서 상기 마스터 비콘의 측위동기클락의 동작 주기로 제1 동기 펄스와 제2 동기 펄스를 전송하고, 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘에서 상기 제1 동기 펄스와 상기 제2 동기 펄스의 수신 시간 차이를 이용해 상기 슬레이브 비콘의 측위동기클락을 상기 마스터 비콘의 측위동기클락과 동기화한 후, 상기 마스터비콘과 상기 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘 각각에서 수신되는 태그 펄스들의 수신 시간 차이에 기초하여 해당 태그의 위치를 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기 마스터비콘, 상기 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘, 또는 상기 태그 간에 근거리 무선 통신 방식에 따른 나노-초 이하의 상기 제1 동기 펄스, 상기 제2 동기 펄스, 또는 상기 태그 펄스들을 이용한다.

상기 슬레이브 비콘에서, 상기 제1 동기 펄스 또는 상기 제2 동기 펄스의 수신 시간에서 상기 마스터비콘과의 거리를 이용하여 계산한 펄스 전송 시간을 뺀 시간에 상기 슬레이브 비콘의 측위동기클락을 액티브시키는 시점으로 동기화한다.

상기 슬레이브 비콘에서, 상기 제1 동기 펄스와 상기 제2 동기 펄스의 수신 시간 차이와 상기 슬레이브 비콘의 측위동기클락의 동작 주기를 비교하여, 프리퀀시 옵셋(frequency offset)의 경우에 상기 수신 시간 차이와 같게 상기 슬레이브 비콘의 측위동기클락의 동작 주기를 보정한다.

상기 마스터비콘과 상기 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘 각각에서, 기준 발진 주파수의 펄스를 생성하는 발진 수단을 이용하여 자신의 측위동기클락이 가장 최근에 액티브된 후에 상기 기준 발진 주파수의 펄스의 액티브된 횟수를 측정하는 방식으로 해당 태그 펄스의 수신 시간을 측정한다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 무선 측위 시스템은, 제1 측위동기클락의 동작 주기로 제1 동기 펄스와 제2 동기 펄스를 전송하는 마스터비콘; 상기 제1 동기 펄스와 상기 제2 동기 펄스의 수신 시간 차이를 이용해 제2 측위동기클락을 상기 제1 측위동기클락과 동기화하는 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘; 및 상기 마스터비콘과 상기 슬레이브 비콘 각각에서 수신되는 태그 펄스들의 수신 시간 차이에 기초하여 해당 태그의 위치를 산출하는 위치 산출 수단을 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 측위 방법 및 시스템에 따르면, 시간 영역에서 나노-초(nano-sec) 이하의 임펄스 신호를 이용한 초광대역 무선 임펄스 통신으로 비콘(beacon) 간에 동기를 맞추어 측위함으로써, TDoA 측위의 정확도를 높이고 실용적으로 용이하게 구현할 수 있으며, 기존 방식에서 완벽한 동기의 가정에 따른 측위 오류나 펄스의 송, 수신을 위한 반사 로직에서의 시간 제약 등을 극복할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 무선 측위 방법 및 시스템에 따르면, 비콘에서 간단히 펄스를 전송하고 동기를 맞추는 과정만을 수행하고 태그로부터의 펄스에 대하여 측위하므로 저가격, 저전력으로 각 노드를 만들 수 있고 구조를 간단히 할 수 있다.

　　　　　　　　본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 IR-UWB(Impulse Radio - Ultra Wide Band) 무선 측위 시스템의TDoA 측위 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 IR-UWB 무선 측위 시스템은, 서로간에 근거리 무선 통신 방식(예를 들어, 블루투스, 지그비, RFID 통신 등)에 따른 통신을 수행하는 마스터비콘 및 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘을 포함한다. 또한, 마스터비콘 및 슬레이브 비콘은 태그로부터의 펄스 수신 시간에 대한 정보를 기록하고 위치 산출 수단(도시 되지 않음)으로 전송할 수 있는데, 이러한 위치 산출 수단은 마스터비콘 또는 슬레이브 비콘 내부에 구비될 수도 있고, 또는 마스터비콘 또는 슬레이브 비콘과 통신하는 다른 제어 시스템에 구비될 수도 있다. 이하 슬레이브 비콘이 2개인 경우로 예를 들어 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 슬레이브 비콘의 전체 개수는 3,4,5...개 등 해당 분야의 응용에 따라 그 개수가 정해질 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 무선 측위 시스템에서는, 비콘들 사이의 거리는 이미 알려져 있고 각각의 비콘은 1GHz 펄스를 생성하는 발진 수단을 이용하여 1GHz 펄스를 기준 발진 주파수로 하여 필요한 다른 펄스들을 액티브시켜 동작하는 것으로 가정한다. 1GHz 기준 발진 주파수는 30cm의 측위 해상도를 지원하기 위한 최소한의 시스템 동작 주파수로서, 그 이상의 측위 해상도를 위하여 더 높은 발진 주파수를 기준으로 시스템을 동작시킬 수 있다. 마스터비콘, 슬레이브 비콘들, 또는 태그 간에도 근거리 무선 통신 방식에 따른 나노-초 이하의 펄스를 이용하여 통신한다.

본 발명에 따른 TDoA 측위 방식에서는 마스터비콘과 슬레이브 비콘으로 수신 되는 태그 펄스들의 수신 시간 차이에 기초하여 해당 태그의 위치를 산출하는 측위 과정으로 이루어지는데, 필요한 경우에 마스터비콘과 슬레이브 비콘 간에 동기를 맞추는 측위동기클락 동기 과정이 요구된다.

먼저, 측위 과정에서는 일반적인 TDoA 알고리즘과 유사하게, 태그로부터 태그 펄스(1)가 전송되면 마스터비콘과 슬레이브 비콘 각각이 태그 펄스(1)의 수신 시간을 기록한다. 이때 수신 시간의 기록은 각 비콘이 독자적으로 가지고 있는 측위동기클락(SynchClock)을 기준으로 이루어진다. 예를 들어, 측위동기클락은 1GHz 기준 발진 주파수의 펄스가 N번 액티브될 때 한번 액티브되는 동작 주기를 갖는 클락으로서, 위와 같은 태그 펄스(1)의 수신 시간의 기록은 측위동기클락이 가장 최근에 액티브된 시각을 기준으로 그 후에 1GHz 펄스의 액티브된 횟수를 측정하여 이루어진다.

IEEE 802.15.4a에서는 측위용 펄스가 패킷(packet) 내부에 포함되어 있기 때문에 패킷의 수신 시간을 측정할 경우 패킷 전체를 수신할 수 있는 시간 단위로 측정해야 하며, 따라서 측위동기클락의 주기는 최소한 레인징 패킷 전체를 포함하는 크기를 가져야 한다. 현재 IEEE 802.15.4a에서는 TWR을 통해 측정되는 시간을 최대 5ms까지 예상하고 있고, 본 발명에서는 최대한 짧은 패킷을 사용하는 경우로서 이때의 측위동기클락이 100μs의 동작 주기를 가진다고 가정하였다. 실제 이와 같은 측위 과정은 다음의 측위동기클락 동기 과정 후에 이루어질 수 있다.

다음에, 측위동기클락 동기 과정에서는, 슬레이브 비콘에서 마스터비콘과의 프리퀀시 옵셋(frequency offset)이 있는 경우에 마스터비콘의 측위동기클락의 동 작 주기에 맞게 슬레이브 비콘의 측위동기클락의 동작 주기를 보정한다.

본 발명에서는 이와 같은 프리퀀시 옵셋을 보정하는 방안으로서 디지털 트래킹 루프(digital tracking loops) 방식에 기초한다. 예를 들어, 마스터비콘은 자신의 측위동기클락의 동작 주기(예를 들어, 100μs)로 제1 동기 펄스(2)와 제2 동기 펄스(3)를 각각 전송한다. 그리고, 슬레이브 비콘들은 이러한 펄스 2개의 수신 시간 차이를 기록한다. 이때, 슬레이브 비콘들은 제1 동기 펄스(2)와 제2 동기 펄스(3)의 수신 시간 차이가 자신의 측위동기클락 주기와 비교하여 동일하지 않다면, 마스터 비콘과 프리퀀시 옵셋이 존재하는 것이고, 이 정보를 이용하면 마스터비콘과의 프리퀀시 옵셋을 보정할 수 있다. 예를 들어, 슬레이브 비콘들은 제1 동기 펄스(2)와 제2 동기 펄스(3)의 수신 시간 차이와 같아지도록 자신의 측위동기클락의 동작 주기를 보정할 수 있다. 이 시점에서 슬레이브 비콘들의 측위동기클락의 동작 주기는 1GHz 펄스 N개(예를 들어, 100μs)가 아니라 N+α 로 바뀌게 된다. 비콘들 간의 프리퀀시 옵셋을 맞추는 이와 같은 측위동기클락 동기 과정은 위와 같은 프리퀀시 옵셋이 심한 경우에 이루어질 수 있으며, 슬레이브 비콘들의 측위동기클락의 정확도가 높은 경우에는 이러한 과정이 생략될 수도 있다. 이와 같은 측위동기클락 동기 과정은 TDoA이외의 다른 알고리즘의 프리퀀시 옵셋을 보정할 때에도 적용될 수 있다.

또한, 측위동기클락 동기 과정에서는, 위와 같은 프리퀀시 옵셋을 보정할 뿐만 아니라, 슬레이브 비콘은 위와 같은 제1 동기 펄스(2) 또는 제2 동기 펄스(3)를 재활용하여, 마스터 비콘과의 이미 알려진 거리에 따라 펄스(2/3)가 오는데 걸 리는 시간을 감안하여 이 시간을 뺌으로써 마스터 비콘의 측위동기클락의 액티브 시점을 계산하여 반영할 수 있다. 즉, 슬레이브 비콘은 마스터 비콘의 측위동기클락의 액티브 시점과 같은 시점에 액티브되도록 자신의 측위동기클락을 동기화할 수 있다.

태그의 위치에 대한 측위를 위하여, 위와 같은 측위동기클락 동기 과정이 필수적이라고 할 수 있다. 측위동기클락 동기 과정 없이 바로 위와 같은 측위 과정이 이루어지는 경우에, 마스터비콘과 슬레이브 비콘들에서 측정하는 태그 펄스들의 수신 시간은 각 비콘이 임의의 시간을 기준으로 측정한 것이기 때문에 측위에 바로 적용하는 경우에 측위의 정확성이 떨어지기 때문이다.

즉, 측위동기클락 동기 과정에서 위와 같은 제1 동기 펄스(2)와 제2 동기 펄스(3)의 수신 시간 차이에 기초하여 슬레이브 비콘이 마스터 비콘과의 그 동작 주기가 같아지도록 보정하고, 제1 동기 펄스(2) 또는 제2 동기 펄스(3)를 재활용하여 자신의 측위동기클락의 액티브 시점을 동기화함으로써, 측위 과정에서 소정의 위치 산출 수단은 마스터비콘과 슬레이브 비콘들이 각각 수신하는 태그 펄스들의 수신 시간 차이에 기초하여 해당 태그의 위치를 산출할 수 있게 된다. 예를 들어, 태그 펄스들의 수신 시간 차이는 소정 방식에 따라 거리로 환산되어 소정 거리 떨어진 위치에 있는 것으로 예측될 수 있고, 각 비콘들을 초점으로 하여 태그의 예측 위치 펄스들에 대한 쌍곡선을 그릴 수 있다. 이때, 마스터비콘과 슬레이브 비콘들의 조합으로 이루어지는 2개 이상의 쌍곡선들의 교점을 찾아 태그의 위치를 산출할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 무선 측위 방식에서는, 마스터 비콘에서 태그 펄스(1)를 수신한 이후 펄스 반사로직을 통한 일정 시간 이후의 펄스 반사를 수행하지 않는다. 또한, 기존의 간접 TDoA에서는 슬레이브 비콘이 태그로부터 출발한 펄스(1)가 마스터 비콘을 경유해서 온 시간을 측정하지만, 본 발명에서는 마스터 비콘에서 슬레이브 비콘으로 전송하는 동기 펄스(2/3)가 마스터 비콘 독립적으로 생성되어 전송되는 펄스로서, 슬레이브 비콘은 마스터 비콘과의 거리만을 감안하여 동기화할 뿐 태그로부터 출발하여 다른 노드(예를 들어, 마스터 비콘)을 경유하는 시간까지 측정하여 동기화하지 않는다.

따라서, 본 발명에 따른 무선측위 시스템은, 구현 복잡도가 줄어들고 저전력으로 구현가능하며, 또한 측위의 정확성을 보장할 수 있다.

시스템의 복잡도는 가격과 밀접한 연관이 있는 요소로서, 비콘의 복잡도 보다는 태그의 복잡도가 가장 중요한 요소가 된다. 비콘은 고정된 지점에 존재하게 되지만 비콘과 근거리 통신하는 태그(회사나 가정 내의 가전제품, 가구 등에 부착될 수 있는 소형 꼬리표나 장식 형태)는 수십~수백개가 동시에 존재할 수도 있기 때문이며 배터리로 동작하기 때문이다. 태그의 복잡도 측면에서 태그가 송신만 하는 경우에 훨씬 간단하게 만들 수 있다. 수신기보다 송신기가 훨씬 간단하며 저가격으로 만들 수 있기 때문이다. 또한, 고정된 처리 시간을 가지는 펄스 반사 로직의 존재 유무도 복잡도에 영향을 미치게 된다. 펄스 하나를 수신 후 펄스 하나를 송신할 때는 펄스 반사 로직이 비교적 쉽게 구현 가능하지만, 패킷을 송수신 해야 하는 실제 시스템에서는 펄스 하나로 동작하지 않기 때문에, 시스템 동작을 위하여 펄스를 카 운팅 하는 시간도 최소 수십 μs에서 수 ms까지의 시간이 되며 펄스들의 분석 및 처리시간을 고정하는 것도 훨씬 더 어려운 문제가 된다.

에너지 소비 측면에서도 마찬가지로 태그가 에너지를 얼마나 소비하는지 여부가 중요한 요소이다. 즉, 태그가 1회 송신만 함으로써 측위가 완료되는 시스템이 에너지를 가장 에너지를 적게 소비하게 된다. 본 발명에서는 측위에 필요한 전체 펄스 전송의 수는 3개이지만, 태그는 1회만 전송한다. 만약, 프리퀀시 옵셋 보정이 필요 없는 환경에서는, 도 4에도 정리한 바와 같이, 전체 2개의 펄스(측위동기클락의 액티브 시점 동기화를 위한 펄스와 태그가 전송하는 펄스) 전송이면 가능하고, 동기를 한번 맞춘 이후로는 일정시간 동안 1개의 펄스 전송이면 가능할 수 있다.

마지막으로, 측위의 정확성 측면에서는 다음의 2가지로 나누어 생각해 볼 수 있다. 첫번째로, 비콘들 각각의 측위동기클락은 프리퀀시 옵셋 특성이 다를 수 있고 이에 따라 아무리 좋은 알고리즘을 적용하더라도 측위의 오차를 낳게 되므로, 본 발명에서와 같은 프리퀀시 옵셋 보정 방식에 따라 측위의 오차를 거의 줄여서 측위 정확성을 높일 수 있다.

또한, 두번째로, LoS(Line of Sight) 펄스의 수신 정확성에 따른 에러가 발생할 수 있다. 가장 좋은 가정은 LoS 시그널을 완벽하게 수신해서 수신 시각을 측정하는 것이지만, 실제로 RF(Radio Frequency) 모듈에서 LoS 시그널의 위치를 완벽하게 수신한다고 보기는 어려우며 LoS 시그널을 감지해 내는 부분은 아직 더 연구가 필요하다. 따라서, 에너지가 일정 이상이 되면 펄스로 인정하는 방식을 통해 LoS 시그널의 위치를 추정하는 간단한 펄스 수신 시스템에서는 전체 측위 알고리즘에서 펄스의 수신 횟수가 정확도와 밀접한 관련이 있게 된다. 본 발명에 따른 측위 알고리즘에서는 프리퀀시 옵셋 보정을 하지 않는다고 가정할 경우 수신 알고리즘은 도 4와 같이 모두 5번이 수행되어야 한다. 유선 동기가 이루어지는 TDoA는 3번의 펄스 수신이면 가능하고, ToA는 모두 6번의 펄스 수신이 필요하다. 본 발명에서는 비콘들 사이의 동기화와 관련된 측위동기클락 동기 과정에서 클락 환경이 나쁘지 않을 경우 매번 수행할 필요는 없다.

수신 정확성에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소는 정보 획득에서 펄스 수신의 중첩이 나타나는 경우이다. 즉, 시간을 측정할 때 다른 노드를 경유해서 다시 송신되는 펄스를 수신할 경우, 패킷의 수신이 연달아 발생한 후의 시간을 측정하기 때문에 펄스 수신 시점에 관련된 오차가 더 커지는 효과가 나타날 수 있다. 즉, 측정하는 시간이 2회의 펄스 수신을 포함하는 시간이어서 1회의 펄스 수신 시간을 측정하는 것 보다 위치 계산시 사용되는 정보가 더 큰 오차를 포함할 수 있기 때문에 이러한 알고리즘을 사용하는 ToA나 간접 ToA, 간접 TDoA 방식에서의 시간 측정에서는 펄스 수신 에러가 증폭될 수 있다. 물론 ToA의 경우는 각 비콘별로 TWR을 수행하기 때문에 데이터를 더 많이 수집하여 이런 약점을 극복할 수 있지만, 그 외의 경우에는 LoS 측정 오류의 효과가 중첩되어 큰 오차를 유발 할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 1) 펄스를 수신한 뒤 일정 시간후 송신하는 펄스 반사 로직이 없고, 유선으로 동기를 맞추지도 않기 때문에 간단하게 낮은 가격으로 만들 수 있다. 또한, 2) 다른 비콘이나 태그를 경유한 펄스를 수신하지 않기 때문에 측정 오차가 줄어 들게 된다. 그리고, 3) 전체 송, 수신 펄스수도 다른 방식에 비해 많지 않으므로 전력도 많이 소비 되지 않게 된다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 TDoA 측위 방식의 측위 정확도를 설명하기 위한 에러 범위 대 누적확률 간의 관계 그래프이다.

도 5와 같은 측위 오차의 분포에 대한 시뮬레이션 결과는, 각각의 알고리즘에 대하여 프리퀀시 옵셋 보정을 한 경우와 그렇지 않은 경우 중 더 좋은 성능을 보이는 것을 선택하여 나타낸 결과이다. 채널은 IEEE 802.15.4a의 채널 모델 1을 가정하였으며, 클락의 프리퀀시 옵셋은 최대 50ppm내에서 랜덤하게 일어난다고 가정하였다. 예상한대로 완벽한 동기를 가지는 것으로 가정하는 TDoA 시스템의 성능이 좋게 나타난다. 본 발명에 따른 방식(TDoA with wireless sync)과 ToA(ToA with perfect sync)의 성능을 비교해 보면, 오차 50cm 이내에서는 본 발명의 방식이 오히려 50%까지 더 좋은 성능을 보이고 그 이후에는 ToA가 더 좋은 성능을 보임을 알 수 있다. 본 발명에서 간단한 태그와 낮은 에너지 소비를 생각해볼 때, ToA와의 성능 차이는 크지 않으며 오히려 본 발명의 방식은 작은 오차에 많은 부분이 집중되어 있기 때문에, UWB 포지셔닝 시스템에서 요구하는 50cm 미만의 정확도를 요구하는 측면에서는 표본의 선택을 통해서 더 좋은 성능을 나타낼 수 있게 된다. 간접적인 시간 측정 방식을 이용하는 두 알고리즘(Indirect ToA, Indirect TDoA)은 펄스 수신 오류의 중첩효과로 인해 성능이 다소 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

위와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 IR-UWB 를 이용한 무선 측위 시스템은 태그의 정확한 측위를 통하여 자산 관리나 목표 추적 등의 응용에 널리 사용될 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 일반적인 간접 ToA 측위 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 일반적인 간접 TDoA 측위 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 측위 시스템의TDoA 측위 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 측위 방법을 포함한 각 측위 방법에서 필요한 펄스 수의 비교표이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 TDoA 측위 방식의 측위 정확도를 설명하기 위한 에러 범위 대 누적확률 간의 관계 그래프이다.

Claims (7)

1. 마스터비콘에서 상기 마스터 비콘의 측위동기클락의 동작 주기로 제1 동기 펄스와 제2 동기 펄스를 전송하고,

   적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘에서 상기 제1 동기 펄스와 상기 제2 동기 펄스의 수신 시간 차이를 이용해 상기 슬레이브 비콘의 측위동기클락을 상기 마스터 비콘의 측위동기클락과 동기화한 후,

   상기 마스터비콘과 상기 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘 각각에서 수신되는 태그 펄스들의 수신 시간 차이에 기초하여 해당 태그의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 마스터비콘, 상기 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘, 또는 상기 태그 간에 근거리 무선 통신 방식에 따른 나노-초 이하의 상기 제1 동기 펄스, 상기 제2 동기 펄스, 또는 상기 태그 펄스들을 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 슬레이브 비콘에서,

   상기 제1 동기 펄스 또는 상기 제2 동기 펄스의 수신 시간에서 상기 마스터비콘과의 거리를 이용하여 계산한 펄스 전송 시간을 뺀 시간에 상기 슬레이브 비콘의 측위동기클락을 액티브시키는 시점으로 동기화하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 슬레이브 비콘에서,

   상기 제1 동기 펄스와 상기 제2 동기 펄스의 수신 시간 차이와 상기 슬레이브 비콘의 측위동기클락의 동작 주기를 비교하여, 프리퀀시 옵셋(frequency offset)의 경우에 상기 수신 시간 차이와 같게 상기 슬레이브 비콘의 측위동기클락의 동작 주기를 보정하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 마스터비콘과 상기 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘 각각에서,

   기준 발진 주파수의 펄스를 생성하는 발진 수단을 이용하여 자신의 측위동기클락이 가장 최근에 액티브된 후에 상기 기준 발진 주파수의 펄스의 액티브된 횟수를 측정하는 방식으로 해당 태그 펄스의 수신 시간을 측정하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 기준 발진 주파수는 1GHz 이상인 것을 특징으로 하는 무선 측위 방법.
7. 제1 측위동기클락의 동작 주기로 제1 동기 펄스와 제2 동기 펄스를 전송하는 마스터비콘;

   상기 제1 동기 펄스와 상기 제2 동기 펄스의 수신 시간 차이를 이용해 제2 측위동기클락을 상기 제1 측위동기클락과 동기화하는 적어도 하나 이상의 슬레이브 비콘; 및

   상기 마스터비콘과 상기 슬레이브 비콘 각각에서 수신되는 태그 펄스들의 수신 시간 차이에 기초하여 해당 태그의 위치를 산출하는 위치 산출 수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 측위 시스템.

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