KR20110095542A - ＭＨＰ 펄스를 이용한 Ｆａｓｔ ＴｏＡ 위치 추정 방법 - Google Patents

ＭＨＰ 펄스를 이용한 Ｆａｓｔ ＴｏＡ 위치 추정 방법 Download PDF

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Abstract

MHP 펄스를 이용한 Fast ToA 위치 추정 방법을 개시한다. 위치 추정 방법은 타겟 노드에서 3개 이상의 미리 알려진 레퍼런스 노드로 각기 다른 차수의 MHP 펄스들을 전송하는 단계와, 상기 3개 이상의 미리 알려진 레퍼런스 노드(reference node)에서 각각 MHP 펄스를 수신하는 단계와, 각 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 각기 다른 차수의 MHP 펄스를 송신하는 단계와, 상기 타겟 노드에서 상기 각각의 MHP 펄스를 수신한 후 상기 타겟 노드와 상기 레퍼런스 노드의 거리를 추정하는 단계 및 상기 추정된 타겟 노드와 각 레퍼런스 노드와의 거리를 이용하여 타겟의 위치를 추정하는 단계를 포함한다. MHP 펄스를 이용한 위치 추정 방법은 시간을 기반으로 하는 추정 기술 중에 더 정확하다고 알려진 ToA가 TDoA에 비해 현저히 떨어지는 계산 시간을 개선하고자 각 차수의 펄스를 모두 직교하는 성질을 가지는 MHP 펄스를 사용함으로써 처리 시간을 줄일 수 있다.

Description

ＭＨＰ 펄스를 이용한 Ｆａｓｔ ＴｏＡ 위치 추정 방법{a fast ToA position estimation method based on MHP pulse}
본 발명의 실시예들은 MHP 펄스를 이용한 Fast ToA(Time of Arrival) 위치 추정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시간을 기반으로 타겟 노드의 위치를 추정하는 기술로 ToA 추정 방법에 관한 것이다.
최근 몇 년 사이에 위치 기반 서비스가 센서 네트워크를 중심으로 홈 자동화 등 개인 사용자에게 다양한 서비스를 제공하는 부분에서 급속한 발전을 이루고 있으며 사용자의 안전과 대상의 이동경로 파악이 중요한 기능으로 대두되는 유비쿼터스 환경이 이슈가 되며 위치인식 기술이 필요하게 된다. 실내에서의 여러 위치 추정 시스템 중에서 UWB 시스템은 아주 짧은 임펄스 신호를 사용하기 때문에 거리 측정에 있어서 보다 좋은 정밀도를 갖게 되기 때문에 위치 측정 및 거리 인지의 시스템 구축을 위한 유력한 핵심 기술로 평가받고 있다.
타겟 노드의 정확한 위치 정보를 파악하기 위한 여러 가지 위치 추정(Positioning)을 위한 기반 기술인 거리 인지(Ranging)는 레퍼런스 노드와 타겟 노드간의 거리 정보를 추정하는 기술로 시스템의 시간 동기화 유무에 따라서 단방향 송신을 통한 거리 인지와 양방향 송신을 통한 거리 인지 기술로 분류한다. 이러한 거리 인지 기술은 수신된 신호의 각을 기반으로 한 AoA(Angle of Arrival), 시간을 기반으로 한 ToA와 TDoA, 수신된 신호의 감도를 이용한 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 등이 있다. AoA는 타겟 노드가 보낸 신호의 방향각을 이용하여 각을 측정하고, 각 레퍼런스 노드와 타겟 노드 사이의 방향각의 교차점을 계산하여 타겟 노드의 위치를 추정하는 알고리즘이며, RSSI는 미리 정의된 다양한 지점에서의 신호 세기들을 표본 수집을 통해 측정하고, 타겟 노드의 송신 신호를 각 레퍼런스 노드들이 수신할 때 발생하는 신호의 감쇠 정도를 측정하여 확률적 방법을 통해 표본과 맵핑(mapping)하여 위치를 추정하는 방법이다.
이러한 거리인지 기술 중에 가장 많이 사용되고 있는 방식은 전파의 전송 시간을 측정하는 방식으로 ToA 방식과 TDoA 방식이 있다. ToA는 위치가 알려진 각 레퍼런스 노드들과 위치를 측정할 목표인 타겟 노드 사이의 전송된 시간을 측정하여 타겟 노드의 위치를 계산하는 삼각측량법을 이용한다. 레퍼런스 노드에서 타겟 노드까지의 거리는 신호의 종류에 따라서 적정한 상수를 곱해서 산출할 수 있으며, 레퍼런스 노드와 타겟 노드 사이의 거리를 반경으로 하는 원들의 교점이 타겟 노드의 위치가 된다.
ToA 방식의 위치 추정 방법은 위치가 고정되어 있는 레퍼런스 노드 A, B, C의 좌표와 움직이는 물체인 타겟 노드와의 거리를 이용한다. 레퍼런스 노드 A, B, C의 좌표 (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ), (x 3 , y 3 )와 타겟 노드와의 거리를 나타내는 D1, D2, D3를 이용하여 타겟 노드의 좌표를 구한다. 수학식1은 D1, D2, D3를 나타낸다.
[수학식 1]
Figure pat00001
이러한 ToA 방식을 사용하는 위치 측정 기술의 알고리즘에는 원의 방정식을 직접적으로 계산하는 DM(Direct Method)와 LS(Least Square), 그리고 SI(Spherical Interpolation)알고리즘이 있다.
수학식 2는 수학식 1의 양변을 제곱한 후, 세 번째 식을 빼주게 되는 과정을 나타낸다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서
Figure pat00003
Figure pat00004
은 타깃 노드의 좌표이다.
수학식 3은 타깃 노드의 좌표를 나타낸 것이다.
[수학식 3]
Figure pat00005
이와 같이, 종래 ToA 방식을 이용하여 위치 추정을 할 때 신호가 각각의 레퍼런스 노드를 모두 왕복하면서 걸리는 시간으로 인해 긴 위치 추정 시간이 발생되므로 레퍼런스 노드의 수가 증가하면 위치 추정 시간 또는 비례하여 증가한다.
TDoA 방식의 위치 추정은 타겟 노드와 두 개 이상의 레퍼런스 노드가 송신하는 신호의 도착 시간의 차이를 측정하여 레퍼런스 노드를 초점으로 하는 쌍곡선 상에서 타겟 노드의 위치를 찾아내는 알고리즘이다. 3개 이상의 레퍼런스 노드가 존재할 경우 여기에서 얻어지는 2개의 쌍곡선을 이용하여 그 교점을 찾아냄으로써 타겟의 2차원 위치를 찾을 수 있으며 4개 이상의 레퍼런스 노드를 가질 경우 3차원 위치 추정이 가능하다.
수학식 4는 TDoA의 동작 방식을 보여주며, 레퍼런스 노드와 타겟 노드 그리고 각 좌표들은 ToA의 설명과 같다.
[수학식 4]
Figure pat00006
TDoA 방식은 레퍼런스 노드와 타겟 노드 사이의 시각 동기화가 필요하지 않기 때문에 알고리즘 구현이 간단한 대신, 신호 도달 시간의 정밀함이 요구되기 때문에 다중경로 페이딩, 비가시선 효과로 인한 신호 전달의 지연 문제가 발생한다.
또한 TDoA에 의해 얻어지는 방정식은 비선형이기 때문에 ToA와 같이 DM알고리즘을 사용하면 복잡도가 증가하게 된다. 따라서 비선형성의 문제를 해결하기 위해 수학식4의 테일러 급수를 사용하여 선형화 시킨다.
처음 측정한 레퍼런스 노드와 타겟 노드의 거리는
Figure pat00007
Figure pat00008
이고, 다음 측정에서의 nominal point와 사용자의 거리는
Figure pat00009
Figure pat00010
로 나타낸다. 따라서
Figure pat00011
Figure pat00012
가 되며, 수학식4를 선형화 하면 수학식 5를 구할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00013
그리고 좌표를 구하기 위해 식을 정렬하면 수학식 6을 얻을 수 있다.
[수학식6]
Figure pat00014
본 발명의 일실시예는 ToA 방식으로 위치 추정 시에 발생하는 TDoA에 비해 상대적으로 긴 위치 추정 시간을 줄일 수 있는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 위치 추정 시간을 줄이기 위해 각 레퍼런스 노드를 한 번에 왕복할 수 있는 직교한 펄스를 이용하여 ToA 방식의 위치 추정 시간을 대폭 감소시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 방법은 타겟 노드에서 3개 이상의 미리 알려진 레퍼런스 노드로 각기 다른 차수의 MHP 펄스들을 전송하는 단계와, 상기 3개 이상의 미리 알려진 레퍼런스 노드(reference node)에서 각각 MHP 펄스를 수신하는 단계와, 각 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 각기 다른 차수의 MHP 펄스를 송신하는 단계와, 상기 타겟 노드에서 상기 각각의 MHP 펄스를 수신한 후 상기 타겟 노드와 상기 레퍼런스 노드의 거리를 추정하는 단계 및 상기 추정된 타겟 노드와 각 레퍼런스 노드와의 거리를 이용하여 타겟의 위치를 추정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 각 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 각기 다른 차수의 MHP 펄스를 송신하는 단계는 제1 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 0차 MHP 펄스를 송신할 수 있다.
또한 본 발명의 일측면에 따르면, 상기 각 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 각기 다른 차수의 MHP 펄스를 송신하는 단계는 제2 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 1차 MHP 펄스를 송신할 수 있다.
또한 본 발명의 일측면에 따르면, 상기 각 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 각기 다른 차수의 MHP 펄스를 송신하는 단계는 제3 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 2차 MHP 펄스를 송신할 수 있다.
또한 본 발명의 일측면에 따르면, 상기 타겟 노드에서 상기 각각의 MHP 펄스를 수신한 후 상기 타겟 노드와 상기 레퍼런스 노드의 거리를 추정하는 단계는 상기 타겟 노드에서 서로 다른 차수의 펄스를 상기 레퍼런스 노드로부터 수신하고, 어느 레퍼런스 노드에서 상기 타겟 노드를 향하여 송신된 신호인지를 구분하여 단 한번의 송신과 수신으로 ToA 방식에 따라 상기 타겟 노드와 상기 레퍼런스 노드간의 거리를 추정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 ToA 방식에서 한가지의 신호로 레퍼런스 노드를 왕복하면서 발생하는 긴 위치 추정 시간을 대폭 감소시킴으로써, 좀 더 빠르게 위치를 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 대폭 줄어든 위치 추정 시간으로 인해 움직이는 타겟 노드의 위치를 기존의 ToA 방식보다 더 자주 위치 추정을 할 수 있으므로 좀 더 정밀하게 위치를 파악할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 MHP 펄스를 이용한 ToA 위치 추정 방법의 동작 흐름을 나타내는 도면이다.
도 2는 MHP pulse를 이용하여 3개의 레퍼런스 노드와 타겟 노드의 거리를 측정하고 타겟 노드의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 있어 레퍼런스 노드와 타겟 노드간에 신호를 송수신하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명 중 MHP 펄스를 이용한 ToA 방식과 기존의 ToA, TDoA의 위치 추정 시간의 비교를 나타낸 그래프이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 일실시예는 타겟 노드의 위치를 추정하는 방법 중에 시간을 기반으로 위치를 측정하는 방법 즉 ToA와 TDoA에 대한 방식을 전제로 한다. 기존의 ToA방식이 TDoA방식에 비해 위치 추정이 더욱 정확하다고 알려져 있으나 그 위치 추정 시간이 TDoA에 비해 굉장히 느린 편이다. 게다가 레퍼런스 노드가 늘어날수록 위치 추정 시간은 기하급수적으로 증가하게 된다. 본 발명에서는 이러한 ToA방식의 단점을 줄이기 위하여 MHP 펄스를 이용한 ToA 방식을 제안한다.
UWB 시스템에 사용되는 다양한 펄스들은 송수신 안테나의 특성을 고려하여 DC성분이 없도록 모형화(modeling)되며, 그 중에서 가장 많이 사용되고 있는 펄스는 가우시안 모노펄스이지만 본 발명에서는 각 차수 간에 직교성을 가지는 MHP 펄스를 사용하였다.
Hermite 변조는 영상처리에서 시공간상의 연관 관계를 밝히는데 사용되었으며, Hermite 미분방정식의 근으로 수학과 물리학 분야에서 널리 사용되고 있다.
수학식 7은 Hermite polynomial을 나타낸다.
[수학식7]
Figure pat00015
Hermite polynomial은 각 차수 간에 직교성을 갖지 않으므로, 각 차수 간에 직교성을 가지도록 변형한 것이 MHP이며, 수학식 8과 같이 정의한다.
[수학식 8]
Figure pat00016
여기서 n은 펄스 차수이다.
본 발명에서는 위에서 정의한 MHP 펄스를 이용하여 ToA추정을 한다.
본 발명은 타겟 노드로부터 직교성을 갖는 세 개의 MHP펄스를 각 레퍼런스 노드로 송신하고, 서로 다른 차수의 펄스를 레퍼런스 노드로부터 수신 받음으로써 어느 레퍼런스 노드에서 타겟 노드를 향하여 송신되어진 신호인지를 구분하여 단 한번의 송신과 수신으로 ToA 추정을 끝낼 수 있는 방법이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 MHP 펄스를 이용한 ToA 위치 추정 방법의 동작 흐름을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 타겟 노드에서는 레퍼런스 노드로 각기 다른 차수의 MHP 펄스들을 전송한다(110).
레퍼런스 노드A에서는 상기 타겟 노드로부터 전송된 MHP 펄스를 수신하고(121), 레퍼런스 노드B에서는 상기 타겟 노드로부터 전송된 MHP 펄스를 수신하고(122), 레퍼런스 노드C에서는 상기 타겟 노드로부터 전송된 MHP 펄스를 수신한다(123). 즉, 레퍼런스 노드A, B, C에서는 상기 타겟 노드로부터 전송된 각기 다른 차수의 MHP 펄스를 수신한다(121, 122, 123).
일정 응답 시간 후 상기 레퍼런스 노드A에서는 0차 MHP 펄스를 송신하고(131), 상기 레퍼런스 노드B에서는 1차 MHP 펄스를 송신하고(132), 상기 레퍼런스 노드C에서는 2차 MHP 펄스를 송신한다(133). 즉, 일정 응답 시간 후 상기 레퍼런스 노드A, B, C에서는 각기 다른 차수의 MHP 펄스를 상기 타겟 노드로 송신한다(131, 132, 133).
상기 타겟 노드에서는 각각의 MHP 펄스를 수신한 후 상기 타겟 노드와 상기 레퍼런스 노드A, B, C의 거리를 추정한다(140).
상기 타겟 노드에서는 상기 추정된 상기 타겟 노드와 각 레퍼런스 노드A, B, C와의 거리를 이용하여 타겟의 위치를 추정한다(150).
이와 같이, 본 발명에 따른 위치 추정 방법은 ToA 방식으로 위치 추정 시에 발생하는 TDoA에 비해 상대적으로 긴 위치 추정 시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 위치 추정 방법은 위치 추정 시간을 줄이기 위해 각 레퍼런스 노드를 한 번에 왕복할 수 있는 직교한 펄스를 이용하여 ToA 방식의 위치 추정 시간을 대폭 감소시킬 수 있다.
도 2는 MHP 펄스를 이용하여 3개의 레퍼런스 노드와 타겟 노드의 거리를 측정하고, 타겟 노드의 위치 추정을 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 세 개의 각기 다른 차수를 가진 직교한 펄스를 타겟 노드에서 송신 후에 각 레퍼런스 노드에서는 서로 다른 펄스를 타겟 노드에 재송신하게 되는 모형이다.
도 3은 본 발명에 있어 레퍼런스 노드와 타겟 노드간에 신호를 송수신하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 타겟 노드에서 송신된 MHP 펄스는 ToA 방법과 같이 각 레퍼런스 노드를 왕복하지만 각기 다른 신호이므로 각 신호는 tPA, tPB, tPC 후에 각 레퍼런스 노드에 도착하고
Figure pat00017
Figure pat00018
후에 타겟 노드로 다시 송신하게 된다. 그러므로, 본 발명은 기존의 ToA 추정 방식보다 짧은 시간 안에 모든 레퍼런스 노드와의 통신이 끝난다는 장점을 갖는다.
이와 같이, 본 발명은 기존의 ToA 방식에서 한가지의 신호로 레퍼런스 노드를 왕복하면서 발생하는 긴 위치 추정 시간을 대폭 감소시킴으로써, 좀 더 빠르게 위치를 추정할 수 있다.
또한, 본 발명은 대폭 줄어든 위치 추정 시간으로 인해 움직이는 타겟 노드의 위치를 기존의 ToA 방식보다 더 자주 위치 추정을 할 수 있으므로 좀 더 정밀하게 위치를 파악할 수 있다.
도 4는 본 발명에서 제안하는 MHP를 사용한 ToA 방식의 위치 추정 시간과 기존의 ToA 방식, TDoA 방식의 위치 추정 시간을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 기존 ToA 방식은 레퍼런스 노드의 수가 증가하면서 각 레퍼런스 노드를 신호가 왕복함에 따라 계산 시간이 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. 반면 MHP 펄스를 사용한 ToA 방식은 양방향 송신 방식으로 인해 단방향 송신 방식은 TDoA보다 계산 시간이 길긴 하지만 레퍼런스 노드의 증가에 상관없이 거의 일정한 계산 시간을 갖는 결과를 볼 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (3)

  1. 타겟 노드에서 3개 이상의 미리 알려진 레퍼런스 노드로 각기 다른 차수의 MHP 펄스들을 전송하는 단계;
    상기 3개 이상의 미리 알려진 레퍼런스 노드(reference node)에서 각각 MHP 펄스를 수신하는 단계;
    각 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 각기 다른 차수의 MHP 펄스를 송신하는 단계;
    상기 타겟 노드에서 상기 각각의 MHP 펄스를 수신한 후 상기 타겟 노드와 상기 레퍼런스 노드의 거리를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 타겟 노드와 각 레퍼런스 노드와의 거리를 이용하여 타겟의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는, 위치 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 각기 다른 차수의 MHP 펄스를 송신하는 단계는,
    제1 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 0차 MHP 펄스를 송신하고,
    제2 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 1차 MHP 펄스를 송신하고, 제3 레퍼런스 노드에서 상기 MHP 펄스에 대한 일정 응답 시간 후 2차 MHP 펄스를 송신하는, 위치 추정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 노드에서 상기 각각의 MHP 펄스를 수신한 후 상기 타겟 노드와 상기 레퍼런스 노드의 거리를 추정하는 단계는,
    상기 타겟 노드에서 서로 다른 차수의 펄스를 상기 레퍼런스 노드로부터 수신하고, 어느 레퍼런스 노드에서 상기 타겟 노드를 향하여 송신된 신호인지를 구분하여 단 한번의 송신과 수신으로 ToA 방식에 따라 상기 타겟 노드와 상기 레퍼런스 노드간의 거리를 추정하는, 위치 추정 방법.
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