KR20120048375A - Knn/pcm hybrid mehod using gath-geva method for indoor location determination in waln - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 WLAN에서 KNN과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법 에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 AP로부터 수신된 신호 잡음비(SNR)에 의한 무선 지문(Finger print) 방식의 데이터베이스를 활용하여 신호 잡음비 데이터에 관한 KNN(k-Nearest Neighbor)과 GG(GATH-GEVA)방법을 이용한 PCM(Possibilistic C-Means) 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a mixed wireless indoor positioning method based on PCM clustering using KNN and GG in WLAN. More specifically, the present invention relates to a wireless fingerprint database based on signal noise ratio (SNR) received from an AP. The present invention relates to a hybrid wireless indoor positioning method based on PCM (Possibilistic C-Means) clustering using k-Nearest Neighbor (KNN) and GG (GATH-GEVA) methods.
위치기반 서비스에서 측위 기술은 핵심/기반 기술로 오늘날 GPS가 그 중심을 차지하고 있지만 실내와 같은 음영 지역에서는 새로운 방식의 측위 기술을 필요로 하고 있으며, 무선통신 인프라 기반의 측위 기술이 연구되어 오고 있다. In the location-based service, positioning technology is the core / based technology, but GPS is the center of today, but in the shadow area such as indoors, a new type of positioning technology is required, and positioning technology based on wireless communication infrastructure has been studied.
실외에서는 CDMA 기반 무선 측위 기술, 실내에서는 WLAN, UWB, 적외선, 초음파, RFID 등의 인프라를 이용한 무선 측위 기술이 연구되고 부분적으로 상용화되고 있다. CDMA-based wireless positioning technology in the outdoors, wireless positioning technology using infrastructure such as WLAN, UWB, infrared, ultrasonic, RFID, etc. have been studied and partially commercialized.
최근 미국, 유럽 등 많은 국가에서 무선 랜 실내 위치 측위에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 대표적으로 인텍(Intel)사에서 진행 중인 PlaceLab 프로젝트는 기본적으로 무선 랜 신호 값에 기반하여 위치를 측정한다.Recently, researches on indoor positioning of wireless LAN have been actively conducted in many countries such as the US and Europe. The PlaceLab project, which is typically under way at Intel, basically measures the location based on the WLAN signal value.
그리고 한 단계 더 나아가 GSM, 블루투스, RFID 등과 같은 최신 네트워크 인프라를 구축하여 보다 정확한 위치 추적 방법을 연구 중에 있다.In addition, the company is researching more accurate location tracking method by building up the latest network infrastructure such as GSM, Bluetooth, RFID, etc.
유럽의 교통 약자들을 위한 ASK-IT 프로젝트에서는 홈 서비스, 실내 안내 등을 제공할 때 무선 랜 네트워크를 변형한 MOTE 센서 네트워크를 이용한 실내 위치 측정 방법을 연구하고 있다.The ASK-IT project for European traffic weakness is studying indoor location measurement using the MOTE sensor network, which is a modification of the wireless LAN network when providing home services and indoor guidance.
이외에도 무선 신호의 전파 모델(Propagation model)과 계산된 지점과 가장 가까운 곳을 선택하는 Nearest Neighbor 기법을 이용한 RADAR 시스템 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.In addition, research on the propagation model of the radio signal and the RADAR system using the Nearest Neighbor technique that selects the nearest point to the calculated point are actively conducted.
한편, 현재 상용화되어 판매 중인 시스템으로 Ekahau RTLS(Real-Time Location System), AeroScout Visibility System 등이 있다.On the other hand, the commercialized and marketed systems include Ekahau Real-Time Location System (RTLS) and AeroScout Visibility System.
상기 설명한 연구들에서 제시된 구체적인 측위 방법으로는 GPS에서도 사용되고 있는 삼각 측량법과, Cellular망과 같이 격자 형태로 지역을 분할하여 셀(Cell)단위로 위치를 측정하는 무선 지문(Fingerprinting) 방식이 있다. Specific positioning methods presented in the above-described studies include triangulation methods, which are also used in GPS, and wireless fingerprinting, which measures the location in units of cells by dividing the area into a grid like a cellular network.
여기서, 무선 지문 방식은 확률론적 모델링에 의한 위치 추정 방법으로서, 노이즈 및 주위 환경 정보를 위치 추적을 위한 정보로 활용한다. In this case, the wireless fingerprint method is a location estimation method using probabilistic modeling, and uses noise and surrounding environment information as information for location tracking.
또한, 무선 랜을 이용한 위치 측위 결정을 위한 무선 지문 방식의 알고리즘은 K-NN 방법, 베이지안(Bayesian) 방법, 신경망, 판단 나무 방법 등에 의해 구현된다.In addition, an algorithm of a wireless fingerprint method for determining a location using a wireless LAN is implemented by a K-NN method, a Bayesian method, a neural network, a decision tree method, and the like.
Fuzzy C-Means(FCM) 군집화 방법은 하나의 클러스터에 속해져 있는 각각의 데이터들을 클러스터에 대한 데이터의 소속 정도에 따라 분류하는 데이터 분류 알고리즘으로 Bezdek에 의해 제안되었다. The Fuzzy C-Means (FCM) clustering method is proposed by Bezdek as a data classification algorithm that classifies each data belonging to one cluster according to the degree of belonging to the cluster.
FCM은 여러 분야에서 성공적으로 적용되었지만 FCM은 하나의 포인트가 모든 클러스터에 속할 정도의 합이 1이 되도록 함으로써 때때로 직관적인 분할과는 다른 결과를 보여준다.FCM has been successfully applied in many fields, but FCM sometimes yields results that are different from intuitive partitioning by allowing the sum of one point to belong to all clusters.
또한 이러한 제약 사항으로 인해 FCM은 잡음에 민감한 특성을 갖는다. 이러한 문제를 해결하기 위해 FCM의 제약을 제거한 Possibilistic C-Mean(PCM)가 제안되었다.These constraints also make FCM noise sensitive. In order to solve this problem, Possibilistic C-Mean (PCM) has been proposed that removes the limitation of FCM.
PCM은 기존의 확률적인 방법이 아닌 가능성 이론을 사용하여 잡음이나 특이점(outlier)들이 어느 클러스터에도 소속되지 않도록 함으로써 잡음 민감성을 제거하였지만, 각각의 클러스터들이 서로 영향을 주지 않으므로 초기화에 민감하고 때때로 중복된 클러스터를 찾아내는 문제점이 있었다.PCM eliminates noise susceptibility by preventing noise or outliers from belonging to any cluster using the probability theory rather than the traditional probabilistic method, but because each cluster does not affect each other, it is sensitive to initialization and sometimes duplicated. There was a problem finding the cluster.
이러한 FCM의 잡음 민감성과 PCM의 중첩 클러스터 문제를 극복하기 위해 확률적 측도 또는 소속도와 가능성 측도 또는 전형성를 함께 사용하는 방안이 강구될 필요가 있다.In order to overcome the noise sensitivity of the FCM and the overlap cluster problem of the PCM, a method of using both a probability measure or affiliation measure and likelihood measure or typicality needs to be devised.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 무선 환경 하에서 패턴 매칭 알고리즘을 위해 training 단계에서 여러 개의 AP(Access Point)로부터 수신된 신호 잡음비(Signal to Noise Ratio: SNR)를 측정하여 무선 지문(fingerprint) 방식의 데이터베이스를 만들어 활용하는 KNN과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art described above, the wireless fingerprint by measuring the signal to noise ratio (SNR) received from a plurality of AP (Access Point) in the training step for a pattern matching algorithm in a wireless environment The purpose of this study is to provide a hybrid wireless indoor positioning method based on PCM clustering using KNN and GG method that creates and utilizes a (fingerprint) database.
본 발명의 다른 목적은 측위를 위한 특수 장비를 사용하지 않고, 기존에 설치된 AP를 이용한 신호 잡음비 데이터에 관한 KNN과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a mixed wireless indoor positioning method based on PCM clustering using KNN and GG methods for signal noise ratio data using an existing AP without using special equipment for positioning.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 KNN과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법은, 무선 환경 하에서 복수의 각 기준 지점(Reference Point: RP)에서 수집된 제1 전파 특성 값 데이터를 무선 지문 방식으로 데이터베이스화 하여 저장하는 단계와, 단말이 위치한 테스트 지점(Test Point: TP)에서 복수의 AP(Access Point)로부터 수신된 제2 전파 특성 값 데이터를 가지는 상기 기준 지점을 KNN(k-Nearest Neighbor)/GG방법을 이용한 PCM(Possibilistic C-Mean) 혼합 기법을 사용하여 검색하는 단계를 포함한다.In accordance with one aspect of the present invention, a wireless indoor positioning method based on PCM clustering using the KNN and GG methods according to an aspect of the present invention, a first collected at a plurality of reference points (RP) in a wireless environment And storing the propagation characteristic value data in a database by a wireless fingerprint method and having the second propagation characteristic value data received from a plurality of access points at a test point (TP) where a terminal is located. Searching for using the PSM (Possibilistic C-Mean) mixing technique using k-Nearest Neighbor (KNN) / GG method.
여기서, 제2 전파 특성 값에 대응되는 제1 전파 값을 검색하는 것은 제2 전파 특성 값을 가지는 단말의 위치를 추정하기 위한 것으로서, 이를 위하여 본 발명에서는 수신된 제2 전파 특성 값에 근접한 제1 전파 특성 값을 가지는 기준 지점이 KNN 기법에 의해 선택되고, 선택된 k개의 기준 지점의 제 1 전파 특성 값 데이터는 GG방법을 이용한 PCM 기법에 의해 군집화된다.The retrieval of the first propagation value corresponding to the second propagation characteristic value is for estimating the position of the terminal having the second propagation characteristic value. To this end, the present invention provides a first propagation value close to the received second propagation characteristic value. Reference points having propagation characteristic values are selected by the KNN technique, and the first propagation characteristic value data of the selected k reference points are clustered by the PCM technique using the GG method.
그리고 군집화된 복수의 군집 중에서 군집 중심 벡터와 제1 전파 특성 값 데이터에 대한 GK 거리가 최소인 군집이 선택되고, 선택된 군집에 속하는 기준 지점들의 위치 좌표의 산술적인 평균이 단말의 위치로 산출된다.The cluster having the smallest GK distance to the cluster center vector and the first propagation characteristic value data is selected from among the plurality of clustered clusters, and an arithmetic mean of the position coordinates of the reference points belonging to the selected cluster is calculated as the position of the terminal.
본 발명에 따르면, 무선 환경 하에서 패턴 매칭 알고리즘을 위한 training 단계에서는 복수 개의 AP로부터 수신된 전파 특성 값(예를 들어, 신호 잡음비(SNR))를 측정되고, 이는 무선 지문(fingerprint) 방식의 데이터베이스화 되어, 측위를 위한 특수 장비를 전혀 사용하지 않고도 기존에 설치된 AP를 사용하면서 단말의 위치를 추정할 수 있는 KNN 기법과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기법 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법을 제안한다.According to the present invention, in a training step for a pattern matching algorithm in a wireless environment, a propagation characteristic value (for example, a signal noise ratio (SNR)) received from a plurality of APs is measured, which is a database of a wireless fingerprint scheme. Therefore, we propose a hybrid wireless indoor positioning method based on the PCM clustering method using the KNN method and the GG method that can estimate the location of the terminal using the existing AP without using any special equipment for positioning.
종래의 KNN 기법에 의하면 광범위하고 복잡한 실내 환경에서는 계산 량이 많아지므로 단말의 최적 위치를 찾기 어려운 단점이 있었다. 본 발명에서는 이를 해결하기 위하여 KNN/ GG방법을 이용한 PCM 혼합 알고리즘을 적용한다.According to the conventional KNN method, since the computational amount increases in a wide and complex indoor environment, it is difficult to find the optimal position of the terminal. In the present invention, to solve this problem, a PCM mixing algorithm using the KNN / GG method is applied.
이와 같은 KNN/GG방법을 이용한 PCM 혼합 알고리즘을 적용한 본 발명에 따르면 실내 측위 결정에 있어서 데이터베이스 검색 효율을 높일 수 있고, 검색의 정확도를 향상시킬 수 있다.According to the present invention to which the PCM mixing algorithm using the KNN / GG method is applied, the database search efficiency can be increased and the accuracy of the search can be improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 KNN과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 일 실시예에 따른 KNN과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법이 실행되는 장소의 일 예를 도시한 예시도이다.1 is a flowchart illustrating a mixed wireless indoor positioning method based on PCM clustering using the KNN and GG methods according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary diagram illustrating an example of a place where a mixed wireless indoor positioning method based on PCM clustering using the KNN and GG methods according to the present invention is executed.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and the general knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First of all, in adding reference numerals to the elements of each drawing, the same elements are denoted by the same reference numerals as much as possible even though they are shown in other drawings, and in describing the present invention, If the description can obscure the subject matter of the present invention, the detailed description is omitted.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 KNN과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 KNN과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법을 도시한 순서도이고, 도 2는 본 발명에 일 실시예에 따른 KNN과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법이 실행되는 장소의 일 예를 도시한 예시도이다.1 and 2 will be described a hybrid wireless indoor positioning method based on PCM clustering using the KNN and GG method according to an embodiment of the present invention. 1 is a flowchart illustrating a mixed wireless indoor positioning method based on PCM clustering using the KNN and GG methods according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart illustrating a KNN and GG method according to an embodiment of the present invention. It is an exemplary diagram showing an example of a place where a mixed wireless indoor positioning method based on PCM clustering is performed.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 지문(Fingerprint) 방식은 WLAN을 이용한 방식으로서, 단말이 수신하는 RF 신호 강도(signal strength)를 측정하여 신호 감쇠로 인한 신호 전달 거리를 측정하여 위치를 계산할 수 있다.Wireless fingerprint (Fingerprint) method according to an embodiment of the present invention is a method using a WLAN, the position can be calculated by measuring the signal transmission distance due to signal attenuation by measuring the RF signal strength received by the terminal. .
이는 확률론적 모델링에 의한 위치 추정 방법으로서, 노이즈 및 주위 환경 정보를 위치 추적을 위한 정보로 활용한다. This is a location estimation method using probabilistic modeling, and uses noise and surrounding information as information for location tracking.
본 발명에 따른 무선 실내 측위 방법을 실시하기 위한 시스템은 예를 들어, 실내 WLAN 신호를 수집하고 측위 모델(database)을 구성하여 이를 저장하는 역할을 수행하는 서버와, 클라이언트(또는, 단말)로 구성될 수 있다. The system for implementing a wireless indoor positioning method according to the present invention comprises, for example, a server that collects indoor WLAN signals, configures a location model (database), and stores them, and a client (or terminal). Can be.
여기서, 서버는 PDA, PC, Handset 등 WLAN 인터페이스 기능을 가지는 클라이언트가 위치를 요청하면 저장된 측위 모델에 근거하여 위치를 계산하여 이를 클라이언트로 회신한다. Here, when a client having a WLAN interface function such as a PDA, a PC, a handset, etc. requests a location, the server calculates a location based on the stored location model and returns it to the client.
이하, 단말의 요청에 따라 추정된 단말의 위치를 회신하기 위하여 서버가 수행하는 KNN과 GK방법을 이용한 PFCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법을 설명한다.Hereinafter, a hybrid wireless indoor positioning method based on PFCM clustering using a KNN and a GK method performed by a server in order to return the estimated location of the terminal at the request of the terminal will be described.
본 발명에 따라 무선 실내 측위를 수행하기 위해서는 먼저, 무선 환경 하에서 복수의 각 기준 지점(Reference Point: RP)에서 수집된 제1 전파 특성 값 데이터가 무선 지문 방식으로 데이터베이스화 돠어 서버에 저장된다(S110).In order to perform wireless indoor positioning according to the present invention, first, the first propagation characteristic value data collected at each reference point (RP) in a wireless environment is stored in a database by a wireless fingerprinting method (S110). ).
이를 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 위치 측위 대상이 되는 공간은 일정한 범위로 나뉘고, 각 RP(Reference Point)의 위치 값은 서버 데이터베이스에 저장된다. To this end, as shown in FIG. 2, the space to be positioned is divided into a predetermined range, and the position value of each reference point (RP) is stored in a server database.
이후, 각 RP의 위치 값과 함께 AP(Access Point)로부터 단말(MU: Mobile Unit)에 도달한 신호 세기 측정 값으로부터 추출된 제1 전파 특성 값(예를 들어, 신호 잡음비: SNR)가 서버의 데이터베이스에 저장된다.Subsequently, the first propagation characteristic value (for example, signal noise ratio: SNR) extracted from the signal strength measurement value reaching the mobile unit (MU) from the access point (AP) together with the position value of each RP is determined by the server. It is stored in the database.
이 과정은 측위 대상이 되는 공간의 모든 RP에 대한 측정이 완료될 때까지 반복적으로 수행된다.This process is performed repeatedly until the measurement of all the RP of the space to be measured is completed.
도 2에서는 총 길이 25m×4m인 복도에 1m 간격으로 63개의 RP와 40개의 TP(Test Point) 바둑판 모양으로 지정되었다. 여기서, RP는 검정색으로 본 발명의 성능을 평가하기 위한 TP 포인트는 빨간색으로 표시되고, 각 TP에서 단말은 2개의 AP로부터 신호를 수신한다.In FIG. 2, 63 RP and 40 TP (Test Point) checker boards were designated at 1m intervals in a corridor having a total length of 25m × 4m. Here, the RP is black and the TP points for evaluating the performance of the present invention are displayed in red, and in each TP, the terminal receives signals from two APs.
다음으로, 서버는 단말의 위치 요청 신호와 함께 수신되는 복수의 제2 전파 특성 값(예를 들어, 위치 요청 신호를 전송하는 장소에서 복수의 AP로부터 수신된 신호 잡음비)를 S110 단계에 의해 데이터베이스에 저장된 제1 전파 특성 값과 비교하여 위치 요청 신호를 전송한 단말의 위치와 가장 적합한 위치 데이터 정보를 결정한 후 그 위치 값을 단말에 제공한다. Next, the server transmits a plurality of second propagation characteristic values (for example, signal noise ratios received from the plurality of APs at a location for transmitting the location request signal) received together with the location request signal of the terminal to the database in step S110. The location value of the terminal having transmitted the location request signal and the most suitable location data information are determined by comparing with the stored first propagation characteristic value, and the location value is provided to the terminal.
이를 위하여, 먼저 서버는 복수의 AP로부터 수신된 제2 전파 특성 값(이하, 신호 잡음비: SNR)에 근접한 k개의 제1 전파 특성 값 데이터를 KNN 기법을 사용하여 선택한다(S120).To this end, first, the server selects k first propagation characteristic value data close to a second propagation characteristic value (hereinafter, referred to as a signal noise ratio: SNR) received from a plurality of APs using the KNN technique (S120).
여기서, KNN(k-Nearest neighbor) 기법은 기억 기반 추론기법 중에 하나로 패턴 인식에 많이 활용된다.Here, the K-Nearest neighbor (KNN) technique is one of memory-based reasoning techniques and is widely used for pattern recognition.
KNN 기법에 따르면, 유사도 함수에 기반하여 제2 전파 특성 값에 근접한 k개의 제1 전파 특성 값을 서버 데이터베이스로부터 선택할 수 있다.According to the KNN technique, k first propagation characteristic values close to the second propagation characteristic values may be selected from the server database based on the similarity function.
RP와 AP의 수를 각각 m과 n으로 가정하면, 수신된 제2 전파 특성 값과 제1 전파 특성 값 데이터 집합과의 유사도는 수학식 1에서 산출되는 거리를 이용하여 구할 수 있다.Assuming the numbers of RP and AP are m and n, respectively, the similarity between the received second propagation characteristic value and the first propagation characteristic value data set can be obtained using the distance calculated in Equation 1.
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 는 유사도를 구하기 위하여 산출되는 거리, 는 S110 단계에서 저장된 i번째 RP에서 j번째 AP에 대한 SNR 데이터, 는 복수의 AP 중, j번째 AP로부터 수신된 SNR 데이터이다.here, Is the distance computed to find the similarity, SNR data for the j th AP in the i th RP stored in step S110, Of the plurality of APs, SNR data received from the j th AP.
이와 같은 KNN 기법은 수학식 1의 모수 k와 q에 따라 다양한 패턴 결과가 나타난다. 모수 k는 추정할 좌표에 대한 RP의 수이고, 모수 q는 거리 타입을 의미한다. Such KNN technique results in various patterns according to the parameters k and q of Equation 1. The parameter k is the number of RPs for the coordinates to be estimated, and the parameter q means the distance type.
일반적으로 모수 q가 1 일 때는 맨하탄 거리를 의미하고, 모수 q가 2 일 때는 유클리드 거리를 의미한다. KNN 기법의 복잡성과 위치 예측을 고려했을 때 일반적으로 모수 q는 1과 2를 사용한다.In general, when parameter q is 1, it means Manhattan distance, and when parameter q is 2, it means Euclidean distance. Considering the complexity of the KNN technique and the location prediction, the parameters q generally use 1 and 2.
그리고 S120 단계에서 선택된 k개의 제 1 전파 특성 값 데이터는 PCM(Possibilistic C-Means clustering) 기법에 의해 군집화된다(S130).The k first propagation characteristic value data selected in step S120 are clustered by a Possibilistic C-Means clustering (PCM) technique (S130).
이하, PCM 기법을 보다 구체적으로 설명하기 위하여, 이와 대응되는 FCM 기법을 먼저 설명한다.Hereinafter, in order to describe the PCM technique in more detail, a corresponding FCM technique will be described first.
FCM 기법은 하나의 클러스터에 속해져 있는 각각의 데이터들을 클러스터에 대한 각 데이터의 소속 정도에 따라 분류하는 데이터 분류 알고리즘으로 Bezdek에 의해 제안되었다.The FCM scheme is proposed by Bezdek as a data classification algorithm that classifies each data in one cluster according to the degree of belonging of each data in the cluster.
FCM 기법은 n개의 벡터의 집합을 c개의 퍼지 그룹으로 분할하고, 각각의 그룹 안에서 클러스터의 중심(예를 들어, 소속 정도 측정 비용함수가 최소가 되는 지점)을 찾는다.The FCM technique divides a set of n vectors into c fuzzy groups and finds the center of the cluster (e.g., the point where membership measuring cost function is minimum) within each group.
FCM 기법은 소속 정도에 따라 0과 1사이에서 다른 값을 가지는 소속감(Membership) 정도(이하, 소속도 값)를 이용하여, 주어진 데이터 점이 몇 개의 그룹에 속할 수 있다는 퍼지분할을 사용한다.The FCM technique uses fuzzy partitioning that a given data point can belong to several groups by using a degree of membership (hereinafter, referred to as a membership value) that has a value between 0 and 1 depending on the degree of belonging.
즉, 퍼지 분할을 적응하기 위해서 소속 함수 U는 0과 1 사이 값을 가지는 요소들을 가지며 데이터 집합에 대한 소속도 값의 합은 항상 1이다.That is, in order to adapt the fuzzy partitioning, the membership function U has elements with values between 0 and 1, and the sum of the membership values for the data set is always 1.
FCM에서 각 SNR 데이터 포인트 는 각 퍼지 부분집합 즉, 각 클러스터에 소속되는 정도를 가지며, 목적 함수는 수학식 2와 같이 주어진다.Each SNR data point in the FCM Has a degree belonging to each fuzzy subset, that is, each cluster, and the objective function is given by
[수학식 2][Equation 2]
이때 m은 퍼지성(fuzziness) 정도를 나타내는 상수로 일반적으로 2로 설정된다. 는 k번째 SNR 데이터 포인트와 i번째 클러스터 중심 사이의 거리 제곱을 나타내며, 수학식 1의 마할라노비스 거리가 그 한 예에 해당한다.In this case, m is a constant representing the degree of fuzziness and is generally set to 2. Denotes the square of the distance between the k-th SNR data point and the i-th cluster center, and the Mahalanobis distance of Equation 1 corresponds to one example.
라그랑주(Lagrange)의 방법을 사용하여 U와 는 각각 수학식 3, 4와 같이 구해지고, 일반적으로 AO(Alternating Optimization)방법을 통해 국부 최대값이 구해진다.Using Lagrange's method, U and are obtained as Equations 3 and 4, respectively, and a local maximum is generally obtained through AO (Alternating Optimization).
[수학식 3]&Quot; (3) "
[수학식 4]&Quot; (4) "
PCM(Possibilistic C-Means) 기법은 FCM 기법의 직관적이지 못한 소속도 값을 개선하기 위해 소속도 값의 합이 1되는 제약 사항을 제거한 것이다.Possibilistic C-Means (PCM) technique removes the constraint that the sum of membership values is 1 to improve the non-intuitive membership value of the FCM technique.
PCM 기법에서는 각 포인트가 클러스트(또는, 군집)에 속하는 정도를 표현하기 위해 소속도가 아닌 전형성(typicality)을 사용한다. PCM 기법의 목적 함수는 수학식 5와 같으며, 수학식 5의 우항의 두 번째 항은 모든 값이 0이 되는 경우 목적 함수가 최소화되는 자명해(trivial solution)을 제거하기 위해 첨가된 항이다.The PCM technique uses typicality rather than membership to represent the degree to which each point belongs to a cluster (or cluster). The objective function of the PCM technique is shown in Equation 5, and the second term of the right term of Equation 5 is a term added to remove a trivial solution in which the objective function is minimized when all values become zero.
[수학식 5][Equation 5]
여기서, here,
= =
여기서, 는 0과 1 사이의 수적인 값으로 i번째 클러스터에 속해져 있는 의 k번째 데이터의 전형성 정도를 나타낸다. 는 i번째 클러스터의 중심 벡터이다. here, Is a numerical value between 0 and 1 that belongs to the i th cluster. Represents the degree of typicality of the k-th data. Is the center vector of the i th cluster.
는 각 클러스터의 부피를 나타내는 값으로 클러스터의 크기 추정과 특이점(outlier) 판별에 영향을 미친다. 는 특성 공간상의 변수이다. Is a value representing the volume of each cluster, which affects the estimation of the cluster size and the outlier discrimination. Is a variable in the property space.
m은 전형성 함수의 퍼지성의 정도에 대한 영향을 나타내는 지수의 가중치이다. 이 값은 와 같은 범위를 가지고 있으며 분류 과정에서 퍼지성의 양을 제어하는 파라미터이다. 보통 m을 2로 설정한다.m is the weight of the exponent indicating the effect on the degree of fuzzyness of the typical function. This value has the same range as and is a parameter that controls the amount of fuzzyness in the classification process. Usually m is set to 2.
PCM 역시 FCM과 같이 AO 방법을 통해 국부 최대값을 구하는 것이 일반적이며 값은 수학식 6과 같이 주어지고 값은 수학식 7과 같다. PCM, like FCM, is also commonly used to obtain local maxima through AO method. The value is given by Equation 6 The value is shown in Equation 7.
[수학식 6]&Quot; (6) "
[수학식 7][Equation 7]
수학식 6은 수학식 3이 한 데이터 포인트와 모든 클러스터 중심 사이의 거리를 고려하는 것과 달리 한 데이터 포인트와 하나의 클러스터 중심 사이의 거리만을 고려한다. Equation 6 considers only the distance between one data point and one cluster center, unlike Equation 3 considering the distance between one data point and all cluster centers.
이와 같은 PCM 기법은 기본적으로 유클리드 거리를 사용함으로 인해 몇 가지 문제점을 안고 있다. 수학식 5와 같은 유클리드 거리는 클러스터들이 서로 중첩되지 않고 구형을 이루며 각 클러스터에 속하는 데이터 포인트들의 개수가 비슷한 경우에 효과적이다.This PCM technique has some problems due to the use of Euclidean distance. Euclidean distance, such as Equation 5, is effective when the clusters do not overlap each other and form a sphere, and the number of data points belonging to each cluster is similar.
따라서, 구형이 아닌 클러스터의 경우에는 문제가 발생할 수 있다. 이를 개선하여 타원형의 클러스터를 찾아낼 수 있도록 본 발명에서는 FCM 기법에 Gath와 Geva(이하, GG)에 의해 제안된 GG방법이 적용된다. Therefore, problems may arise in the case of non-spherical clusters. The GG method proposed by Gath and Geva (hereinafter, referred to as GG) is applied to the FCM technique in order to improve this and find an elliptical cluster.
GG 방법은 분산 행렬이 역행렬을 구하는데 있어 특이점이 발생하지 않도록 하는 개선된 방법을 사용하고, 가우스 분포 함수에 반비례하는 값을 거리로 사용한다. The GG method uses an improved method to ensure that the singularity does not occur in variance matrices, and uses distances that are inversely proportional to the Gaussian distribution function.
GG 방법에 의한 각 클러스터의 퍼지 분산 행렬 를 수학식 8과 같이 계산한다.Fuzzy Variance Matrix of Each Cluster by GG Method Is calculated as in Equation 8.
[수학식 8] [Equation 8]
계산된 분산 행렬은 수학식 9에서 포인트와 클러스터 중심 사이의 거리를 구하기 위하여 사용된다.The computed variance matrix is used in Equation 9 to find the distance between the point and the center of the cluster.
[수학식 9][Equation 9]
여기서, 는 각 클러스터의 사전확률로 수학식 10과 같이 정의한다.here, Is defined as Equation 10 as the prior probability of each cluster.
[수학식 10][Equation 10]
이하, 거리척도의 한 방법인 GG 방법을 이용한 FCM 군집화 알고리즘 구현 방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, a method of implementing the FCM clustering algorithm using the GG method, which is a method of distance measurement, will be described.
Step 1. (초기화 단계) Step 1. (initialization step)
클러스터 개수 c(2<c<n)을 정하고 지수의 가중치 m을 선택한다. 초기 전형성 함수 을 초기화한다. 알고리즘 반복횟수를 로 표시한다.Determine the number of clusters c (2 <c <n) and choose the weight m of the exponent. Initial typical function Initialize Algorithm iteration count To be displayed.
Step 2. 상기 수학식 7을 이용하여 퍼지 클러스터의 중심 을 구한다.
Step 3. 상기 수학식 9를 이용하여 포인트와 클러스터 중심 사이의 거리를 구한다. Step 3. Using Equation 9, find the distance between the point and the center of the cluster.
Step 4. 다음 수학식 11을 이용하여 새로운 전형성 함수 을 계산한다.Step 4. New typical function using Equation 11 .
[수학식 11][Equation 11]
여기서, , N이고, 이다.here, , N ego, to be.
또한, 이다.Also, to be.
Step 5. Step 5.
수학식 12를 계산해서 이면 r=r+1로 정의하고 Step 2 단계를 반복 수행, 그러지 않으면 종료한다. (: 임계값)Calculate Equation 12 If so, define r = r + 1 and
[수학식 12][Equation 12]
다음으로, S130 단계에서 GG방법을 이용한 PCM 기법에 의해 형성된 복수의 제1 전파 특성 값 데이터의 군집 중에서 군집 중심 벡터와 제1 전파 특성 값 데이터에 대한 GG 거리가 최소인 군집을 선택한다(S140).Next, a cluster having a minimum GG distance for the cluster center vector and the first propagation characteristic value data is selected from among the plurality of clusters of the first propagation characteristic value data formed by the PCM method using the GG method in operation S130 (S140). .
SNR 데이터에 대한 GG 거리가 최소인 군집에 속한 RP는 TP에서 측정된 SNR 데이터와 가장 유사한 특징을 갖는다고 가정하면 선택된 RP를 사용하여 실내 위치 추정의 성능을 향상시킬 수 있다.Assuming that the RP belonging to the cluster with the smallest GG distance for the SNR data has the characteristics most similar to the SNR data measured at the TP, the selected RP can be used to improve the performance of indoor location estimation.
그리고 S140 단계에서 선택된 군집 중에서 단말에서 측정된 제2 전파 특성 값 데이터와 가장 적합한 군집을 선택한 후, 군집 내에 있는 RP들의 평균을 산출하여 단말의 위치를 추정한다(S150).After selecting the most suitable cluster with the second propagation characteristic value data measured by the terminal among the clusters selected in step S140, the position of the terminal is estimated by calculating an average of RPs in the cluster (S150).
여기서, RP들의 평균은 각각의 RP들의 위치 좌표 값의 산술 또는 기하 평균을 포함할 수 있다.Here, the average of the RPs may include an arithmetic or geometric mean of the position coordinate values of the respective RPs.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
As mentioned above, the configuration of the present invention has been described in detail through preferred embodiments of the present invention, but a person having ordinary knowledge in the art to which the present invention pertains disclosed herein without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be appreciated that the present invention may be embodied in other specific forms than. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. The protection scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (2)
단말이 위치한 테스트 지점(Test Point: TP)에서 복수의 AP(Access Point)로부터 수신된 제2 전파 특성 값에 대응되는 상기 제1 전파 특성 값 데이터를 가지는 상기 기준 지점을 KNN(k-Nearest Neighbor)/GG방법을 이용한 PCM(Possibilistic C-Mean) 혼합 기법을 사용하여 검색하는 단계
를 포함하는 KNN과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법.Storing the first propagation characteristic value data collected at each reference point (RP) in a wireless environment in a database by a wireless fingerprint method; And
A reference point having the first propagation characteristic value data corresponding to the second propagation characteristic values received from a plurality of APs at a test point (TP) where a terminal is located is referred to as KNN (k-Nearest Neighbor) Search using the PCM (Possibilistic C-Mean) Mixing Technique
Mixed wireless indoor positioning method based on PCM clustering using KNN and GG method, including.
상기 제2 전파 특성 값에 근접한 상기 제1 전파 특성 값을 가지는 k개의 상기 기준 지점을 상기 KNN 기법을 사용하여 선택하는 단계;
선택된 k개의 상기 기준 지점의 상기 제 1 전파 특성 값 데이터를 상기 GG방법을 이용한 PCM 기법을 사용하여 군집을 형성하는 단계;
형성된 상기 군집 중에서 군집 중심 벡터와 상기 제1 전파 특성 값 데이터에 대한 GG 거리가 최소인 군집을 선택하는 단계; 및
선택된 상기 군집에 속하는 상기 기준 지점들의 위치 좌표의 산술적인 평균을 산출하여 단말의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 것
인 KNN과 GG방법을 이용한 PCM 군집화 기반의 혼합된 무선 실내 측위 방법.
The method of claim 1, wherein the searching comprises:
Selecting k reference points having the first propagation characteristic value close to the second propagation characteristic value using the KNN technique;
Forming a cluster of the first propagation characteristic value data of the k selected reference points by using the PCM method using the GG method;
Selecting a cluster having a minimum GG distance with respect to a cluster center vector and the first propagation characteristic value data among the formed clusters; And
Estimating the position of the terminal by calculating an arithmetic mean of the position coordinates of the reference points belonging to the selected cluster;
Hybrid indoor positioning method based on PCM clustering using KNN and GG methods.
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