KR20130017135A - 실내용 위치인식 시스템 및 위치인식 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실내용 위치인식 시스템 및 위치인식 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 위치인식 시스템은 무선센서 네트워크에의 다중 셀 또는 다중 태그를 지원하여 정확한 위치파악이 가능하다. 본 발명에 따르면, 시간슬롯의 할당을 통해 무선센서 네트워크의 다중 셀 또는 다중 태그 환경에서 실시간으로 정확한 위치인식이 가능하다. 즉, 코디네이터 앵커가 시간슬롯의 할당을 통해 다중 셀 또는 다중 태그의 제어로 셀간 또는 태그 간의 전파 충돌 현상을 회피할 수 있어서 정확하게 위치를 측정할 수 있고, 다중 셀 또는 다중 태그 환경에서 시간슬롯 할당시 시간슬롯을 할당받지 못한 셀 또는 위치인식장치의 활성화를 차단하여 전력의 낭비를 방지할 수 있으며, 시간슬롯 할당의 확장을 통해 다중 셀간의 핸드오버(handover)를 지원할 수 있다.

Description

실내용 위치인식 시스템 및 위치인식 방법{system for recognizing indoor position and method thereof}
본 발명은 위치인식 시스템 및 위치인식 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 무선센서 네트워크에서의 시간슬롯 할당을 통해 위치인식을 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
종래의 무선센서 네트워크(Wireless Sensor Network : 이하 WSN이라 약칭함)는 센서 노드, 센서 노드로부터 수집된 정보를 가공하는 프로세서 및 가공된 정보를 전송하는 무선 송수신 장치를 포함한다.
기존의 네트워크와 다르게 의사소통을 할 뿐만 아니라 자동화된 원격정보 수집이 가능하여 과학적·의학적·군사적·상업적 용도 등 다양한 응용 개발에 폭넓게 활용되고 있다.
이러한 무선센서 네트워크는 인간 중심의 유비쿼터스 패러다임이 확대되면서 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiguitous sensor network)로 발전하였으며, 특히 무선 송수신기를 내장한 태그가 부착된 사물 또는 태그를 부착한 사람의 위치를 파악하는 위치인식 분야에 활용되고 있다.
무선센서 네트워크에서의 위치인식을 위해, 수신신호의 강도를 측정하고 측정된 강도를 거리 값으로 계산하여 위치를 측정하는 수신신호 강도 표시법(Received Signal Strength Indication)이 제안되었다.
그러나, 이러한 방법은 무선 주파수(Radio Frequency, RF)와 같은 전자기 신호의 특성상 다중 경로 또는 반사에 의한 급격한 변화로 오류가 발생할 경우 정확한 위치정보를 제공하지 못하는 문제점이 있다.
무선센서 네트워크에서의 다른 위치인식 방법으로는 노드 간 전송된 신호의 경과시간을 측정하여 위치를 파악하는, 노드 간 간섭이 있는 환경에서 RSSI 보다 정확한 위치인식이 가능한 신호 경과시간 측정법(Time of Flight)이 있다.
그러나, ToF는 클록의 동기화가 필요한 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하고자, 위치파악을 위해 송신한 패킷에 대한 응답시간을 측정하는 대칭 이중 응답시간 측정법(Symmetric Double Sided Two Way Ranging)이 제안되었다.
SDS-TWR은 다중경로에 의한 부정확한 시간 측정을 보완하기 위해 쳐프 확산 스펙트럼(Chirp Spread Spectrum) 변조기술을 이용하여 정밀도를 향상시킬 수 있다.
그러나, SDS-TWR은 두 노드 간(Point to Point, P2P) 패킷 전송에 대한 응답시간을 측정하는 도중에 다른 노드에서 패킷을 전송할 경우 패킷충돌 또는 재전송에 따른 오류가 생길 수 있는 문제점이 있다.
특히, 무선센서 네트워크는 셀이라 불리는 복수의 영역들로 분할되기 때문에 무선센서 네트워크에 다중 셀 또는 다중 태그가 포함될 경우, 신호 송수신을 위한 커버리지 영역이 서로 겹치게 되어 정확한 위치측정이 어려우며 무선센서 네트워크의 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출한 것으로서, 무선센서 네트워크에 다중 셀 또는 다중 태그를 지원하여 정확한 위치파악이 가능한 실내용 위치인식 시스템 및 위치인식 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 무선센서 네트워크에서의 위치인식 시스템은 태그가 내장되어 위치파악을 위한 패킷을 송신하는 적어도 하나의 위치 인식장치; 시간슬롯의 할당을 통해 상기 적어도 하나의 위치인식장치 중 위치파악을 위한 특정 위치인식장치를 선택하는 코디네이터 앵커; 및 선택된 상기 특정 위치인식장치로부터 송신된 패킷에 대해 응답하는 복수의 앵커를 포함하고, 상기 각 위치인식장치는 상기 복수의 앵커로부터의 패킷응답시간을 측정하여 위치를 파악하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 시간슬롯의 할당을 통해 무선센서 네트워크의 다중 셀 또는 다중 태그 환경에서 실시간으로 정확한 위치인식이 가능하다.
즉, 코디네이터 앵커가 시간슬롯의 할당을 통해 다중 셀 또는 다중 태그의 제어로 셀간 또는 태그 간의 전파 충돌 현상을 회피할 수 있어서 위치를 정확하게 측정할 수 있다.
특히, 다중 셀 또는 다중 태그 환경에서 시간슬롯 할당시 시간슬롯을 할당받지 못한 셀 또는 위치인식장치의 활성화를 차단하여 전력의 낭비를 방지할 수 있다.
또한, 시간슬롯 할당의 확장을 통해 다중 셀간의 핸드오버(handover)를 지원할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내용 위치인식 시스템을 설명하기 위한 불럭도.
도 2는 코디네이터 앵커를 설명하기 위한 블럭도.
도 3은 위치인식장치를 설명하기 위한 블럭도.
도 4는 위치 파악을 위한 신호의 파형을 설명하기 위한 도면.
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 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 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. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실내용 위치인식 시스템과 그 위치인식 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내용 위치인식 시스템을 설명하기 위한 불럭도이고, 도 2는 코디네이터 앵커를 설명하기 위한 블럭도이며, 도 3은 위치인식장치를 설명하기 위한 블럭도이고, 도 4는 위치 파악을 위한 신호의 파형을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 위치인식 시스템은 서비스 영역인 적어도 하나의 셀(cell)을 포함하는 무선센서 네트워크에서 태그가 내장된 위치인식장치의 위치를 파악하는 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각 셀은 실내 측위일 경우, 두꺼운 벽이나 차폐 구조물 등의 제약을 줄여 전파 범위를 충족시키기 위해 사각형의 실내 구조를 기반으로 4개의 앵커(120a,120b,120c,120d)를 포함한다.
여기서 사각형의 실내구조는 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 일 실시예일 뿐 이외의 다양한 실시예가 가능하다.
위치인식장치(110)는 무선센서 네트워크의 셀 내에 포함되며, 태그가 내장되어 위치파악을 위한 패킷을 앵커(120)에 송신하고, 셀 내에 복수 개 존재할 수 있다.
각 앵커(120)는 위치인식장치(110)로부터 송신된 패킷에 대해 응답한다.
예컨대, 각 앵커(120)는 위치인식장치(110)와의 상호 동기가 필요없는 이중 응답시간 측정법(Two way Time of Arrival)을 통해 위치인식장치(110)가 송신한 패킷에 대해 응답한다.
이때 위치인식장치(110)는 각 앵커(120)로부터의 패킷응답시간을 이용하여 각 앵커(120)와의 거리를 계산할 수 있다. 이중 TOA에 대한 상세한 설명은 도 4에서 후술한다.
각 앵커(120)는 무선센서 네트워크에서 미리 지정된 위치에 고정적으로 배치되고, 패킷을 송수신할 수 있는 커버리지(coverage) 영역 내에서 위치인식장치(110)에 패킷을 전송하거나 수신한다.
한편, 코디네이터 앵커(120d)는 앵커들(120) 중 어느 하나가 지정되거나 별도로 지정될 수 있고, 셀 내에 복수 개의 위치인식장치가 존재할 경우, 특정 위치인식장치(110)를 선택하여 선택된 특정 위치인식장치(110)에 시간슬롯을 할당한다.
이때 선택된 특정 위치인식장치(110)는 이중 TOA 방식을 통해 측정된 패킷응답시간을 이용하여 각 앵커(120)와의 상대거리를 계산한다.
보다 구체적으로 설명하면, 코디네이터 앵커(120d)는 다중 셀 또는 다중 태그가 포함된 무선센서 네트워크 환경에서 특정 셀 또는 특정 위치인식장치(110)를 선택한다. 이때 선택된 특정 셀 또는 특정 위치인식장치(110)에 시간슬롯을 할당하여 셀 간 또는 태그 간 상호 간섭 없이 위치인식장치(110)의 위치가 파악되도록 제어한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 코디네이터 앵커(120d)는 슬롯 할당부(121), 정보 송신부(122) 및 슬롯 반환부(123)를 포함한다.
슬롯 할당부(121)는 셀 내에 복수 개의 위치인식장치가 존재할 경우, 복수의 위치인식장치 중 위치파악을 위한 특정 위치인식장치(110)를 선택하여 시간슬롯을 할당한다.
예컨대, 슬롯 할당부(121)는 다중 셀 또는 다중 태그가 포함된 무선센서 네트워크에서 위치인식장치(110)를 선택하고, 시간슬롯이 시간적으로 중복되지 않도록 시분할한다.
이렇게 함으로써, 다중 셀 또는 다중 태그 환경에서 패킷의 송수신 과정에서 발생할 수 있는 신호충돌 또는 재전송 현상이 발생하지 않아 측정 오류를 낮출 수 있어서 위치를 정확하게 파악할 수 있다.
즉, 슬롯 할당부(121)는 무선센서 네트워크에 포함된 셀이 다중 셀일 경우, 다중 셀 중 특정 셀을 선택하여 시간슬롯을 할당할 수 있고, 선택된 셀에 포함된 특정 위치인식장치(110)를 선택하여 시간슬롯을 할당할 수 있다.
정보 송신부(122)는 슬롯 할당부(121)를 통해 선택되어 시간슬롯이 할당된 위치인식장치(110)에 복수의 앵커(120)에 대한 정보를 송신하고, 복수의 앵커(120)에 포함되거나 별도로 지정된 코디네이터 앵커의 정보를 송신한다.
복수의 앵커(120)에 대한 정보는 앵커의 수 또는 앵커 식별자일 수 있다.
슬롯 반환부(123)는 송신된 복수의 앵커(120)에 대한 정보를 이용하여 특정 위치인식장치(110)의 위치가 파악되면 슬롯 할당부(121)를 통해 특정 위치인식장치(110)에 할당되었던 시간슬롯을 반환한다.
한편, 무선센서 네트워크에 복수의 셀이 포함될 경우 각 셀에 포함된 각 코디네이터 앵커는 미리 설정된 시간슬롯의 할당 순서에 따라 활성화된다.
위치인식장치(110)는 태그가 내장되고, 도 3에 도시된 바와 같이 정보 수집부(111) 및 위치 인식부(112)를 포함한다.
정보 수집부(111)는 코디네이터 앵커(120d)가 포함된 복수의 앵커(120)에 대한 정보를 수집한다.
위치인식장치(110)는 코디네이터 앵커(120d)로부터 선택되어 시간슬롯을 할당받아 활성화한다.
즉, 위치인식장치(110)는 코디네이터 앵커(120d)로부터 선택되면 시분할을 통해 활성화됨에 따라 셀간 또는 태그 간에 전파 도달범위의 상호 간섭 없이 실시간으로 정확하게 위치를 파악할 수 있다.
위치 인식부(112)는 정보 수집부(111)로부터 수집된 복수의 앵커(120)에 대한 정보를 이용하여 위치파악을 위한 패킷을 복수의 앵커(120)에 송신하고, 복수의 앵커(120)로부터 수신된 패킷응답시간을 측정하여 위치인식장치(110)의 위치를 파악한다.
보다 구체적으로 설명하면, 위치 인식부(112)는 이중 TOA 방식을 통해 측정된 패킷응답시간을 이용해 코디네이터 앵커(120d)가 포함된 복수의 앵커(120)와의 거리를 계산하고, 예컨대 쳐프 확산 스펙트럼(Chirp Spread Spectrum) 기반의 비동기 방식을 통해 패킷 지연시간 측정하여 태그가 내장된 위치인식장치(110)의 위치를 파악한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 위치인식장치(110)는 앵커(120)와의 상호 동기가 필요없는 이중 응답시간 측정법(이중 TOA)을 통해 위치를 파악할 수 있다.
여기서 이중 TOA 방식은 쳐프 확산 스펙트럼(CSS) 기반의 송수신 패킷의 왕복시간 및 패킷응답시간을 이용하여 전파지연시간을 측정하여 위치인식장치(110)와 복수의 앵커(120) 간의 거리를 계산하는 방식이며, 낮은 전력으로도 원거리 통신이 가능하고 아주 짧은 시간에 넓은 대역을 사용하므로 간섭을 최소화할 수 있어서 방해 전파가 많은 실내 환경에서 정밀한 위치 측정을 지원할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 이중 TOA 방식은 수학식 1과 같이 위치인식장치(110)와 각 앵커(120) 간의 거리를 계산할 수 있다.
Figure pat00001
즉, 위치인식장치(110)는 각 앵커(120)와의 송수신 패킷의 왕복시간(Round trip time)에서 응답시간(reply time)을 차감하여 얻어지는 두 번의 전파지연시간(propagation of pulse)을 계산한다.
예컨대, 패킷의 송수신 과정에서 소요되는 각각의 전파지연시간이 같다고 가정할 경우, 단 반향의 전파지연시간(propagation of pulse)은 전체 왕복시간(Round trip time)에서 각 앵커(120)로부터의 응답시간(reply time)을 뺀 시간의 1/2이 된다.
위치인식장치(110)는 전술한 바로 계산된 시간 값을 전파의 속도(빛의 속도와 동일한 300,000km/sec)로 곱하여 각 앵커(120)와의 절대거리를 계산한다.
이때 위치인식장치(110)는 이중 TOA 방식의 적용을 위해서 나노초(ns) 수준의 시간측정이 가능한 고정밀 타이머를 포함한다.
예컨대, 반송파 밴드(carrier band)인 2.4GHz 타이머를 기반으로 하드웨어적으로 나노초(ns) 수준의 시간을 측정할 수 있다.
예컨대, 정밀한 전파지연시간의 측정이 가능하며, 송수신 측에서 미리 설정된 시간지연을 나노초(ns) 수준으로 보장하여 응답시간에 대한 별도의 전송 과정을 줄일 수 있으므로 각각 한 번의 송수신만으로도 위치인식장치(110)의 상대거리를 계산할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 시간슬롯의 할당을 통해 무선센서 네트워크의 다중 셀 또는 다중 태그 환경에서 실시간으로 정확한 위치인식이 가능하다. 즉, 코디네이터 앵커가 시간슬롯의 할당을 통해 다중 셀 또는 다중 태그의 제어로 셀간 또는 태그 간의 전파 충돌 현상을 회피할 수 있어서 정확하게 위치를 측정할 수 있고, 다중 셀 또는 다중 태그 환경에서 시간슬롯 할당시 시간슬롯을 할당받지 못한 셀 또는 위치인식장치의 활성화를 차단하여 전력의 낭비를 방지할 수 있으며, 시간슬롯 할당의 확장을 통해 다중 셀간의 핸드오버(handover)를 지원할 수 있다.
이상 바람직한 실시예와 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 관해 구체적으로 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110 : 위치인식 장치 111 : 정보수집부
112 : 위치인식부 120 : 앵커
121 : 슬롯할당부 122 : 정보송신부
123 : 슬롯반환부

Claims (2)

  1. 무선센서 네트워크에서의 위치인식 시스템에 있어서,
    태그가 내장되어 위치파악을 위한 패킷을 송신하는 적어도 하나의 위치 인식장치;
    시간슬롯의 할당을 통해 상기 적어도 하나의 위치인식장치 중 위치파악을 위한 특정 위치인식장치를 선택하는 코디네이터 앵커; 및
    선택된 상기 특정 위치인식장치로부터 송신된 패킷에 대해 응답하는 복수의 앵커를 포함하고,
    상기 각 위치인식장치는
    상기 복수의 앵커로부터의 패킷응답시간을 측정하여 위치를 파악하는 것
    인 실내용 위치인식 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코디네이터 앵커는,
    상기 적어도 하나의 위치인식장치 중 상기 위치파악을 위한 특정 위치인식장치를 선택하여 상기 시간슬롯을 할당하는 슬롯 할당부;
    상기 복수의 앵커에 포함된 경우, 상기 복수의 앵커에 대한 정보를 송신하고, 상기 복수의 앵커에 포함되지 않은 경우, 상기 복수의 앵커와 자신에 대한 정보를 송신하는 정보 송신부; 및
    상기 특정 위치인식장치의 위치가 파악되면 상기 특정 위치인식 장치에 할당된 시간슬롯을 반환하는 슬롯 반환부를 포함하는 것
    인 실내용 위치인식 시스템.
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KR20210082049A (ko) * 2019-12-24 2021-07-02 경북대학교 산학협력단 실내 측위 장치 및 방법

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