KR20130022782A

KR20130022782A - 실내 측위 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20130022782A
Application number: KR1020110085687A
Authority: KR
Inventors: 김태광; 안세주; 정민아; 최명수; 김경호; 오일환; 이성로
Original assignee: 목포대학교산학협력단
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2013-03-07

Abstract

실내 측위 시스템이 개시된다. 이 실내 측위 시스템은 다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출하는 송신 노드, 및 상기 송신 노드로부터 송출된 전송 패킷을 수신하고, 상기 수신된 전송 패킷에 포함된 심볼들과 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리즘을 이용하여 지연 시간을 추정하는 수신 노드를 포함한다. 이에 따르면, 지연 시간 추정에 따른 에러율을 최소화할 수 있어 노드 간의 거리를 보다 정확하게 추정할 수 있다.

Description

실내 측위 시스템 및 그 방법{Indoor location system and method}

본 발명은 실내 측위 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 지점간의 거리를 보다 정확하게 측정할 수 있는 실내 측위 시스템 및 방법에 관한 것이다.

실내에서 물체의 움직임을 측정하는 실내 측위 기술은 주로 무선 전파를 이용하여 두 지점간의 거리를 측정하는 기술이 연구 및 개발되고 있다. 이러한 실내 측위 기술의 예로는 SSR(Signal Strength Ranging), TOA(Time of Arrival), TDOA(Time Difference of Arrival), AOA(Angle of Arrival) 등을 들 수 있다.

SSR 방식은 신호 세기의 강약을 통해서 송신 노드와 수신 노드 사이의 거리를 추정하는 방식이다. 이러한 SSR 방식을 이용한 측위 기술은 거리 추정 값이 채널환경에 크게 영향을 받으며, 특히 NLOS(Non Light Of Sight) 채널 환경과 멀티패스 페이딩(Multipath Fading) 영향에 따라서 측위 오차가 커지는 단점이 있다. AOA(Angle of Arrival) 방식은 노드들 사이의 각을 측정하여 목적 대상의 위치를 추정하는 방식으로 NLOS 채널 환경하에서는 위치 추정 값의 오차가 커지는 단점이 있다. TOA 및 TDOA 방식은 송신 노드와 수신 노드 사이에 신호가 전달되는 시간을 이용하여 두 노드 간의 거리를 추정하는 방식이다. TOA 방식은 송신 노드와 수신 노드 사이의 절대적인 시간을 기준으로 위치 추정하며, TDOA 방식은 송신 노드와 수신 노드 사이의 상대적인 시간 차이를 통해서 거리를 추정하는 방식이다.

이 중, TOA나 TDOA 방식과 같이 시간 차이를 이용하여 각 노드의 위치를 확인하는 방식은 주변 환경 등의 영향으로 인하여 정확한 시간 차이를 계산하기 어렵다는 단점이 있다. 송신 노드로부터 송출된 신호가 벽이나 실내 장애물에 의해 반사되고, 이러한 반사된 신호들로 인하여 송신 노드와 수신 노드 사이에는 다중 경로(멀티 패스)가 생성된다. 이에 따라 수신 노드에는 다중 경로를 통한 여러 신호들이 중첩되어 수신되며, 이로 인하여 수신 노드는 실제 송신 신호가 수신되는 시간을 정확하게 추정해내지 못하는 경우가 발생하는 문제가 있다.

본 발명은 다중 경로를 통해 함께 수신되는 신호로부터 실제 송신 신호가 수신되는 시간(지연 시간)과, 이에 따른 노드 간의 거리를 효과적으로 산출해 낼 수 있는 실내 측위 시스템 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 실내 측위 시스템은 다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출하는 송신 노드, 및 상기 송신 노드로부터 송출된 전송 패킷을 수신하고, 상기 수신된 전송 패킷에 포함된 심볼들과 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리즘을 이용하여 지연 시간을 추정하는 수신 노드를 포함한다.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 실내 측위 방법은 송신 노드에서 다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출하는 단계, 수신 노드에서 상기 전송 패킷을 수신하는 단계, 상기 수신 노드에서 상기 수신된 전송 패킷에 포함된 심볼들과 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리즘을 이용하여 지연 시간을 산출하는 단계, 및 상기 수신 노드에서 상기 산출된 지연 시간을 이용하여 상기 송신 노드와 상기 수신 노드 간의 거리를 산출하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 실내 측위 시스템 및 방법은 복잡도와 정확도를 개선하는 매트릭스 펜슬을 이용하여 지연 시간을 추정한다. 이에 실내 채널의 중첩된 다중 경로 신호들을 효과적으로 분리하여 정확한 송신 신호의 지연 시간을 추정할 수 있다. 따라서, 지연 시간 추정에 따른 에러율을 최소화할 수 있어 노드 간의 거리를 보다 정확하게 추정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 시스템 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 방법 흐름도.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 시스템 블록도이다.

도시된 바와 같이, 실내 측위 시스템은 송신 노드(100)와 수신 노드(200)를 포함한다. 송신 노드(100)는 다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출한다. 일 실시예에 있어서, 송신 노드(100)는 심볼 생성부(110)와 패킷 생성부(120) 및 무선통신부(130)를 포함한다. 심볼 생성부(110)는 전송 패킷에 포함되는 심볼을 생성하여 패킷 생성부(120)로 전송한다. 일 실시예에 있어서, 심볼은 처프 신호(Chirp signal)로 이루어진다. 따라서 심볼 생성부(110)는 처프 신호로 하나의 심볼을 생성하여 이를 패킷 생성부(120)로 전송하게 된다. 패킷 생성부(120)는 심볼 생성부(110)로부터 수신된 심볼을 이용하여 전송 패킷을 생성한다. 여기서 전송 패킷은 후술되는 수신 노드(200)로 전송하는 신호를 의미하며, 수신 노드(200)는 이러한 전송 패킷이 송신 노드(100)에서 수신 노드(200)까지 전송되는 시간을 기반으로 하여 송신 노드(100)와 수신 노드(200) 사이의 거리를 측정하게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 패킷 생성부(120)는 전송 패킷의 프리앰블(Preamble) 구간에 심볼이 포함되도록 전송 패킷을 생성한다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 프리앰블 구간이 아닌 데이터 구간에 포함되도록 전송 패킷을 생성할 수도 있다. 더하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 패킷 생성부(120)는 전송 패킷 내에 동일한 심볼을 다수 개 연속적으로 배치한다. 본 발명의 일 실시예에서는 8개의 심볼이 전송 패킷에 포함되는 경우를 예로 들어 설명한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 패킷은 프리앰블 구간에 8개의 심볼이 포함된다. 그러나 이 같은 수에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 개수의 심볼을 전송 패킷에 포함시킬 수 있다.

무선통신부(130)는 무선 통신을 위한 해당 데이터의 송수신 기능을 수행한다. 무선통신부(130)는 송신되는 신호의 주파수를 상승변환 및 증폭하는 RF송신기 및 수신되는 신호를 저잡음 증폭하고 주파수를 하강 변환하는 RF수신기 등으로 구성될 수 있다. 특히, 무선통신부(130)는 무선 채널을 통해 데이터를 수신하여 제어부로 출력하고, 패킷 생성부(120)로부터 출력된 전송 패킷을 무선 채널을 통해 외부로 송출할 수 있다.

수신 노드(200)는 송신 노드(100)에서 송출된 전송 패킷을 수신하고, 전송 패킷에 포함된 심볼들과 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리즘을 이용하여 지연 시간을 추정한다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 노드(200)는 무선통신부(210), 심볼 평균화부(220), 심볼 생성부(230), 주파수 응답 추정부(240), 지연 시간 추정부(250) 및 거리 산출부(260)를 포함한다.

무선통신부(210)는 전술한 송신 노드(100)의 무선통신부(130)와 동일한 역할을 수행한다. 즉, 무선 통신을 위한 해당 데이터의 송수신 기능을 수행한다. 특히, 송신 노드(100)로부터 송출된 전송 패킷을 수신하고, 이를 심볼 평균화부(220)로 전송한다. 심볼 평균화부(220)는 전송 패킷에 포함된 다수 개의 심볼들 즉, 8개의 심볼들을 평균화하여 시간 다이버시티(Time Diversity) 이득을 획득한다. 이를 통해 노이즈를 최소화하여 보다 양호한 심볼을 획득할 수 있게 된다.

심볼 생성부(230)는 송신 노드(100)에 포함되는 심볼 생성부(110)와 동일하게 구성되며, 전송 패킷에 포함된 심볼과 동일한 심볼을 생성하여 후술되는 주파수 응답 추정부(240)로 전송한다. 본 발명의 일 실시예에서는 처프(Chirp) 신호를 이용하여 심볼을 생성하므로, 수신 노드(200)의 심볼 생성부(230)도 처프 신호를 이용하여 심볼을 생성하게 된다. 주파수 응답 추정부(240)는 심볼 평균화부(220)를 통해 평균화된 심볼에 선형 이퀄라이저를 적용하여 채널 주파수 응답을 추정한다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 응답 추정부(240)는 심볼 생성부(230)를 통해 송신 노드(100)에서 생성된 심볼과 동일한 심볼을 획득한다. 그리고, 획득한 심볼과 수신된 전송 패킷(즉, 심볼 평균화부에 의해 평균화된 심볼)을 이용하여 수신된 전송 패킷에 대한 채널 주파수 응답을 추정한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에서는 최소 평균 자승 에러(MMSE : Minimum Mean Squared Error)를 이용한 선형 이퀄라이저(Linear MMSE Equalizer 또는 MMSE-LE : Minimum Mean Squared Error - Linear Equalizer)를 이용하여 채널 주파수 응답을 추정한다.

지연 시간 추정부(250)는 주파수 응답 추정부(240)에서 추정한 채널 주파수 응답에 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리즘을 적용하여 지연 시간을 추정한다. 매트릭스 펜슬은 신호의 DOA(Direction Of Arrival) 추정에 이용되는 알고리즘들 중 하나이다. DOA를 추정하는 알고리즘에는 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification), ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) 등의 알고리즘이 있으나, 본 발명에서는 매트릭스 펜슬 알고리즘을 이용한다. 지연 시간 추정부(250)는 이러한 매트릭스 펜슬 알고리즘을 통해 산출되는 고유값(eigenvalue)을 이용하여 수신된 전송 패킷의 정확한 지연 시간(즉, 가장 먼저 도착된 신호의 피크점)을 추정한다. 거리 산출부(260)는 지연 시간 추정부(250)에서 추정된 지연 시간을 기반으로 하여 송신 노드(100)와 수신 노드(200) 간의 거리를 산출한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실내 측위 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저 송신 노드(100)에 측위 요청이 입력되는 과정이 수행된다(S110). 본 발명의 일 실시예에 있어서, 측위 요청은 송신 노드 자체에서 주기적으로 발생할 수 있으며, 외부로부터의 신호 입력에 의해 발생할 수도 있다. 송신 노드(100)에 측위 요청이 입력되면, 송신 노드(100)는 수신 노드(200)로 전송하기 위한 전송 패킷을 생성하는 과정을 수행한다. 먼저 송신 노드(100)의 심볼 생성부(110)가 심볼을 생성하는 과정이 수행된다(S120). 이 과정에서 심볼 생성부는 처프 신호(Chirp signal)를 이용하여 심볼을 생성한다. 이러한 처프 신호는 레이더 기술에 이미 적용되고 있는 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 심볼 생성부(110)에서 심볼이 생성되면, 생성된 심볼은 패킷 생성부(120)로 전송된다. 이에 패킷 생성부(120)가 심볼을 이용하여 전송 패킷을 생성하는 과정이 수행된다(S130). 이 과정에서 패킷 생성부(120)는 전송 패킷의 프리앰블(Preamble) 구간에 동일한 심볼을 8개 포함시켜 전송 패킷을 생성한다. 이 과정을 통해 전송 패킷이 생성되면, 이어서 송신 노드(100)의 무선통신부(130)가 무선 채널을 통해 생성된 전송 패킷을 외부로 송출하는 과정이 수행된다.

다음으로, 수신 노드(200)의 무선통신부(210)가 송신 노드(100)로부터 송출된 전송 패킷을 수신하는 과정이 수행된다(S210). 전송 패킷을 수신한 수신 노드(200)의 무선통신부(210)는 수신한 전송 패킷을 심볼 평균화부(220)로 전송한다. 이어서 심볼 평균화부(220)에서 수신된 전송 패킷에 포함되어 있는 심볼들을 평균화하는 과정이 수행된다(S220). 현재 수신된 전송 패킷은 프리앰블 구간에 8개의 심볼이 포함되어 있다. 따라서 심볼 평균화부(220)는 8개의 심볼을 평균화하는 과정을 수행하게 된다. 이러한 과정을 통해 시간 다이버시티 이득을 획득할 수 있게 되며, 이에 무선 전송 과정에서 심볼에 포함된 노이즈를 최소화할 수 있다.

이 과정이 완료되면, 수신 노드(200)의 심볼 생성부(230)에서 심볼을 생성하여 주파수 응답 추정부(240)에 제공하는 과정이 수행된다(S230). 이 과정에서 생성되는 심볼은 송신 노드(100)의 심볼 생성부(110)에서 생성된 심볼과 동일한 심볼이 생성된다. 심볼 생성부(230)에서 생성된 심볼이 주파수 응답 추정부(240)에 제공되면, 주파수 응답 추정부(240)는 평균화된 심볼과 심볼 생성부(230)에서 제공된 심볼을 이용하여 채널 주파수 응답을 추정하는 과정을 수행한다(S240). 전술하였듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 응답 추정 과정은 최소 평균 자승 에러 선형 이퀄라이저(MMSE-LE)를 이용하여 채널 주파수 응답을 추정한다.

채널 주파수 응답이 추정되면, 지연 시간 추정부(250)는 추정된 채널 주파수 응답에 매트릭스 펜슬 알고리즘을 적용하여 지연 시간을 추정한다(S250). 지연 시간 추정부(250)는 매트릭스 펜슬 알고리즘을 통해 산출되는 고유값을 이용하여 수신된 전송 패킷의 정확한 지연 시간을 추정한다. 마지막으로, 거리 산출부(260)는 지연 시간 추정부(250)에서 추정된 지연 시간을 기반으로 하여 송신 노드(100)와 수신 노드(200) 간의 거리를 산출한다(S260).

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 송신 노드 110 : 심볼 생성부
120 : 패킷 생성부 130 : 무선통신부
200 : 수신 노드 210 : 무선통신부
220 : 심볼 평균화부 230 : 심볼 생성부
240 : 주파수 응답 추정부 250 : 지연 시간 추정부
260 : 거리 산출부

Claims

다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출하는 송신 노드; 및
상기 송신 노드로부터 송출된 전송 패킷을 수신하고, 상기 수신된 전송 패킷에 포함된 심볼들과 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리즘을 이용하여 지연 시간을 추정하는 수신 노드;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
송신 노드에서 다수 개의 동일한 심볼을 포함하는 전송 패킷을 생성하여 송출하는 단계;
수신 노드에서 상기 전송 패킷을 수신하는 단계;
상기 수신 노드에서 상기 수신된 전송 패킷에 포함된 심볼들과 매트릭스 펜슬(Matrix Pencil) 알고리즘을 이용하여 지연 시간을 산출하는 단계; 및
상기 수신 노드에서 상기 산출된 지연 시간을 이용하여 상기 송신 노드와 상기 수신 노드 간의 거리를 산출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법.