KR20170018143A - 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법 및 그 장치 - Google Patents

비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법 및 그 장치 Download PDF

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KR20170018143A
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Abstract

본 발명은 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 대상 공간 내에 배치되며 복수의 지향성 안테나를 가지는 복수의 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치의 실내 측위 방법에 있어서, 상기 대상 공간을 구성하는 각각의 서브 공간마다 상기 지향성 안테나 중 상기 서브 공간에 대응하는 경위도를 가지는 대상 안테나의 고유정보를 해당 기기의 고유정보와 연계 저장하여 가상 맵을 구축하는 단계와, 상기 복수의 비콘 신호 송출 기기의 각 지향성 안테나를 통해 송출된 비콘 신호들 중에서, 사용자 단말에 수신된 일부 비콘 신호들을 대상으로 각 비콘 신호에 포함된 고유정보들을 각각 추출하는 단계, 및 상기 가상 맵에 구축된 서브 공간들 중에서 상기 추출한 고유 정보들과 일치하는 서브 공간의 위치 정보를 이용하여 상기 사용자 단말의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법을 제공한다.
상기 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법 및 그 장치에 따르면, 복수의 비콘 신호 송출 기기 내에 다중의 지향성 안테나를 구성하고 각 지향성 안테나가 바라보는 각도를 기초로 사용자 단말의 실내 측위 정보를 연산하여 실내 측위 정보 및 측위 정보에 기반한 위치 기반 서비스를 사용자 단말로 효과적으로 제공할 수 있다.

Description

비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법 및 그 장치{Indoor positioning method using beacon signal generator and apparatus thereof}
본 발명은 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 근거리 무선통신 기술 기반의 비콘 신호 송출 기기를 이용하여 실내 측위 기능을 지원할 수 있는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
최근 들어 저전력의 근거리 무선통신 기술인 블루투스(BLE;Bluetooth Low Energy)를 지원하는 비콘 장치를 실내 측위 시스템(IPS;Indoor Positioning System)에 적용하는 사례가 점차 늘어나고 있다. 일반적으로 스마트폰 등과 같은 사용자 단말은 Wi-Fi와 BLE 기술을 지원하므로 비콘 장치에서 송출되는 신호를 활용하면 실내 공간에서의 위치 기반 서비스(LBS;Location-Based Service)를 제공받을 수 있다.
근거리 무선통신 기술을 활용한 실내 측위 방법으로는 삼각측량(Triangulation) 기법, 핑거프린팅(Fingerprinting) 기법 등이 알려져 있다. 실내 측위 결과 정보는 LBS 서비스 시스템과 연동하여 해당 시설의 3D 맵 정보와 함께 사용자 단말에 제공될 수 있다.
삼각측량 기법의 경우 적어도 3개의 AP(Access Point)로부터 수신된 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값을 거리로 환산하고 간단한 방정식을 적용하여 위치를 계산한다. 하지만 실내 공간에서는 다양한 전파 방해 요소(장애물, 벽, 사람 등)가 존재하므로 무선 신호의 감쇄, 반사, 회절 등이 발생하게 되며, 이로 인해 환산된 거리 값에 오차가 발생하고 측위의 정확도가 떨어진다.
핑거프린팅 기법은 대상 공간을 분할하여 얻은 각각의 셀 내에서 직접 RSSI 값을 수집하고 데이터베이스화하여 라디오맵(Radio Map)을 구축한 후, 사용자 단말에 수신된 RSSI 값을 데이터베이스의 정보와 비교하여 가장 유사한 신호 패턴을 보이는 셀에 대응하는 위치를 단말의 위치로 추정한다. 이러한 핑거프린팅 기법은 공간 특성이 반영된 데이터를 일일이 수작업으로 수집하기 때문에 삼각측량 기법에 비해 정확도를 높일 수는 있지만, 정확도를 위한 전제 조건으로는 채널 환경이 좋아야 하고 촘촘한 셀 간격으로 정밀하게 데이터를 수집해야 한다.
위와 같이 근거리 무선통신 기술 기반의 실내 측위 방법은 RSSI 값과 데이터베이스화된 라디오 맵을 활용하여 측위를 수행하지만 실내 환경에서의 전파 방해 요소와 채널 환경 등에 의해 성능이 좌우될 수 있으며 각 셀에서 RSSI 값이 정확히 측정되어야 하고 RSSI에 기반한 라디오 맵이 별도로 구축되어야 한다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제1214503호(2012.12.21 공고)에 개시되어 있다.
본 발명은, 다중의 지향성 안테나를 가지는 복수의 비콘 신호 송출 기기를 이용하여 사용자 단말에 실내 측위 정보를 제공할 수 있는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법 및 그 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 대상 공간 내에 배치되며 복수의 지향성 안테나를 가지는 복수의 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치의 실내 측위 방법에 있어서, 상기 대상 공간을 구성하는 각각의 서브 공간마다 상기 지향성 안테나 중 상기 서브 공간에 대응하는 경위도를 가지는 대상 안테나의 고유정보를 해당 기기의 고유정보와 연계 저장하여 가상 맵을 구축하는 단계와, 상기 복수의 비콘 신호 송출 기기의 각 지향성 안테나를 통해 송출된 비콘 신호들 중에서, 사용자 단말에 수신된 일부 비콘 신호들을 대상으로 각 비콘 신호에 포함된 고유정보들을 각각 추출하는 단계, 및 상기 가상 맵에 구축된 서브 공간들 중에서 상기 추출한 고유 정보들과 일치하는 서브 공간의 위치 정보를 이용하여 상기 사용자 단말의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법을 제공한다.
여기서, 상기 비콘 신호에 포함된 고유정보들은, 상기 비콘 신호가 송출된 기기의 고유정보, 상기 기기 내에서 상기 비콘 신호가 송출된 안테나의 고유정보를 포함하되, 상기 안테나의 고유정보는, 상기 안테나의 ID, 경위도, 고도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가상 맵은, 상기 서브 공간마다, 적어도 두 개의 기기에 대한 상기 대상 안테나의 고유정보가 매핑되어 있으며, 상기 사용자 단말의 위치를 추정하는 단계는, 상기 가상 맵에 구축된 서브 공간들 중에서 상기 추출한 고유 정보들과 모두 일치하는 서브 공간이 복수 개로 존재하면, 상기 복수 개의 서브 공간에 대응하는 위치 정보의 평균 값을 상기 사용자 단말의 위치로 추정할 수 있다.
또한, 상기 서브 공간은 상기 대상 공간에 대한 2차원 또는 3차원 분할 공간일 수 있다.
또한, 상기 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법은, 상기 추정한 위치 정보를 상기 사용자 단말에 제공하는 단계를 더 포함하며, 상기 사용자 단말은, 상기 제공받은 위치 정보를 다른 사용자 단말에 제공하되, 상기 추정한 위치 정보가 2차원 정보이면 내부 센서를 통해 인식되는 고도 정보를 상기 2차원 정보에 결합하여 신호 반경 이내의 다른 사용자 단말에 3차원 정보로 제공할 수 있다.
또한, 상기 비콘 신호 송출 기기는, 상기 복수의 지향성 안테나 중 하나를 순차적으로 선택하면서 상기 대상 공간 내에 상기 비콘 신호를 브로드캐스트 전송하며, 상기 기기 별로 브로드캐스트하는 시간 구간이 상이할 수 있다.
또한, 상기 비콘 신호 송출 기기는, 상기 비콘 신호를 발생시키는 신호 발생부와, 상기 경위도가 서로 상이하도록 설정된 복수의 지향성 안테나와, 기 설정된 시간 간격으로 상기 지향성 안테나를 순차적으로 선택하도록 제어하는 제어 신호를 생성하는 스위치 제어부, 및 상기 제어 신호에 따라 상기 복수의 지향성 안테나 중 하나를 상기 신호 발생부에 연결시키는 안테나 스위치부를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명은 대상 공간 내에 배치되며 복수의 지향성 안테나를 가지는 복수의 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치에 있어서, 상기 대상 공간을 구성하는 각각의 서브 공간마다 상기 지향성 안테나 중 상기 서브 공간에 대응하는 경위도를 가지는 대상 안테나의 고유정보를 해당 기기의 고유정보와 연계 저장하여 가상 맵을 구축하는 맵 구축부와, 상기 복수의 비콘 신호 송출 기기의 각 지향성 안테나를 통해 송출된 비콘 신호들 중에서, 사용자 단말에 수신된 일부 비콘 신호들을 대상으로 각 비콘 신호에 포함된 고유정보들을 각각 추출하는 고유정보 추출부, 및 상기 가상 맵에 구축된 서브 공간들 중에서 상기 추출한 고유 정보들과 일치하는 서브 공간의 위치 정보를 이용하여 상기 사용자 단말의 위치를 추정하는 위치 추정부를 포함하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법 및 그 장치에 따르면, 복수의 비콘 신호 송출 기기 내에 다중의 지향성 안테나를 구성하고 각 지향성 안테나가 바라보는 각도를 기초로 사용자 단말의 실내 측위 정보를 연산하여 실내 측위 정보 및 측위 정보에 기반한 위치 기반 서비스를 사용자 단말로 효과적으로 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 지향성 안테나의 경위도 정보를 바탕으로 다차원의 측위 기술을 제공할 수 있어 기존의 RSSI 기법에 비하여 위치 연산의 복잡도를 줄이고 실내의 다양한 전파 환경에서 측위 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 다중의 지향성 안테나를 가지는 비콘 신호 송출 기기를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 지향성 안테나의 경위도 개념을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비콘 신호 송출 기기의 구체적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 실내 측위 장치의 구성도이다.
도 7은 도 6의 실내 측위 장치를 이용한 실내 측위 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비콘 신호 송출 기기의 메시지 구조를 예시한 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 실내 측위 시스템은 복수의 비콘 신호 송출 기기(100), 실내 측위 장치(200), 사용자 단말(300)을 포함한다.
비콘 신호 송출 기기(100)는 비콘 신호를 주기적으로 송출하는 비콘 장치에 해당되는 것으로 대상 공간(10) 내에 복수 개로 배치된다. 도 1은 사각형 모양의 대상 공간(10) 내의 벽면 네 모서리 상단에 대응하여 각각 네 대의 비콘 신호 송출 기기(100)가 설치된 모습을 예시한다. 대상 공간(10)의 외곽 형상이나 비콘 신호 송출 기기(100)의 설치 위치 및 대수는 더욱 다양한 변형 예가 존재할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 비콘 신호 송출 기기(100)는 실내 측위 기능을 지원하기 위한 다중의 지향성 안테나를 포함한다. 복수의 지향성 안테나는 비콘 신호 송출 기기(100)의 외곽 표면을 따라 배열될 수 있으며 자신의 지향 각도(AoD;Angle of Departure)에 해당하는 방향으로만 전파의 송출이 가능하도록 구현된다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 다중의 지향성 안테나를 가지는 비콘 신호 송출 기기를 나타낸 도면이다. 비콘 신호 송출 기기(100)는 외곽 표면을 따라 다중의 지향성 안테나가 배열된 구조를 가진다. 도 2는 설명의 편의를 위해 세 개의 각도 영역에 대응하는 세 개의 지향성 안테나가 배열된 단면을 예시한 것으로, 각도 영역별로 그에 대응하는 위경도 정보가 할당되어 있다. 지향성 안테나의 배열은 위도와 경도 방향 전반에 대해 더욱 세분화될 수 있다.
도 2의 경우 세 개의 지향성 안테나 중에서 1번 지향성 안테나(Antenna 1)의 송출 각도(AoD) 만이 사용자 단말(300)의 수신 안테나로 향하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 현재의 사용자 단말(300)의 위치에서는 1번 지향성 안테나(Antenna 1)에서 송출된 신호만이 수신이 가능하고, 2번과 3번 지향성 안테나(Antenna 2, 3)에서 송출된 신호는 수신될 수 없다.
도 3은 도 2에 도시된 지향성 안테나의 경위도 개념을 설명하는 도면이다. 비콘 신호 송출 기기(100) 내의 각각의 지향성 안테나는 자신의 신호 송출 방향(수평각, 수직각)에 대응하는 경도와 위도 정보를 가지고 있다.
도 2에 도시된 비콘 신호 송출 기기(100)는 수평 방향으로 최대 360°의 수평각(Azimuth) 범위를 가지며 각도 범위를 세부적으로 등분하면 수평 방향으로 여러 개의 지향성 안테나를 구성할 수 있다. 또한, 비콘 신호 송출 기기(100)는 수직 방향으로 최대 180°의 수직각(elevation)의 범위를 가지는데 세부적인 등분을 통해 수직 방향으로 여러 개의 지향성 안테나를 배열할 수 있다. 수평 방향만을 고려하여 간단히 예시하면, 45°의 지향성을 가지는 안테나는 수평 방향으로 8개의 지향성 안테나를, 90°의 지향성을 가지는 안테나는 수평 방향으로 4개의 안테나를 구성할 수 있다.
비콘 신호 송출 기기(100)가 지원하는 경도와 위도 범위는 도 2에 도시된 것으로 한정되지 않고 설치 공간의 환경이나 형상, 주변 간섭 등에 따라 변경될 수 있다. 도 1과 같이 비콘 신호 송출 기기(100)가 사각형의 대상 공간(10)의 모서리 상단 부위에 배치된다면 경도와 위도 범위는 90°범위만 지원하도록 구현해도 된다. 이와 같이 비콘 신호 송출 기기(100)는 윗 벽면의 위치 환경을 고려하여 각각의 유용한 공간에 대응하는 지향성 안테나가 운용되도록 구성한다.
본 발명의 실시예에서 실질적인 측위 기능을 지원하기 위해서는 다중의 지향성 안테나를 가지는 비콘 신호 송출 기기(100)가 적어도 두 대 이상 필요하다. 또한 비콘 신호 송출 기기(100)의 설치 대수가 많아지면 측위의 정확도가 더욱 높아질 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 원리를 설명하는 도면이다. 도 4는 도 1과 같이 대상 공간(10)의 네 모서리 상단에 대응하여 네 대의 비콘 신호 송출 기기(100)가 각각 설치된 것을 예시하고 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 간단히 두 대의 비콘 신호 송출 기기를 이용한 것을 예시한다.
각각의 비콘 신호 송출 기기(100)는 자신이 보유한 복수의 지향성 안테나를 선택적으로 스위칭하면서 다양한 경위도의 비콘 신호를 주변에 순차적으로 송출(브로드캐스트) 가능하다. 예를 들어, 제1 비콘 신호 송출 기기(100)는 자신이 보유한 복수의 지향성 안테나를 순차적으로 스위칭하면서 지향성 안테나가 선택될 때마다 해당 지향성 안테나의 고유정보(ex, 안테나 ID, 위경도 정보)가 실린 비콘 신호를 송출한다. 제2 비콘 신호 송출 기기(100) 역시 같은 방법으로 자신이 보유한 복수의 지향성 안테나를 순차적으로 스위칭하면서 비콘 신호를 송출한다. 여기서 안테나 ID가 곧 안테나의 위경도 정보에 해당할 수 있다. 이와 같이 비콘 신호 송출 기기(100)는 해당 안테나의 정보를 포함하는 비콘 신호를 송출한다.
도 4에서 알 수 있듯이 사용자 단말(300)에는 자신을 바라보는 방향에 해당하는 경위도를 가지는 지향성 안테나의 신호만이 수신될 수 있다. 예를 들어, 제1 비콘 신호 송출 기기(100)가 가진 복수의 안테나 중 2번째 안테나와, 제2 비콘 신호 송출 기기(100)가 가진 복수의 안테나 중 5번째 안테나의 신호가 사용자 단말(300)의 수신 안테나에 수신될 수 있다.
이는 제1 비콘 신호 송출 기기(100)의 2번째 안테나의 신호 송출 방향과 제2 비콘 신호 송출 기기(100)의 5번째 안테나의 신호 송출 방향이 서로 교차하는 3차원 지점(x, y, z) 상에 사용자 단말(300)이 위치한 것과 관계된다. 이와 같이 적어도 두 개의 안테나 신호가 겹치는 지점은 사용자 단말(300)이 실제로 존재하는 위치에 해당하므로 두 대의 비콘 신호 송출 기기(100)만으로도 측위가 가능할 수 있게 된다.
그런데, (x, y, z') 지점에 위치한 사용자 단말(300)은 앞서의 (x, y, z) 지점과 대비하여 높이만 상이한 위치로서 그 높이 차이가 어느 정도인지에 따라 앞서와 동일한 종류의 안테나 간이 교차할 수도 있고 다른 종류의 안테나 간이 교차할 수도 있다. 수직 방향으로의 높이 차이는 경도 값과 관련이 있는데, 만일 다른 종류의 안테나 간이 교차한 경우라면 앞서와 위도는 같고 경도는 상이한 안테나가 교차할 가능성이 있다. 예를 들어, (x, y, z) 지점보다 높거나 낮은 (x, y, z') 지점 상에는 제1 비콘 신호 송출 기기(100)의 3번째 안테나와 제2 비콘 신호 송출 기기(100)의 6번째 안테나의 신호가 만날 수 있다. 이 경우 제1 비콘 신호 송출 기기(100)의 3번째 안테나는 2번째 안테나와 경도 값만 상이할 것이고, 제2 비콘 신호 송출 기기(100)의 6번째 안테나는 5번째 안테나와 경도 값만 상이할 것이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 하나의 서브 공간에 대해 여러 쌍의 안테나 매칭 정보가 저장될 수도 있다. 이를 역으로 설명한다면 상기의 여러 쌍의 안테나 매칭 정보는 동일한 2차원 공간의 위치를 특정할 수 있는 정보가 된다. 일반적으로 사용자 단말(300)의 높이 정보까지는 측위가 불필요한 경우가 많으므로 동일한 2차원 공간 내에 있는 사용자 단말(300)이라면 단말의 실제 높이와는 무관하게 모두 같은 위치로 추정할 수 있다.
여기서 물론 본 발명의 실시예는 서브 공간을 3차원 개념으로 확장할 수도 있다. 높이 정보를 포함하는 3차원 측위 정보를 필요로 하는 경우에는 대상 공간(10)을 그 높이 정보까지 고려하여 3차원적으로 분할할 수 있으며, 이 경우 3차원 분할된 서브 공간마다 그에 대응하는 안테나 매칭 정보를 개별적으로 확보하면 된다.
이하에서는 대상 공간(10)의 각 서브 공 별로 안테나 매칭 정보를 수집하는 과정을 설명한다. 이를 위해 실내 측위 장치(200)는 복수의 비콘 신호 송출 기기(100)와 네트워크 연결될 수 있다. 실내 측위 장치(200)는 복수의 비콘 신호 송출 기기(100)를 이용하여 실내 측위 서비스 제공하는 서버에 해당될 수 있다. 물론 실내 측위 장치(200)는 사용자 단말(300)에 실행되는 응용 프로그램 형태로도 구현될 수 있는데, 예를 들면 서버와 연동하는 모바일 애플리케이션(Application)으로 구현될 수 있다.
실내 측위 장치(200)는 대상 공간(10)의 각 서브 공간(11) 별로 해당 서브 공간(11)으로의 신호 송출이 가능한 경위도를 가지는 안테나의 고유정보(ex, 안테나 ID, 경위도)를 비콘 신호 송출 기기(100)의 고유정보(ex, ID)와 연계하여 데이터베이스로 구축한다. 여기서 서브 공간(11)은 앞서와 같이 x,y 방향으로 분할한 2차원적 개념이거나, x,y,z 방향으로 분할한 3차원적 개념일 수 있다.
안테나의 고유정보는 안테나 ID 또는 경위도의 정보를 포함할 수 있다. 안테나 ID는 경위도와 대응되는 정보에 해당될 수도 있고, 안테나의 ID와 경위도는 서로 매핑되어 관리될 수도 있다. 따라서 안테나의 ID 만으로도 안테나의 경도와 위도 정보를 확인할 수 있다. 이외에도 안테나의 고유정보는 고도 정보를 추가로 포함할 수 있다.
데이터베이스 구축 과정은 다음과 같다. 이미 위치를 알고 있는 서브 공간 내에 임의 단말을 배치한 다음, 각 비콘 신호 송출 기기(100)가 복수의 안테나를 통해 비콘 신호를 송출(브로드캐스트)하도록 제어한다. 그러면, 임의 단말에는 일부 안테나의 신호가 수신될 것이다. 이때, 임의 단말에 수신된 신호에 해당하는 안테나 고유정보(ex, ID, 경위도)를 각 비콘 신호 송출 기기(100) 별로 수집하고 이를 해당 서브 공간의 아이디(넘버)에 매핑시킨다. 이러한 과정을 모든 서브 공간에 대하여 수행한다.
예를 들면, 도 4에서 첫 번째 서브 공간은 제1 비콘 신호 송출 기기의 1번 안테나 및 제2 비콘 신호 송출 기기의 2번 안테나가 매핑되고, 두 번째 서브 공간은 제1 비콘 신호 송출 기기의 2번 안테나 및 제2 비콘 신호 송출 기기의 3번 안테나가 매핑될 수 있다.
이후, 미지의 위치에 존재하는 사용자 단말(300)을 대상으로 측위를 수행한다. 이를 위해 앞서와 같은 방법으로 각 비콘 신호 송출 기기(100)는 복수의 지향성 안테나들을 차례로 스위칭하면서 여러 경위도에 해당하는 비콘 신호를 각각 송출한다. 그러면, 전체 안테나 중에서도 사용자 단말(300)의 위치를 바라보는 경위도를 가지는 일부 안테나의 신호만이 사용자 단말(300)에 수신된다.
실내 측위 장치(200)는 사용자 단말(300)에 신호의 수신이 확인된 각 비콘 신호 송출 기기(100)의 안테나 고유정보(ex, 안테나 ID나 그에 대응하는 경위도 정보)를 확인하여 이를 기 구축된 데이터베이스 내의 정보와 비교하며, 복수의 서브 공간 중에서 안테나 정보가 일치하는 서브 공간에 대응하는 좌표(ex, 서브 공간의 중심 좌표)를 사용자 단말(300)의 현재 위치로 추정할 수 있다.
이와 같이, 여러 대의 비콘 신호 송출 기기(100)에서 각각의 안테나를 통해 송출한 신호 중에서 해당 서브 공간(11)의 위치로 신호의 수신이 확인되는 안테나의 정보를 서브 공간별로 미리 저장하여 두면, 추후 임의 사용자 단말(300)에 수신된 신호의 출처(기기 및 안테나 ID)와 일치하는 서브 구간의 위치를 사용자 단말(300)의 위치인 것으로 추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용자 단말(300)에 안테나 신호의 수신이 확인되었다 함은 수신된 신호의 크기가 임계값 이상으로 측정된 경우를 의미할 수도 있다. 본 발명의 실시예는 각 서브 공간에서의 해당 안테나 신호의 수신 여부를 이용하여 측위가 가능하므로 시스템의 복잡도를 줄일 수 있으며 측위 속도를 향상시킬 수 있다.
한편, 일부 서브 공간에서는 두 대의 비콘 신호 송출 기기(100) 중에서 어느 한 기기(100)의 안테나에서만 신호의 수신이 확인될 수도 있는데, 이러한 경우는 사용자 단말(300)의 측위가 불가능해진다. 예를 들어, 대상 공간의 형태, 주변 장애물 존재 여부, 안테나의 개수 부족 등으로 인하여 두 대의 비콘 신호 송출 기기(100) 만으로 위치 판단이 어려운 경우에는 더 많은 대수의 비콘 신호 송출 기기(100)를 추가적으로 활용하여 측위의 정확도를 높일 수 있다.
즉, 두 개의 비콘 신호 송출 기기로부터 송출되는 안테나 정보를 활용하여 2차원 또는 3차원 좌표 계산을 수행할 수 있으며, 세 개의 비콘 신호 송출 기기로부터 송출되는 안테나 정보를 이용하여 더욱 정확도가 향상된 좌표 계산을 수행할 수 있다. 또한, 네 개의 비콘 신호 송출 기기로부터 송출되는 모든 안테나 정보를 활용하여 위치 정확도가 더욱 향상된 좌표 계산을 수행할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 비콘 신호 송출 기기(100)의 구성을 더욱 구체적으로 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비콘 신호 송출 기기의 구체적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 비콘 신호 송출 기기(100)는 복수의 지향성 안테나(110), 안테나 스위치부(120), 근거리 무선통신부(130)를 포함한다.
복수의 지향성 안테나(110)는 앞서와 같이 경위도가 서로 상이하도록 설정된 지향성 안테나들을 의미한다. 경위도 정보는 곧 지향성 안테나 고유정보에 해당되며 이를 간단히 안테나 ID의 형태로 관리할 수도 있다.
안테나 스위치부(120)는 근거리 무선통신부(130)에서 제공되는 제어 신호에 따라 복수의 지향성 안테나 중 하나의 안테나를 설정된 시간 간격으로 선택하여 해당 안테나를 통해 비콘 신호가 송출될 수 있도록 한다. 구체적으로 근거리 무선통신부(130)의 범용 인터페이스부의 GPIO 선이 안테나 스위치부(120)와 연결되며 근거리 무선통신부(130)가 운영을 필요로 하는 특정 안테나를 안테나 스위치부(120)에서 선택(Select)하도록 제어한다.
근거리 무선통신부(130)는 범용 인터페이스부(131), 스위치 제어부(132), 신호 발생부(133), 메모리부(134), 주처리부(미도시), 라디오부(미도시)를 포함한다. 여기서 주처리부(Central Processing Unit, CPU) 내에 메모리부(134)의 기능이 포함될 수 있고, 라디오부(Radio) 내에 신호 발생부(133)의 기능이 포함될 수 있다.
범용 인터페이스부(131)는 외부 장치 즉, 안테나 스위치부(120)와 상호 연결을 위한 구성으로서 GPIO, I2C, SPI, UART, USB, SDIO 등을 포함할 수 있다.
스위치 제어부(132)는 기 설정된 시간 간격으로 지향성 안테나(110)를 순차적으로 선택하도록 제어하는 제어 신호를 생성한다. 신호 발생부(133)는 상기 비콘 신호를 발생시킨다. 그러면, 안테나 스위치부(120)는 상기 제어 신호에 따라 복수의 지향성 안테나 중 하나를 신호 발생부(133)에 연결시킨다.
예를 들어, '01' 정보를 범용 인터페이스를 통해 안테나 스위치부(120)에 전달하면 첫 번째 지향성 안테나가 안테나 스위치부(120)를 통해 근거리 무선통신부(130)의 라디오부 즉, 신호 발생부(133)에 연결되어 통신이 가능하게 된다. 물론, 이와 동시에 신호 발생부(133)는 '01' 정보에 대응하는 첫 번째 지향성 안테나의 고유정보를 비콘 신호에 함께 실어 제공한다.
메모리부(134)는 CPU의 구동에 대한 프로그램 수행을 위한 저장 영역이다. ROM 영역과 RAM 영역으로 구성된다. 이러한 메모리부(134)는 프로그램 코드를 저장하는 ROM 영역과 이러한 프로그램의 구동을 위한 RAM 영역으로 구성된다. 라디오부(Radio)는 근거리 무선 송출 장치의 RF 규격에 따른 RF 송수신부에 대한 DSP(Digital Signal Processor)로 구성된다. 이러한 라디오부는 칩셋의 근거리 무선통신 지원 규격 방식에 따라 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth), 지웨이브(Z-Wave), 와이파이(Wi-Fi) 등의 다양한 형태로 구성이 가능하다. 이는 비콘 신호 송출 기기(100)의 구성이 서비스 목적과 용도에 따라서 다양한 형태의 칩으로 구성될 수 있음을 의미한다.
안테나 스위칭의 방법을 간단히 설명하면 다음과 같다. 비콘 신호 송출 기기(100)는 우선 안테나의 스위치 주기를 메모리로부터 읽어들인 다음 비콘 브로드캐스팅 메시지 송출을 준비한다. 그리고 안테나 스위치용 타이머를 구동시켜서 첫 번째 안테나를 선택하여 비콘 브로드캐스팅 메시지를 송출한다. 그리고 다음 안테나를 선택하여 같은 동작을 반복한다. 이러한 복수의 안테나를 이용한 신호 송출의 브로드캐스트 동작은 매우 짧은 시간 이내에 수행될 수 있다.
이와 같이, 비콘 신호 송출 기기(100)는 복수의 지향성 안테나 중 하나를 순차적으로 선택하면서 대상 공간 내에 비콘 신호를 브로드캐스트 전송한다. 또한 기기(100) 별로 브로드캐스트하는 시간 구간이 상이하도록 설정하여 브로드캐스트 구간이 겹치지 않도록 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예는 다중의 지향성 안테나를 기반으로 한 AoD 기능을 지원하기 위하여 스위치 제어를 통해 안테나를 선택하여 특정 각(Angle)에 따른 비콘 메시지를 주기적으로 송출할 수 있다.
또한, 스마트폰과 같이 비콘 신호의 수신이 가능한 장치가 비콘 신호 송출 기기(100) 내 구성된 특정한 지향성 안테나의 방향으로부터 송출되는 메시지를 수신함으로써 이에 대한 브로드케스팅 메시지 내 포함된 안테나 정보를 활용하여 좌표 계산이 가능하다.
다음은 상기의 비콘 신호 송출 기기를 이용하여 무선 측위를 수행하는 실내 측위 장치(200)를 이용한 실내 측위 방법에 관하여 상세히 설명한다.
도 6은 도 1에 도시된 실내 측위 장치의 구성도이고, 도 7은 도 6의 실내 측위 장치를 이용한 실내 측위 방법의 흐름도이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 실내 측위 장치(200)는 맵 구축부(210), 고유정보 추출부(220), 위치 추정부(230), 위치 제공부(240)를 포함한다.
먼저, 맵 구축부(210)는 대상 공간(10)을 구성하는 각각의 서브 공간(11)마다 상기 비콘 신호 송출 기기(100)의 지향성 안테나(110) 중 서브 공간에 대응하는 경위도를 가지는 대상 안테나의 고유정보를 해당 기기의 고유정보와 연계 저장하여 가상 맵을 구축한다(S710).
이러한 가상 맵은 서브 공간(11)마다, 적어도 두 개의 비콘 신호 송출 기기(100)에 대한 상기 대상 안테나의 고유정보가 매핑되어 있을 수 있다. 이와 같이 구축된 가상 맵을 이용하면 추후 임의 공간에 위치한 사용자 단말(300)의 위치를 손쉽게 측위할 수 있게 된다.
예를 들어, 사용자 단말(300)로부터 직접 측위를 요청받은 경우 또는 사용자 단말(300)에 측위가 필요하다고 판단되는 경우, 실내 측위 장치(200)는 비콘 신호 송출 기기(100)가 복수의 지향성 안테나를 이용하여 비콘 신호를 브로드캐스트 하도록 명령할 수 있다. 이외에도 별도의 요청 없이도 브로드캐스트 동작이 진행될 수도 있다. 이때, 사용자 단말(300)에는 각 비콘 신호 송출 기기(100)의 일부 안테나에서 전송된 비콘 신호만이 수신될 것이다. 신호의 수신 여부는 비콘 신호 송출 기기(100)를 중심으로 사용자 단말(300)이 실내 공간(10) 상의 어느 경위도 방향에 위치하고 있는지에 따라 결정될 수 있다.
그러면, 고유정보 추출부(220)는 복수의 비콘 신호 송출 기기(100)의 각 지향성 안테나를 통해 송출된 비콘 신호들 중에서, 사용자 단말(300)에 수신된 일부 비콘 신호들을 대상으로 각 비콘 신호에 포함된 고유정보들을 각각 추출한다(S720).
여기서, 비콘 신호에 포함된 고유정보에는 비콘 신호 송출 기기(100)의 고유정보, 기기(100) 내에서 해당 비콘 신호를 송출한 안테나의 고유정보(안테나 ID, 경위도, 고도)를 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비콘 신호 송출 기기의 메시지 구조를 예시한 도면이다. 메시지 구조는 메시지 총 길이에 관한 Length, 메시지 구분 형식에 관한 Message Type, 메시지의 실제 규격화된 데이터에 해당하는 Message Area로 구분된다. Length는 동적으로 변경 가능한 브로드캐스트 메시지 구조체에 대한 총 길이를 의미하며 Message Type과 Message Area에 대한 Packet 구조체 길이를 의미한다. Message Type은 여러 가지 형태에 대한 브로드캐스트 메시지 내용에 대한 구분자를 의미하며, 본 실시예에서는 위치 측위 정보에 관한 Type으로 구분하여 정의한다. Message Area는 Message Type에서 정의된 실제 구조화된 데이터 영역을 의미하며 ASCII, HEX, Decimal 형식의 구조화된 데이터를 의미하며, 본 발명에서는 스마트폰과 같은 비콘 신호 수신 장치에서 AoD 기술 기반의 위치 좌표 계산이 가능하도록 위도/경도/고도 및 송출되는 방향에서의 안테나 번호 정보에 관한 항목이 포함된다. 이외에도 위치 측위에 관한 추가적인 항목이 구성될 수 있다.
이후, 위치 추정부(230)는 상기 가상 맵에 구축된 서브 공간들 중에서도, 앞서 추출한 고유 정보들과 일치하는 서브 공간을 탐색하고, 탐색한 서브 공간에 대응하는 위치 정보를 이용하여 사용자 단말(300)의 위치를 추정한다(S730).
여기서, 만일 상기 가상 맵에 구축된 서브 공간들 중에서 상기 추출한 고유 정보들과 모두 일치하는 서브 공간이 복수 개로 존재한다면, 상기 복수 개의 서브 공간에 대응하는 위치 정보의 평균 값을 사용자 단말(300)의 위치로 추정할 수도 있다. 예를 들어, 서브 공간이 좁게 분할되어 있다면 하나의 사용자 단말(300)에 대해 복수의 서브 공간이 추출될 수 있으며 이와 같은 경우 평균값을 사용함으로써 측위의 정확도를 높일 수 있다.
이후, 위치 제공부(240)는 추정한 위치 정보를 사용자 단말(300)에 제공한다(S740). 이를 통해 사용자에게 해당 공간에 특화된 서비스를 제공하거나 실내 위치 안내 서비스를 제공할 수 있다.
여기서 사용자 단말(300)은 제공받은 위치 정보를 다른 사용자 단말에 제공할 수도 있는데, 이때 추정한 위치 정보가 x,y 좌표만을 포함한 2차원 정보이면, 내부 센서를 통하여 인식되는 자신의 고도 정보(z 좌표)를 2차원 정보에 결합하여 신호 반경 이내의 다른 사용자 단말에 3차원 정보로 제공함으로써 이를 활용한 정보나 서비스를 제공받을 수 있도록 한다.
이상과 같은 본 발명에 따른 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법 및 그 장치에 따르면, 복수의 비콘 신호 송출 기기 내에 다중의 지향성 안테나를 구성하고 각 지향성 안테나가 바라보는 각도를 기초로 사용자 단말의 실내 측위 정보를 연산하여 실내 측위 정보 및 측위 정보에 기반한 위치 기반 서비스를 사용자 단말로 효과적으로 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 지향성 안테나의 경위도 정보를 바탕으로 다차원의 측위 기술을 제공할 수 있어 기존의 RSSI 기법에 비하여 위치 연산의 복잡도를 줄이고 실내의 다양한 전파 환경에서 측위 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 비콘 신호 송출 기기 110: 지향성 안테나
120: 안테나 스위치부 130: 근거리 무선통신부
131: 범용 인터페이스부 132: 스위치 제어부
133: 신호 발생부 134: 메모리부
200: 실내 측위 장치 210: 맵 구축부
220: 고유정보 추출부 230: 위치 추정부
240: 위치 제공부 300: 사용자 단말

Claims (14)

  1. 대상 공간 내에 배치되며 복수의 지향성 안테나를 가지는 복수의 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치의 실내 측위 방법에 있어서,
    상기 대상 공간을 구성하는 각각의 서브 공간마다 상기 지향성 안테나 중 상기 서브 공간에 대응하는 경위도를 가지는 대상 안테나의 고유정보를 해당 기기의 고유정보와 연계 저장하여 가상 맵을 구축하는 단계;
    상기 복수의 비콘 신호 송출 기기의 각 지향성 안테나를 통해 송출된 비콘 신호들 중에서, 사용자 단말에 수신된 일부 비콘 신호들을 대상으로 각 비콘 신호에 포함된 고유정보들을 각각 추출하는 단계; 및
    상기 가상 맵에 구축된 서브 공간들 중에서 상기 추출한 고유 정보들과 일치하는 서브 공간의 위치 정보를 이용하여 상기 사용자 단말의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비콘 신호에 포함된 고유정보들은,
    상기 비콘 신호가 송출된 기기의 고유정보, 상기 기기 내에서 상기 비콘 신호가 송출된 안테나의 고유정보를 포함하되,
    상기 안테나의 고유정보는,
    상기 안테나의 ID, 경위도, 고도 중 적어도 하나를 포함하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가상 맵은,
    상기 서브 공간마다, 적어도 두 개의 기기에 대한 상기 대상 안테나의 고유정보가 매핑되어 있으며,
    상기 사용자 단말의 위치를 추정하는 단계는,
    상기 가상 맵에 구축된 서브 공간들 중에서 상기 추출한 고유 정보들과 모두 일치하는 서브 공간이 복수 개로 존재하면, 상기 복수 개의 서브 공간에 대응하는 위치 정보의 평균 값을 상기 사용자 단말의 위치로 추정하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 서브 공간은 상기 대상 공간에 대한 2차원 또는 3차원 분할 공간인 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 추정한 위치 정보를 상기 사용자 단말에 제공하는 단계를 더 포함하며,
    상기 사용자 단말은,
    상기 제공받은 위치 정보를 다른 사용자 단말에 제공하되, 상기 추정한 위치 정보가 2차원 정보이면 내부 센서를 통해 인식되는 고도 정보를 상기 2차원 정보에 결합하여 신호 반경 이내의 다른 사용자 단말에 3차원 정보로 제공하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 비콘 신호 송출 기기는,
    상기 복수의 지향성 안테나 중 하나를 순차적으로 선택하면서 상기 대상 공간 내에 상기 비콘 신호를 브로드캐스트 전송하며, 상기 기기 별로 브로드캐스트하는 시간 구간이 상이한 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 비콘 신호 송출 기기는,
    상기 비콘 신호를 발생시키는 신호 발생부;
    상기 경위도가 서로 상이하도록 설정된 복수의 지향성 안테나;
    기 설정된 시간 간격으로 상기 지향성 안테나를 순차적으로 선택하도록 제어하는 제어 신호를 생성하는 스위치 제어부; 및
    상기 제어 신호에 따라 상기 복수의 지향성 안테나 중 하나를 상기 신호 발생부에 연결시키는 안테나 스위치부를 포함하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 방법.
  8. 대상 공간 내에 배치되며 복수의 지향성 안테나를 가지는 복수의 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치에 있어서,
    상기 대상 공간을 구성하는 각각의 서브 공간마다 상기 지향성 안테나 중 상기 서브 공간에 대응하는 경위도를 가지는 대상 안테나의 고유정보를 해당 기기의 고유정보와 연계 저장하여 가상 맵을 구축하는 맵 구축부;
    상기 복수의 비콘 신호 송출 기기의 각 지향성 안테나를 통해 송출된 비콘 신호들 중에서, 사용자 단말에 수신된 일부 비콘 신호들을 대상으로 각 비콘 신호에 포함된 고유정보들을 각각 추출하는 고유정보 추출부; 및
    상기 가상 맵에 구축된 서브 공간들 중에서 상기 추출한 고유 정보들과 일치하는 서브 공간의 위치 정보를 이용하여 상기 사용자 단말의 위치를 추정하는 위치 추정부를 포함하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 비콘 신호에 포함된 고유정보들은,
    상기 비콘 신호가 송출된 기기의 고유정보, 상기 기기 내에서 상기 비콘 신호가 송출된 안테나의 고유정보를 포함하되,
    상기 안테나의 고유정보는,
    상기 안테나의 ID, 경위도, 고도 중 적어도 하나를 포함하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 가상 맵은,
    상기 서브 공간마다, 적어도 두 개의 기기에 대한 상기 대상 안테나의 고유정보가 매핑되어 있으며,
    상기 위치 추정부는,
    상기 가상 맵에 구축된 서브 공간들 중에서 상기 추출한 고유 정보들과 모두 일치하는 서브 공간이 복수 개로 존재하면, 상기 복수 개의 서브 공간에 대응하는 위치 정보의 평균 값을 상기 사용자 단말의 위치로 추정하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 서브 공간은 상기 대상 공간에 대한 2차원 또는 3차원 분할 공간인 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 추정한 위치 정보를 상기 사용자 단말에 제공하는 위치 제공부를 더 포함하며,
    상기 사용자 단말은,
    상기 제공받은 위치 정보를 다른 사용자 단말에 제공하되, 상기 추정한 위치 정보가 2차원 정보이면 내부 센서를 통해 인식되는 고도 정보를 상기 2차원 정보에 결합하여 신호 반경 이내의 다른 사용자 단말에 3차원 정보로 제공하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 비콘 신호 송출 기기는,
    상기 복수의 지향성 안테나 중 하나를 순차적으로 선택하면서 상기 대상 공간 내에 상기 비콘 신호를 브로드캐스트 전송하며, 상기 기기 별로 브로드캐스트하는 시간 구간이 상이한 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 비콘 신호 송출 기기는,
    상기 비콘 신호를 발생시키는 신호 발생부;
    상기 경위도가 서로 상이하도록 설정된 복수의 지향성 안테나;
    기 설정된 시간 간격으로 상기 지향성 안테나를 순차적으로 선택하도록 제어하는 제어 신호를 생성하는 스위치 제어부; 및
    상기 제어 신호에 따라 상기 복수의 지향성 안테나 중 하나를 상기 신호 발생부에 연결시키는 안테나 스위치부를 포함하는 비콘 신호 송출 기기를 이용한 실내 측위 장치.
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