KR20210149532A - Uwb 레인징 디바이스 및 이를 이용한 uwb 레인징 방법 - Google Patents

Uwb 레인징 디바이스 및 이를 이용한 uwb 레인징 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 UWB(Ultra-Wide Band) 레인징 디바이스 및 이를 이용한 UWB 레인징 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 UWB 레인징 디바이스는 UWB 레인징 프로그램이 내장된 메모리 및 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함하고, 프로세서는 STS 및 페이로드를 포함한 통합 패킷을 전송하여 UWB 레인징을 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

UWB 레인징 디바이스 및 이를 이용한 UWB 레인징 방법{UWB RANGING DEVICE AND UWB RANGING METHOD USING THEREOF}
본 발명은 UWB(Ultra-Wide Band) 레인징 디바이스 및 이를 이용한 UWB 레인징 방법에 관한 것이다.
UWB는 ToF(Time of Flight) 기술을 활용하여 통신 주체 사이의 신호 도달 시간에 빛의 속도를 곱하여, 주체간의 거리를 산출하는 기술이다.
종래 기술에 따르면, 데이터 통신을 위한 프레임과 타임스탬프를 찍기 위한 STS가 추가된 프레임을 구분함으로써, 불필요한 프레임을 전송하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 데이터 통신을 위한 프레임 및 타임스탬프를 찍기 위한 STS가 추가된 프레임을 통합함으로써, UWB 레인징의 효율을 상승시키는 것이 가능한 UWB 레인징 디바이스 및 이를 이용한 UWB 레인징 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 UWB 레인징 디바이스는 UWB 레인징 프로그램이 내장된 메모리 및 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함하고, 프로세서는 STS 및 페이로드를 포함한 통합 패킷을 전송하여 UWB 레인징을 수행하는 것을 특징으로 한다.
프로세서는 통합 패킷을 포함한 Poll 및 Final을 전송한다.
프로세서는 실제 Poll 송신 시간을 고려하여 송신 시간의 오차를 산출하고, 오차를 고려하여 Final 송신 시간을 추정한다.
프로세서는 안테나 다이버시티가 적용된 경우 또는 레인징이 반복 수행되는 경우, 이전 단계에서의 송신 시간의 오차의 평균을 산출하고, 평균을 고려하여 Final 송신 시간을 추정한다.
본 발명에 따른 UWB 레인징 방법은(a) STS 및 페이로드를 포함한 Poll을 전송하는 단계와, (b) Final 송신 시간을 추정하는 단계 및 (c) 추정 결과를 이용하여 STS 및 페이로드를 포함한 Final을 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
(a) 단계는 데이터 통신을 위한 프레임 및 타임스탬프를 찍기 위한 STS가 추가된 프레임을 통합하여 앵커로 전송한다.
(b) 단계는 실제 Poll 송신 시간을 고려하여 송신 시간의 오차를 산출하고, 오차를 적용하여 Final 송신시간을 추정한다.
(b) 단계는 안테나 다이버시티가 적용되거나, 레인징이 반복되는 경우, 이전 단계에서의 송신 시간 오차의 평균을 산출하고, 평균을 고려하여 Final 송신 시간을 추정한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 데이터 통신을 위한 프레임과 타임스탬프를 찍기 위한 프레임을 통합하여 송/수신함으로써, 종래 기술에 따른 UWB 레인징 동작 대비 슬롯(slot)을 줄여 전력 최적화를 달성하고, UWB 레인징의 효율을 상승시키는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 UWB 레인징(Ranging)을 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 UWB 레인징 디바이스를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프레임 포맷을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 UWB 레인징을 도시한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 Final 송신시간 추정을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 UWB 레인징 방법을 도시한다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 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 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 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)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.
LBS(Local Based Service)를 제공하기 위해, GPS, 와이파이, 블루투스 등의 기술이 활용되고 있는데, 이는 정밀 측정이 어려운 문제점이 있는 반면, UWB(6~8GHz, 500MHz 이상의 대역폭)는 넓은 주파수 대역, 저전력 통신, 수십 센티미터 내외의 높은 정확도로 측위가 가능한 장점이 있다.
종래 기술에 따른 GPS와 이동통신망 기반의 위치 추적 기술은 각각 5 내지 50m, 50 내지 200m의 오차 범위를 가지고 있으며, GPS의 경우 도심 빌딩 숲에서는 위성에서 보내는 신호가 도달하는데 장애가 발생할 수도 있다.
와이파이의 경우 저비용으로 위치 추적이 가능하지만, 사용 주파수 대역이 좁으므로 위치 추적 대상이 많아질 경우 채널 분할에 한계가 발생할 수 있다. 또한, 이동성을 가진 단말은 고정된 와이파이 AP(액세스 포인트)와의 연결이 끊어질 수 있다.
블루투스는 다수의 센서를 저렴한 비용으로 배치하는 것이 가능하지만, 통신 레이턴시(latency)가 크기 때문에 동적 환경에서 실시간으로 위치를 추적하는 데에는 적합하지 않다.
UWB는 6~8GHz, 500MHz 이상의 대역폭의 ToF(Time of Flight) 기술을 활용하여 통신 주체 사이의 신호 도달 시간에 빛의 속도를 곱하여 통신 주체간 거리를 산출하기 위한 기술이다.
UWB는 와이파이, 블루투스와는 다르게 넓은 주파수 대역을 사용하며, 낮은 전력으로 높은 전송 속도를 통해 대용량의 정보를 전송하는 것이 가능하다.
UWB 기술을 이용한 측위는 20센티미터 내외의 낮은 오차율을 보이며, 장애물에 대한 투과율이 높고, 와이파이 등의 다른 신호에 영향을 받지 않는 장점이 있다.
레인징(Ranging)이란 1개의 디바이스(포브)와 1개의 앵커 간의 거리를 측정하는 행위를 말하며, 데이터 스트럭쳐는 IEEE802.15.4z 표준에 따르고, 1 패킷 송신 시 약 200us 정도가 소요된다.
슬롯(Slot)은 포브 또는 앵커가 신호를 1회 송신(또는 수신)하고, 다음 송신(또는 수신)까지 소요되는 시간으로 정의된다.
도 1은 종래 기술에 따른 UWB 레인징(Ranging)으로, 4개의 앵커를 기준으로 한 레인징 시퀀스(Ranging Sequence)를 도시한다.
디바이스(10)는 1번 슬롯에서 제1 앵커(21) 내지 제4 앵커(24)로 Pre-poll을 전송하고, 이 때 타임스탬프 등의 DATA 전송을 위해 STS 없이 페이로드를 포함하는 구조의 프레임 포맷을 이용한다.
디바이스(10)는 2번 슬롯에서 제1 앵커(21) 내지 제4 앵커(24)로 Poll을 전송하며, 이 때 타임스탬프를 찍기 위해 STS를 포함하는 구조의 프레임 포맷을 이용한다.
제1 앵커(21) 내지 제4 앵커(24)는 3번 슬롯 내지 6번 슬롯에서 디바이스(10)로 응답(response)를 전송하고, 디바이스(10)는 7번 슬롯에서 제1 앵커(21) 내지 제4 앵커(24)로 Final을 전송한다.
디바이스(10)는 8번 슬롯에서 제1 앵커(21) 내지 제4 앵커(24)로 Final Data를 전송하는데, 이 때 Pre-poll과 같이, DATA 전송을 위해 STS 없이 페이로드를 포함하는 구조의 프레임 포맷을 이용한다.
전술한 종래 기술에 따르면, 데이터 통신을 위한 프레임과 타임스탬프를 찍기 위한 STS가 추가된 프레임을 구분함으로써, 불필요한 프레임을 전송하는 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 UWB 레인징 디바이스를 도시한다.
본 발명에 따른 UWB 레인징 디바이스(100)는 UWB 레인징 프로그램이 내장된 메모리(110) 및 프로그램을 실행시키는 프로세서(120)를 포함하고, 프로세서(120)는 STS 및 페이로드를 포함한 통합 패킷을 전송하여 UWB 레인징을 수행하는 것을 특징으로 한다.
프로세서(120)는 데이터 통신을 위한 프레임 및 타임스탬프를 찍기 위한 STS가 추가된 프레임을 통합한 패킷을 포함한 Poll 및 Final을 전송한다.
프로세서(120)는 실제 Poll 송신 시간을 고려하여 송신 시간의 오차를 산출하고, 오차를 고려하여 Final 송신 시간을 추정하며, 추정된 Final 송신 시간을 포함하여 Final패킷을 전송한다.
프로세서(120)는 안테나 다이버시티가 적용된 경우 또는 레인징이 반복 수행되는 경우, 이전 단계에서의 송신 시간의 오차의 평균을 산출하고, 평균을 고려하여 Final 송신 시간을 추정하고, 추정된 Final 송신 시간을 포함하여Final 패킷을 전송한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프레임 포맷을 도시한다.
도 3의 (a)는 타임스탬프를 찍기 위해 STS를 포함하는 구조의 프레임 포맷을 도시하고, (b)는 타임스탬프 등의 DATA 전송을 위해 STS 없이 페이로드를 포함하는 구조의 프레임 포맷을 도시하며, (c)는 타임스탬프를 찍을 수도 있고, DATA 전송도 가능한 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 UWB 레인징을 도시한다.
본 발명의 실시예에 따른 디바이스(100)는 Poll을 전송함에 있어서, 타임스탬프를 찍을 수 있고 DATA 전송도 가능한 구조, 즉 데이터 통신을 위한 프레임 및 타임스탬프를 찍기 위한 STS가 추가된 프레임을 통합하여 제1 앵커(210) 내지 제4 앵커(240)로 전송한다.
2번 슬롯 내지 5번 슬롯에서, 제1 앵커(210) 내지 제4 앵커(240)는 디바이스(100)로 응답(response)를 전송하며, 이 때 타임스탬프를 찍기 위해 STS를 포함하는 구조의 프레임 포맷을 이용한다.
6번 슬롯에서, 디바이스(100)는 Final패킷을 전송함에 있어서, Poll과 마찬가지로 데이터 통신을 위한 프레임 및 타임스탬프를 찍기 위한 STS가 추가된 프레임을 통합하여 제1 앵커(210) 내지 제4 앵커(240)로 전송한다.
도 1과 비교하여 볼 때, 본 발명의 실시예에 따르면 6번의 슬롯으로 레인징을 수행함으로써, 슬롯(slot)을 줄여 전력 최적화를 달성하고, UWB 레인징의 효율을 상승시키는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 마지막 슬롯(도 4에서의 6번 슬롯)에서 해당 신호를 송신한 시간(Timestamp)를 포함함에 있어서, 마지막 슬롯을 송신하는 시간을 예측하여 STS를 포함시킨다.
즉, 디바이스(100)에서 Poll을 보낼 때 발생하였던 송신 오차를 이용하여 마지막 슬롯을 송신하는 시간을 예측하는데, 이는 송신 시간의 오차는 대부분 UWB 모듈 단품 생산 오차 및 환경(온/습도)에 따른 발진자 오차에서 야기되는데, 이는 Poll과 Final을 송신하는 사이는 수ms에 불과하여, 그 환경이 거의 동일하다고 가정할 수 있기 때문이다(반면, 응답 수신 시간에는 ToF가 포함되어 있는 바, 유용할 수 없음).
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 Final 송신시간 추정을 도시한다.
도 5를 참고하면, 슬롯 간 시간은 유동적이나, 1ms인 것으로 가정한다.
1번 슬롯에서 실제 Poll 송신 시간이 1.002ms인 경우, 디바이스(100)는 Poll 송신 시간의 오차를 이용하여 Final 송신 시간을 예측하여, 6번 슬롯의 송신 시간을 6.002ms로 추정한다.
도 6을 참고하면, 안테나 다이버시티(diversity)가 적용된 경우와 같이 같은 신호를 여러 번 송신하거나, 레인징을 지속적으로 반복하는 경우, 모수가 증가하므로 실제 송신시간 오차의 평균을 이용하여 보다 정확한 Final 송신 시간 예측이 가능하다.
즉, 1번 슬롯의 실제 제1 Poll 송신 시간이 1.001ms이고, 2번 슬롯의 실제 제2 Poll 송신 시간이 2.003ms인 경우, 오차의 평균은 0.002ms가 되고, 11번 슬롯에서 Final 송신 시간은 이전 신호들의 송신 시간 오차의 평균을 고려하여, 11.002ms로 추정된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 UWB 레인징 방법을 도시한다.
본 발명의 실시예에 따른 UWB 레인징 방법은 STS 및 페이로드를 포함한 Poll을 전송하는 단계(S710)와, 마지막 슬롯의 Final 송신시간을 추정하는 단계(S720) 및 추정 결과를 이용하여 STS 및 페이로드를 포함한 Final을 전송하는 단계(S730)를 포함한다.
S710 단계에서, 데이터 통신을 위한 프레임 및 타임스탬프를 찍기 위한 STS가 추가된 프레임을 통합하여 앵커로 전송한다.
S720 단계에서, 최초 슬롯에서의 실제 Poll 송신 시간을 고려하여 송신 시간의 오차를 산출하고, 오차를 적용하여 Final 송신시간을 추정한다.
S720 단계에서, 안테나 다이버시티가 적용되거나, 레인징이 반복되는 경우, 이전 단계에서의 송신 시간 오차의 평균을 산출하고, 평균을 고려하여 Final 송신시간을 추정한다.
S730 단계에서, 추정 결과를 이용하여, 데이터 통신을 위한 프레임 및 타임스탬프를 찍기 위한 STS가 추가된 프레임을 통합하여 앵커로 전송한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 UWB 레인징 방법은 컴퓨터 시스템에서 구현되거나, 또는 기록매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 적어도 하나 이상의 프로세서와, 메모리와, 사용자 입력 장치와, 데이터 통신 버스와, 사용자 출력 장치와, 저장소를 포함할 수 있다. 전술한 각각의 구성 요소는 데이터 통신 버스를 통해 데이터 통신을 한다.
컴퓨터 시스템은 네트워크에 커플링된 네트워크 인터페이스를 더 포함할 수 있다. 프로세서는 중앙처리 장치(central processing unit (CPU))이거나, 혹은 메모리 및/또는 저장소에 저장된 명령어를 처리하는 반도체 장치일 수 있다.
메모리 및 저장소는 다양한 형태의 휘발성 혹은 비휘발성 저장매체를 포함할 수 있다. 예컨대, 메모리는 ROM 및 RAM을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 UWB 레인징 방법은 컴퓨터에서 실행 가능한 방법으로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 UWB 레인징 방법이 컴퓨터 장치에서 수행될 때, 컴퓨터로 판독 가능한 명령어들이 본 발명에 따른 레인징 방법을 수행할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명에 따른 UWB 레인징 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명의 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.

Claims (8)

  1. UWB 레인징 프로그램이 내장된 메모리; 및
    상기 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는 STS 및 페이로드를 포함한 통합 패킷을 전송하여 UWB 레인징을 수행하는 것
    을 특징으로 하는 UWB 레인징 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 통합 패킷을 포함한 Poll 및 Final을 전송하는 것
    인 UWB 레인징 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는 실제 Poll 송신 시간을 고려하여 송신 시간의 오차를 산출하고, 상기 오차를 고려하여 Final 송신 시간을 추정하는 것
    인 UWB 레인징 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프로세서는 안테나 다이버시티가 적용된 경우 또는 레인징이 반복 수행되는 경우, 이전 단계에서의 송신 시간의 오차의 평균을 산출하고, 상기 평균을 고려하여 상기 Final 송신 시간을 추정하는 것
    인 UWB 레인징 디바이스.
  5. (a) STS 및 페이로드를 포함한 Poll을 전송하는 단계;
    (b) Final 송신 시간을 추정하는 단계; 및
    (c) 상기 (b) 단계에서의 추정 결과를 이용하여 STS 및 페이로드를 포함한 Final을 전송하는 단계
    를 포함하는 UWB 레인징 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 데이터 통신을 위한 프레임 및 타임스탬프를 찍기 위한 상기 STS가 추가된 프레임을 통합하여 앵커로 전송하는 것
    인 UWB 레인징 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 실제 Poll 송신 시간을 고려하여 송신 시간의 오차를 산출하고, 상기 오차를 적용하여 상기 Final 송신시간을 추정하는 것
    인 UWB 레인징 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 안테나 다이버시티가 적용되거나, 레인징이 반복되는 경우, 이전 단계에서의 송신 시간 오차의 평균을 산출하고, 상기 평균을 고려하여 상기 Final 송신 시간을 추정하는 것
    인 UWB 레인징 방법.
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