KR20210153918A - Method and apparatus for estimating robust range using hyper-tangent loss function - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a method and an apparatus for robust distance estimation using a hyper-tangent loss function. The method for robust distance estimation using a hyper-tangent loss function implemented in a computer according to an embodiment comprises the steps of: calculating an error using a difference between an i-th distance observation value and a distance estimate value; calculating a weight for the distance observation value using a hyper-tangent loss function; and calculating a distance estimation value using the predicted weight and the distance observation value.

Description

하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING ROBUST RANGE USING HYPER-TANGENT LOSS FUNCTION}Robust distance estimation method and apparatus using hypertangent loss function

아래의 실시예들은 하이퍼 탄젠트(hyper-tangent) 손실 함수 기반의 강인한 거리 추정 알고리즘에 관한 것이다. 이 발명은 2019년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2017-0-00474, AI 스피커 음성비서를 위한 지능형 음성신호처리 기술개발).The following embodiments relate to a robust distance estimation algorithm based on a hyper-tangent loss function. This invention is a research conducted with the support of the Information and Communication Planning and Evaluation Institute with funding from the government (Ministry of Science and ICT) in 2019 (No.2017-0-00474, development of intelligent voice signal processing technology for AI speaker voice assistant).

거리 추정은 수신 신호 강도(signal strength, RSS) 또는 예상 도착 시간(time-of-arrival, TOA) 측정을 사용하여 에미터(emitter)와 리시버(receiver) 사이의 거리를 결정하는 기법이다. 거리 정보는 TOA 및 RSS 측정을 사용한 거리 기반 로컬리제이션(localization)에서 매우 중요하며, 거리 측정의 정확도가 높을수록 로컬리제이션 정확도가 우수하다. 거리 추정은 다중 경로 환경의 소스(source) 로컬리제이션, 자율 주행, 위치 기반 서비스(location-based service, LBS), 다중경로(multipath) 상황의 센서 네트워크, 침입 또는 이벤트 감지 등에서 활용된다. 기존 연구에서 가시선(line-of-sight, LOS) 환경의 거리 추정 문제를 연구하였다. 일 예로, RSS 측정에 기초하여 최적 비편향 및 선형 최소 제곱 거리 추정량을 제공한다(비특허문헌 1). 그러나 비강인한 거리 추정이고 다중경로 환경에서 성능이 급격히 저하된다. Distance estimation is a technique for determining the distance between an emitter and a receiver using a received signal strength (RSS) or time-of-arrival (TOA) measurement. Distance information is very important in distance-based localization using TOA and RSS measurement, and the higher the accuracy of the distance measurement, the better the localization accuracy. Distance estimation is used in source localization in a multi-path environment, autonomous driving, location-based service (LBS), sensor networks in multipath situations, intrusion or event detection, and the like. In previous studies, the problem of distance estimation in line-of-sight (LOS) environments was studied. As an example, an optimal unbiased and linear least squares distance estimator is provided based on RSS measurement (Non-Patent Document 1). However, it is a non-robust distance estimation and the performance deteriorates rapidly in a multipath environment.

이와 같이 기존 연구는 일부 개방적인 문제가 존재하며, 그 중 중요한 과제는 가시선(LOS)/비가시선(NLOS) 혼합 상황에서 에미터와 리시버 사이의 거리를 추정하는 것이다. 예를 들어 에미터와 리시버 사이의 LOS 경로는 실내 또는 복잡한 도시 상황에서 방해될 수 있다. M 추정량은 이상치의 부작용을 완화하기 때문에 주목을 받았다. M 추정량은 강인한 신호 처리에 널리 사용되었지만, M 추정량은 정상치와 이상치를 식별하기 위한 통계적 검정을 요구한다. Huber와 bi-square 손실 함수는 M 추정에서 널리 사용된다. 다른 손실 함수를 오차 크기에 활용해야 하기 때문에 통계적 검정이 필요하다. flat 손실 함수는 오차 크기가 커질수록 빠르게 증가한다. 이 큰 오차는 추정 성능을 심각하게 떨어뜨린다. 이 문제를 해결하기 위해 오류 크기가 특정 문턱 값을 초과할 때 선형 또는 flat 손실 함수를 사용한다. 따라서 오류 크기가 사전 정의된 문턱 값을 초과하는지 여부를 확인하기 위해 통계적 검정이 필요하다. 이는 검정을 샘플별로 수행해야 하기 때문에 알고리즘의 계산 부담이 크다. 또한, 최적 문턱 값은 정상치 및 이상치 식별을 위해 결정되어야 한다. 문턱 값은 변경된 환경에 따라 결정되어야 하기 때문에 환경이나 채널이 빠르게 변할 때 어려운 일이다. As such, existing studies have some open problems, and an important task among them is to estimate the distance between the emitter and the receiver in a line-of-sight (LOS)/non-line of sight (NLOS) mixed situation. For example, the LOS path between emitter and receiver can be obstructed indoors or in complex urban situations. The M estimator has received attention because it mitigates the side effects of outliers. M estimators have been widely used for robust signal processing, but M estimators require statistical tests to identify normal and outliers. Huber and bi-square loss functions are widely used in M estimation. A statistical test is necessary because other loss functions must be used for the error magnitude. The flat loss function increases rapidly as the error size increases. This large error severely degrades the estimation performance. To solve this problem, we use a linear or flat loss function when the error magnitude exceeds a certain threshold. Therefore, a statistical test is needed to determine whether the error magnitude exceeds a predefined threshold. This has a high computational burden on the algorithm because the test has to be performed on a sample-by-sample basis. In addition, an optimal threshold value should be determined for normal and outlier identification. This is difficult when the environment or channel changes rapidly because the threshold value must be determined according to the changed environment.

Chitte, S. D., Dasgupta, S., Ding, Z.: 'Distance estimation from received signal strength under log-normal shadowing: bias and variance', IEEE Signal Process. Lett., vol. 16, no. 3, pp. 216-218, Jun. 2009. Chitte, S. D., Dasgupta, S., Ding, Z.: 'Distance estimation from received signal strength under log-normal shadowing: bias and variance', IEEE Signal Process. Lett., vol. 16, no. 3, pp. 216-218, Jun. 2009.

실시예들은 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 거리 정보를 추정하기 위하여 통계적 검정을 요구하지 않는 하이퍼 탄젠트(hyper-tangent) 손실 함수 기반의 강인한 거리 추정 알고리즘을 제공한다. The embodiments describe a robust distance estimation method and apparatus using a hyper-tangent loss function, and more specifically, a robust distance estimation algorithm based on a hyper-tangent loss function that does not require a statistical test to estimate distance information. provides

실시예들은 하이퍼 탄젠트(hyper-tangent) 손실 함수 기반의 M 추정량 알고리즘을 이용하여 거리 정보를 추정함으로써, 통계적 검정 및 최적 문턱 값의 결정이 요구되지 않아 알고리즘의 구현이 보다 간단하고 효율적인 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법 및 장치를 제공하는데 있다. Embodiments estimate distance information using an M estimator algorithm based on a hyper-tangent loss function, so that statistical testing and determination of an optimal threshold are not required, so that the implementation of the algorithm is simpler and more efficient. To provide a robust distance estimation method and apparatus using

일 실시예에 따른 컴퓨터로 구현되는 하이퍼 탄젠트(hyper-tangent) 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법은, i번째 거리 관측 값과 거리 추정 값의 차를 이용하여 오차를 계산하는 단계; 하이퍼 탄젠트 손실함수를 이용하여 상기 거리 관측 값에 대한 가중치를 계산하는 단계; 및 예측된 상기 가중치 및 상기 거리 관측 값을 이용하여 거리 추정 값을 계산하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. According to an embodiment, a robust distance estimation method using a hyper-tangent loss function implemented by a computer includes: calculating an error using a difference between an i-th distance observation value and a distance estimation value; calculating a weight for the distance observation value using a hypertangent loss function; and calculating a distance estimation value using the predicted weight and the distance observation value.

초기 거리 값과 초기 매개변수를 설정하는 단계; 상기 오차를 계산한 후, 상기 거리 관측 값에 대한 표준편차를 계산하는 단계; 및 상기 거리 관측 값에 대한 매개변수를 계산하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. setting an initial distance value and initial parameters; after calculating the error, calculating a standard deviation for the distance observation value; and calculating a parameter for the distance observation value.

상기 하이퍼 탄젠트 손실함수를 이용하여 상기 거리 관측 값에 대한 가중치를 계산하는 단계는, 가중치가 할당되는 M 추정량(estimator)을 제공하여 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 자동으로 활용함에 따라 통계적 검증과 미리 정의된 문턱 값을 필요로 하지 않는 강인한(robust) 거리 추정 알고리즘을 제공할 수 있다. Calculating the weights for the distance observation values using the hypertangent loss function includes statistical verification and predefined thresholds by automatically utilizing the hypertangent loss function by providing an M estimator to which weights are assigned. A robust distance estimation algorithm that does not require a value can be provided.

상기 하이퍼 탄젠트 손실함수를 이용하여 상기 거리 관측 값에 대한 가중치를 계산하는 단계는, M 추정량에 상기 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 사용할 때 통계적 검정 없이 이상치에 작은 가중치를 부여하고, 정상치에 큰 가중치를 부여할 수 있다. In the step of calculating the weight for the distance observation value using the hypertangent loss function, when the hypertangent loss function is used for the M estimator, a small weight is given to the outlier without statistical testing, and a large weight is given to the normal value. can

상기 가중치 및 상기 거리 관측 값을 이용하여 거리 추정 값을 계산하는 단계는, 상기 거리 추정 값이 수렴할 때까지 상기 거리 관측 값에 대한 상기 오차 계산, 상기 표준편차 계산, 상기 매개변수 계산, 상기 가중치 계산 및 상기 거리 추정 값 계산 과정을 반복할 수 있다. Calculating a distance estimate value using the weight and the distance observation value may include calculating the error, calculating the standard deviation, calculating the parameter, and calculating the weight for the distance observation value until the distance estimate value converges. The process of calculating and calculating the distance estimation value may be repeated.

다른 실시예에 따른 하이퍼 탄젠트(hyper-tangent) 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 장치는, i번째 거리 관측 값과 거리 추정 값의 차를 이용하여 오차를 계산하는 오차 산정부; 하이퍼 탄젠트 손실함수를 이용하여 상기 거리 관측 값에 대한 가중치를 계산하는 가중치 산정부; 및 예측된 상기 가중치 및 상기 거리 관측 값을 이용하여 거리 추정 값을 계산하는 거리 추정 값 산정부를 포함하여 이루어질 수 있다. A robust distance estimator using a hyper-tangent loss function according to another embodiment includes an error estimator configured to calculate an error using a difference between an i-th distance observed value and a distance estimate value; a weight calculator for calculating a weight for the distance observation value using a hypertangent loss function; and a distance estimation value calculator configured to calculate a distance estimation value using the predicted weight and the distance observation value.

초기 거리 값과 초기 매개변수를 설정하는 초기값 설정부; 상기 오차를 계산한 후, 상기 거리 관측 값에 대한 표준편차를 계산하는 표준편차 산정부; 및 상기 거리 관측 값에 대한 매개변수를 계산하는 매개변수 산정부를 더 포함하여 이루어질 수 있다. an initial value setting unit for setting an initial distance value and initial parameters; a standard deviation calculator for calculating the standard deviation for the distance observation value after calculating the error; and a parameter calculator configured to calculate a parameter for the distance observation value.

상기 가중치 산정부는, 가중치가 할당되는 M 추정량(estimator)을 제공하여 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 자동으로 활용함에 따라 통계적 검증과 미리 정의된 문턱 값을 필요로 하지 않는 강인한(robust) 거리 추정 알고리즘을 제공할 수 있다. The weight estimator provides an M estimator to which weights are assigned to automatically utilize a hypertangent loss function to provide a robust distance estimation algorithm that does not require statistical verification and a predefined threshold value. can

상기 가중치 산정부는, M 추정량에 상기 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 사용할 때 통계적 검정 없이 이상치에 작은 가중치를 부여하고, 정상치에 큰 가중치를 부여할 수 있다. When the hypertangent loss function is used for the M estimator, the weight calculator may give a small weight to an outlier without statistical testing and a large weight to a normal value.

상기 거리 추정 값이 수렴할 때까지 상기 거리 관측 값에 대한 상기 오차 계산, 상기 표준편차 계산, 상기 매개변수 계산, 상기 가중치 계산 및 상기 거리 추정 값 계산 과정을 반복할 수 있다. The process of calculating the error, calculating the standard deviation, calculating the parameter, calculating the weight, and calculating the distance estimate value may be repeated until the distance estimate value converges.

실시예들에 따르면 하이퍼 탄젠트(hyper-tangent) 손실 함수 기반의 M 추정량 알고리즘을 이용하여 거리 정보를 추정함으로써, 통계적 검정 및 최적 문턱 값의 결정이 요구되지 않아 알고리즘의 구현이 보다 간단하고 효율적인 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법 및 장치를 제공할 수 있다.According to embodiments, by estimating distance information using an M estimator algorithm based on a hyper-tangent loss function, statistical testing and determination of an optimal threshold are not required, so that the implementation of the algorithm is simpler and more efficient. It is possible to provide a robust distance estimation method and apparatus using a loss function.

도 1은 일 실시예에 따른 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 거리에 따른 MSE를 나타내는 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 정상치 분산에 따른 MSE를 나타내는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 이상치 잡음의 표준 편차의 함수로 MSE를 나타내는 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 편향에 따른 MSE를 나타내는 그래프이다.
1 is a flowchart illustrating a robust distance estimation method using a hypertangent loss function according to an embodiment.
2 is a block diagram illustrating a robust distance estimation apparatus using a hypertangent loss function according to an embodiment.
3 is a graph illustrating an MSE according to a distance according to an embodiment.
4 is a graph illustrating MSE according to variance of normal values according to an embodiment.
5 is a graph illustrating MSE as a function of standard deviation of outlier noise according to an exemplary embodiment.
6 is a graph illustrating an MSE according to a bias according to an embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the described embodiments may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided in order to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. The shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description.

아래의 실시예들은 거리 정보를 추정하기 위하여 하이퍼 탄젠트(hyper-tangent) 손실 함수 기반의 강인한 거리 추정 알고리즘을 제안한다. 실제 잡음 환경에서는 가우시안 잡음 외에도 충격(impulse) 잡음이 존재함이 알려져 있다. 충격 잡음에 의해 추정 성능이 저하되는 것을 막기 위해 M 추정량(M estimator)이 사용된다. 충격 잡음이 존재하는 환경은 혼합 가우시안 분포로 모델링된다. 여기서는 수신된 신호의 크기만을 사용하여 충격 잡음에 대한 강인한 거리 추정량(estimator)을 제시한다. M 추정량은 강인한 신호 처리에 널리 사용되어 왔다. 기존의 M 추정량은 정상치(inlier)와 이상치(outlier)를 구분하기 위하여 통계적 검정을 필요로 한다. 그러나 기존 M 추정량은 시간에 따라 변하는 최적성을 가진 문턱 값(threshold)을 포함하는 통계적 시험을 요구하므로 알고리즘적으로 도전적이고 계산적으로 부담이 된다. 이 때, 통계적 검정에 사용되는 문턱 값(threshold)은 매우 중요한 매개 변수이고 이 값의 결정은 일반적으로 결정하기 까다롭다. 이러한 통계적 검정은 각 관측치에 대해 시험을 수행해야 하므로 알고리즘의 계산 부담이 크다. 위의 문제를 해결하기 위해 통계적 검정이 요구되지 않는 하이퍼 탄젠트 손실 함수에 근거한 M 추정량 알고리즘을 제안한다. The following embodiments propose a robust distance estimation algorithm based on a hyper-tangent loss function to estimate distance information. In a real noise environment, it is known that impulse noise exists in addition to Gaussian noise. In order to prevent the estimation performance from being degraded by the impact noise, M estimator is used. The environment in which the impact noise is present is modeled as a mixed Gaussian distribution. Here, we present a robust distance estimator for impact noise using only the magnitude of the received signal. M estimators have been widely used for robust signal processing. Existing M estimators require statistical tests to distinguish between inliers and outliers. However, the existing M estimator is algorithmically challenging and computationally burdensome because it requires a statistical test that includes a threshold with time-varying optimality. In this case, the threshold used for statistical testing is a very important parameter, and it is generally difficult to determine this value. These statistical tests have a high computational burden on the algorithm because tests must be performed on each observation. To solve the above problem, we propose an M estimator algorithm based on a hypertangent loss function that does not require statistical testing.

모의 실험 결과를 통하여 제안된 기법의 추정 성능이 통계적 검정 절차가 없이도 기존 skipped 필터 기법과 성능이 비슷함을 보였다. 아래에서 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법 및 장치에 대해 보다 구체적으로 설명한다.Through the simulation results, it was shown that the estimation performance of the proposed method is similar to that of the existing skipped filter method even without a statistical test procedure. Hereinafter, a robust distance estimation method and apparatus using a hypertangent loss function will be described in more detail.

위의 문제를 해결하기 위해 통계적 검정 문턱 값 조정이 필요 없는 M 추정량을 제안한다. 즉, 가중치가 할당되는 M 추정량을 제공하여 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 자동으로 활용할 수 있다. M 추정량에 이 손실 함수를 사용할 때 정상치는 큰 가중치를 받고 통계적 검정 없이 이상치에 작은 가중치를 부여할 수 있다. 또한, 강인한(robust) 베이지안 M 추정량은 선행 M 거리 추정치를 사용하여 얻은 사전 정보를 사용하여 제공된다. To solve the above problem, we propose an M estimator that does not require statistical test threshold adjustment. That is, we can automatically utilize the hypertangent loss function by providing an M estimator to which weights are assigned. When using this loss function for the M estimator, it is possible to weight the outliers with small weights while the normals receive large weights and without statistical testing. In addition, a robust Bayesian M estimator is provided using prior information obtained using prior M distance estimates.

제안된 방법은 시뮬레이션 결과에서 통계적 검정과 최적의 문턱 값 결정을 요구하지 않지만 제안된 방법의 평균 제곱 오차(MSE) 성능은 skipped 필터와 유사하며 다른 기존 알고리즘보다 우수하다는 것을 보여준다. 강인한 베이지안 M 추정량의 MSE 성능은 낮은 신호 대 잡음 비율(SNR) 체제에서 다른 결정론적 방법보다 상당히 우수하다. 실제로 강인한 어댑티브 필터링에 tanh 손실 함수가 손실 함수로 활용되었다. 그러나, tanh 손실 함수는 M 추정량의 손실 함수로 활용되지 않았다. 정보 이론 학습(ITL) 방법은 통계적 검정이 필요하지 않지만, 제안된 방법보다 추정 성능이 떨어진다. 추정 성능은 손실 함수에 크게 좌우되기 때문에 손실 함수의 선택이 중요하다. 따라서 tanh 손실 함수 기반 알고리즘이 추정 성능의 향상으로 이어지기 때문에 제안된 방법은 타당성이 있다. 제안된 거리 추정 취약성은 단일 센서뿐이지만 샘플 집합 크기가 충분히 크면 추정 정확도가 만족스러울 수 있다는 점에 유의해야 한다. Although the proposed method does not require statistical testing and optimal threshold determination in the simulation results, it shows that the mean square error (MSE) performance of the proposed method is similar to that of the skipped filter and is superior to other existing algorithms. The MSE performance of the robust Bayesian M estimator is significantly better than other deterministic methods in the low signal-to-noise ratio (SNR) regime. In fact, the tanh loss function was used as the loss function for robust adaptive filtering. However, the tanh loss function was not utilized as a loss function for the M estimator. Although the information theory learning (ITL) method does not require statistical testing, its estimation performance is inferior to the proposed method. Since the estimation performance is highly dependent on the loss function, the choice of the loss function is important. Therefore, the proposed method is valid because the tanh loss function-based algorithm leads to the improvement of the estimation performance. It should be noted that the proposed distance estimation vulnerability is only a single sensor, but the estimation accuracy can be satisfactory if the sample set size is large enough.

실시예들에 따른 요점을 다음과 같이 정리할 수 있다.The points according to the embodiments may be summarized as follows.

1) tanh 손실 함수는 M 추정량의 손실 함수로 활용된다.1) The tanh loss function is used as the loss function of the M estimator.

2) Huber, Hampel 또는 bi-square 손실 함수를 활용하는 기존 M 추정량에서는 오차 크기에 대해 서로 다른 손실 함수를 사용해야 하므로 통계적 검정이 필요하다. 그러나, 통계적 검정은 관측당 검정을 수행해야 하기 때문에 알고리즘의 계산 복잡성을 높게 한다. 또한 LOS 및 NLOS 잡음을 식별하기 위해 최적의 문턱 값을 찾아야 한다. 이는 변화된 환경에 따라 문턱 값을 결정해야 하기 때문에 환경이나 채널이 빠르게 변할 때 힘든 일이다. 이러한 문제를 회피하기 위해, 실시예들은 통계적 검정과 최적의 문턱 값을 필요로 하지 않는 강인한 알고리즘을 제공한다.2) In the existing M estimator utilizing Huber, Hampel, or bi-square loss functions, different loss functions must be used for the error size, so statistical testing is required. However, statistical tests increase the computational complexity of the algorithm because tests must be performed per observation. We also need to find an optimal threshold to identify LOS and NLOS noise. This is difficult when the environment or channel changes rapidly because the threshold value must be determined according to the changed environment. To circumvent this problem, the embodiments provide a robust algorithm that does not require statistical tests and optimal thresholds.

3) 실시예들에 따른 제안된 알고리즘의 MSE 분석을 수행한다.3) Perform MSE analysis of the proposed algorithm according to the embodiments.

4) 실시예들에 따른 제안된 알고리즘의 MSE 성능은 skipped 필터의 성능과 유사하며 다른 기존 알고리즘을 능가한다. 또한, 통계적 검정과 최적의 문턱 값 선택을 요구하지 않는다.4) The MSE performance of the proposed algorithm according to the embodiments is similar to that of the skipped filter and outperforms other existing algorithms. Moreover, it does not require statistical testing and selection of optimal threshold values.

아래에서는 먼저 LOS/NLOS 혼합 거리 추정 문제를 다룬다. 다음으로, 기존 거리 추정 방법을 간략하게 설명한다. 그리고, tanh 손실 함수에 기초한 제안된 강인한 M 추정 알고리즘을 설명한다. 다음으로, 시뮬레이션 결과를 통해 MSE 성능을 평가한 후, 결론을 제시한다.Below, we first deal with the LOS/NLOS mixed distance estimation problem. Next, the conventional distance estimation method will be briefly described. Then, the proposed robust M estimation algorithm based on the tanh loss function is described. Next, after evaluating the MSE performance through the simulation results, a conclusion is presented.

LOS/NLOS 혼합 거리 추정 문제LOS/NLOS Mixed Distance Estimation Problem

RSS 측정을 활용하는 거리 추정 방법의 목적은 오차 기준(예: MSE 또는 제곱 오차 합)을 최소화하도록 소스와 리시버 사이의 범위를 정확하게 추정하는 것이다. 혼합 LOS/NLOS 거리 추정의 맥락에서 RSS 측정 방정식은 다음 식과 같이 정의될 수 있다.The purpose of distance estimation methods utilizing RSS measurements is to accurately estimate the range between the source and receiver to minimize error criteria (eg MSE or sum of squared errors). In the context of mixed LOS/NLOS distance estimation, the RSS measurement equation can be defined as

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, Pi는 데시벨(dB)에서 리시버용 i번째 RSS, Po는 기준 거리(do)에서 신호 강도, do는 편의상 1m, d은 실제 거리로 평가되며,

Figure pat00002
는 경로 손실 지수이고, ni는 수신기의 총 샘플 수를 나타내는 N과 함께
Figure pat00003
Figure pat00004
분포를 따르는 랜덤 변수이다.
Figure pat00005
는 각각 평균
Figure pat00006
이고, 분산이
Figure pat00007
인 가우시안 확률 밀도 함수(PDF)이다. LOS/NLOS 상황의 혼합된 손실 함수, LOS 환경과의 다른 손실 함수가 활용된다. 이상치는 MSE를 훨씬 크게 렌더링하므로 오류가 클 경우 추정 성능이 심각하게 저하될 수 있다. 따라서 손실 함수는 일반적으로 상수로 제한되거나 이상치의 부작용을 줄이기 위해 오류의 크기가 클 때 선형 함수로 설계된다. Here, P i is the i-th RSS for the receiver in decibels (dB), P o is the signal strength at the reference distance (d o ), d o is 1m for convenience, and d is the actual distance.
Figure pat00002
is the path loss exponent, n i with N representing the total number of samples in the receiver
Figure pat00003
Figure pat00004
It is a random variable that follows a distribution.
Figure pat00005
is the average of each
Figure pat00006
, and the variance is
Figure pat00007
is a Gaussian probability density function (PDF). A mixed loss function of the LOS/NLOS situation, and a different loss function with the LOS environment are utilized. Outliers render the MSE much larger, so large errors can severely degrade estimation performance. Therefore, the loss function is usually limited to a constant or designed as a linear function when the magnitude of the error is large in order to reduce the side effects of outliers.

본 실시예에서는 오차의 크기가 클 때 손실 함수가 상수로 잘려지는 tanh 손실 함수를 활용할 수 있다. 여기서, 보정 캠페인을 통해

Figure pat00008
와 Po가 priori로 알려져 있다고 가정한다. 일관성을 갖기 위한 조건은 다음과 같다. 첫째, 소규모 페이딩은 시간 평균에 의해 무시되어야 한다. 둘째, 추정된 매개변수 Po
Figure pat00009
는 참 값에 상당히 근접해야 한다. 셋째, 간섭에서 발생하는 배경 잡음의 영향은 무시할 수 있어야 하며 신호는 성공적으로 복조되어야 한다. 기존 LOS 환경에서 측정 오류 ni는 N(0,
Figure pat00010
)의 가우시안 분포를 따른다. 그러나 잡음 분포는 실내 및 도시 지역의 heavy-tailed 잡음에 의한 다중 경로 효과로 인해 종래의 가우시안 분포를 따르는 경우는 드물다. 따라서 잡음 분포는 LOS 잡음 성분이 N(0,
Figure pat00011
)을 따르고 NLOS 잡음이 N(
Figure pat00012
)에 의해 분포되는 2-모드 가우시안 혼합 분포로 모델링해야 한다. LOS 잡음은 1-
Figure pat00013
의 확률이 있고 NLOS 잡음은 ε의 확률이 있다. LOS/NLOS 혼합 상황에 대한 이전 연구와 유사한 반면, 이상치 분포의 평균과 분산을 얻을 수 없다. 잡음 분포는 두 가지 모드 가우시안 혼합 분포로 알려져 있지만, 이 분포의 매개변수는 정상치 가우시안 분포의 분산을 제외하고 알려져 있지 않다는 점에 유의해야 한다. 여기서
Figure pat00014
(0≤
Figure pat00015
≤1)은 오염 척도로, 보통 0.1보다 작다.In this embodiment, the tanh loss function in which the loss function is truncated to a constant when the magnitude of the error is large may be used. Here, through the calibration campaign
Figure pat00008
Assume that and P o are known as priori. The conditions for consistency are as follows. First, small fading should be ignored by time averaging. Second, the estimated parameters P o and
Figure pat00009
should be fairly close to the true value. Third, the influence of background noise from interference must be negligible and the signal must be successfully demodulated. In the traditional LOS environment, the measurement error n i is N(0,
Figure pat00010
) follows a Gaussian distribution of However, the noise distribution rarely follows the conventional Gaussian distribution due to the multi-path effect caused by heavy-tailed noise in indoor and urban areas. Therefore, the noise distribution is N(0,
Figure pat00011
) and the NLOS noise is N(
Figure pat00012
) should be modeled as a two-mode Gaussian mixture distribution distributed by LOS noise is 1-
Figure pat00013
, and the NLOS noise has a probability of ε. While similar to previous studies of the LOS/NLOS mixed situation, the mean and variance of the outlier distribution could not be obtained. It should be noted that the noise distribution is known as a two-mode Gaussian mixed distribution, but the parameters of this distribution are unknown except for the variance of the stationary Gaussian distribution. here
Figure pat00014
(0≤
Figure pat00015
≤1) is a measure of pollution, usually less than 0.1.

기존 거리 추정 방법Conventional Distance Estimation Method

기존의 중간 값 기반 범위 추정량은 다음과 같이 결정된다.The conventional median-based range estimator is determined as follows.

Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00016
Figure pat00017

그리고, skipped 필터에서 샘플이 이상치로 결정되면 해당 샘플이 수신기의 샘플 집합에서 제거된다. 오염비(샘플 집합의 이상치 비율)는 보통 10% 미만이므로 필터링된 샘플이 고갈될 확률은 작다.And, when a sample is determined as an outlier in the skipped filter, the corresponding sample is removed from the sample set of the receiver. Since the contamination ratio (the proportion of outliers in the sample set) is usually less than 10%, the probability that the filtered sample will be exhausted is small.

위치 매개변수에 대한 M 추정치는 관측치에 대한 가중 평균으로 볼 수 있다. 본 실시예에서는 경계 비용 함수(

Figure pat00018
)를 사용한다. M 추정량에는 Huber, Tukey, Hampel과 같은 여러 손실 함수를 사용할 수 있지만, 본 실시예에서 기존의 M 추정량에 대해서는 ITL 기반 손실 함수를 채택한다. ITL에 기반한 강인한 솔루션을 달성하기 위해 다음과 같은 비용 함수를 활용할 수 있다.The M estimate for the positional parameter can be viewed as a weighted average of the observations. In this example, the boundary cost function (
Figure pat00018
) is used. Although several loss functions such as Huber, Tukey, and Hampel can be used for the M estimator, an ITL-based loss function is adopted for the existing M estimator in this embodiment. The following cost functions can be utilized to achieve a robust solution based on ITL.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00019
Figure pat00019

여기서,

Figure pat00020
이고,
Figure pat00021
는 스케일 매개변수이고
Figure pat00022
Figure pat00023
이다. 목표는 다음과 같이 추정 매개변수(d)와 관련하여 비용 함수(
Figure pat00024
)를 최소화하는 것이다.here,
Figure pat00020
ego,
Figure pat00021
is the scale parameter
Figure pat00022
Figure pat00023
to be. The goal is the cost function (
Figure pat00024
) is to be minimized.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00025
Figure pat00025

Figure pat00026
가 구별 가능한 경우, d 산출량과 관련하여 [수학식 3]을 구별한다.
Figure pat00026
[Equation 3] is distinguished in relation to the amount of output d when .

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00027
Figure pat00027

여기서,

Figure pat00028
이다. 그러면 [수학식 4]는 다음과 같이 표현할 수 있다.here,
Figure pat00028
to be. Then, [Equation 4] can be expressed as follows.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00029
Figure pat00029

또는 동등하게 다음과 같이 표현할 수 있다. Or equivalently, it can be expressed as

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00030
Figure pat00030

여기서,

Figure pat00031
이다. 즉, M 알고리즘은 추정치를 가중 평균으로 나타낸다. 위치 추정치
Figure pat00032
는 [수학식 6]의 양쪽에
Figure pat00033
가 존재하기 때문에 반복적으로 얻는다. 스케일 매개변수 (
Figure pat00034
)는
Figure pat00035
로 추정된다. 여기서,
Figure pat00036
이고, d는
Figure pat00037
T를 나타내며, 1N은 NХ1의 크기를 가진 모든 것으로 구성된 벡터이다. 대안으로, 스케일은 다음과 같이 반복적으로 계산할 수 있다.here,
Figure pat00031
to be. That is, the M algorithm represents the estimate as a weighted average. location estimate
Figure pat00032
is on both sides of [Equation 6]
Figure pat00033
is iteratively obtained because scale parameter (
Figure pat00034
)Is
Figure pat00035
is estimated to be here,
Figure pat00036
and d is
Figure pat00037
Representing T , 1 N is a vector consisting of all of the size NХ1. Alternatively, the scale can be iteratively computed as

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00038
Figure pat00038

제안된 강인한 거리 추정 방법(강인한 M 추정 알고리즘)Proposed robust distance estimation method (robust M estimation algorithm)

Huber 또는 bi-square 손실 함수를 사용하는 고전적 M 추정량에서는 오차 크기에 서로 다른 손실 함수를 사용해야 하기 때문에 통계적 검증이 필요하다. 샘플당 검증을 수행해야 하기 때문에 통계적 검증은 알고리즘의 계산 복잡성을 높게 한다. 또한, 적절한 문턱 값은 정상치와 이상치를 식별하도록 결정되어야 한다. 이는 변화된 환경에 따라 문턱 값을 결정해야 하기 때문에 환경이나 채널이 빠르게 변할 때 어려운 작업이다. 이러한 문제들에 의해 여기에서는 통계적 검증과 미리 정의된 문턱 값을 필요로 하지 않는 강인한 거리 추정 알고리즘을 제안한다.Classical M estimators using Huber or bi-square loss functions require statistical validation because different loss functions must be used for error magnitudes. Statistical validation increases the computational complexity of the algorithm because validation must be performed per sample. In addition, an appropriate threshold should be determined to discriminate between outliers and outliers. This is a difficult task when the environment or channel changes rapidly because the threshold value must be determined according to the changed environment. Due to these problems, here we propose a robust distance estimation algorithm that does not require statistical verification and predefined thresholds.

도 1은 일 실시예에 따른 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법을 나타내는 흐름도이다. 1 is a flowchart illustrating a robust distance estimation method using a hypertangent loss function according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 컴퓨터로 구현되는 하이퍼 탄젠트(hyper-tangent) 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법은, i번째 거리 관측 값과 거리 추정 값의 차를 이용하여 오차를 계산하는 단계(120), 하이퍼 탄젠트 손실함수를 이용하여 거리 관측 값에 대한 가중치를 계산하는 단계(150), 및 예측된 가중치 및 거리 관측 값을 이용하여 거리 추정 값을 계산하는 단계(160)를 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 1 , a robust distance estimation method using a hyper-tangent loss function implemented by a computer according to an embodiment includes calculating an error using a difference between an i-th distance observation value and a distance estimation value. Including step 120, calculating a weight for the distance observation value using a hypertangent loss function (150), and calculating a distance estimate value using the predicted weight and distance observation value (160) can be done

또한, 초기 거리 값과 초기 매개변수를 설정하는 단계(110), 오차를 계산한 후, 거리 관측 값에 대한 표준편차를 계산하는 단계(130), 및 거리 관측 값에 대한 매개변수를 계산하는 단계(140)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. In addition, the steps of setting the initial distance value and the initial parameters (110), calculating the error, and then calculating the standard deviation for the distance observation value (130), and calculating the parameters for the distance observation value (140) may be further included.

아래에서 일 실시예에 따른 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법의 각 단계를 설명한다. Hereinafter, each step of the robust distance estimation method using the hypertangent loss function according to an embodiment will be described.

일 실시예에 따른 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법은 일 실시예에 따른 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 장치를 예를 들어 보다 구체적으로 설명할 수 있다. The robust distance estimation method using the hypertangent loss function according to the embodiment may be described in more detail by using the robust distance estimation apparatus using the hypertangent loss function according to the embodiment.

도 2는 일 실시예에 따른 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 장치를 나타내는 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a robust distance estimation apparatus using a hypertangent loss function according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 장치(200)는 초기값 설정부(210), 오차 산정부(220), 표준편차 산정부(230), 매개변수 산정부(240), 가중치 산정부(250) 및 거리 추정 값 산정부(260)를 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 2 , a robust distance estimation apparatus 200 using a hypertangent loss function according to an embodiment includes an initial value setting unit 210 , an error calculating unit 220 , a standard deviation calculating unit 230 , and parameters The calculation unit 240 , the weight calculation unit 250 , and the distance estimation value calculation unit 260 may be included.

단계(110)에서, 초기값 설정부(210)는 초기 거리 값과 초기 매개변수를 설정할 수 있다. In step 110 , the initial value setting unit 210 may set an initial distance value and initial parameters.

단계(120)에서, 오차 산정부(220)는 i번째 거리 관측 값과 거리 추정 값의 차를 이용하여 오차를 계산할 수 있다. In operation 120 , the error calculating unit 220 may calculate an error using the difference between the i-th distance observation value and the distance estimate value.

단계(130)에서, 표준편차 산정부(230)는 오차를 계산한 후, 거리 관측 값에 대한 표준편차를 계산할 수 있다. In step 130 , the standard deviation calculating unit 230 may calculate the standard deviation for the distance observation value after calculating the error.

단계(140)에서, 매개변수 산정부(240)는 거리 관측 값에 대한 매개변수를 계산할 수 있다. In step 140 , the parameter calculating unit 240 may calculate a parameter for the distance observation value.

단계(150)에서, 가중치 산정부(250)는 하이퍼 탄젠트 손실함수를 이용하여 거리 관측 값에 대한 가중치를 계산할 수 있다. 가중치 산정부(250)는 가중치가 할당되는 M 추정량(estimator)을 제공하여 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 자동으로 활용함에 따라 통계적 검증과 미리 정의된 문턱 값을 필요로 하지 않는 강인한(robust) 거리 추정 알고리즘을 제공할 수 있다. 이 때, 가중치 산정부(250)는 M 추정량에 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 사용할 때 통계적 검정 없이 이상치에 작은 가중치를 부여하고, 정상치에 큰 가중치를 부여할 수 있다. In step 150 , the weight calculating unit 250 may calculate a weight for the distance observation value using the hypertangent loss function. The weight estimator 250 automatically utilizes the hypertangent loss function by providing an M estimator to which weights are assigned. A robust distance estimation algorithm that does not require statistical verification and a predefined threshold is implemented. can provide In this case, when the hypertangent loss function is used for the M estimator, the weight estimator 250 may give a small weight to the outlier and a large weight to the normal value without statistical testing.

단계(160)에서, 거리 추정 값 산정부(260)는 예측된 가중치 및 거리 관측 값을 이용하여 거리 추정 값을 계산할 수 있다. 거리 추정 값이 수렴할 때까지 거리 관측 값에 대한 오차 계산, 표준편차 계산, 매개변수 계산, 가중치 계산 및 거리 추정 값 계산 과정을 반복할 수 있다. In operation 160 , the distance estimate value calculator 260 may calculate a distance estimate value using the predicted weight and the distance observation value. The process of calculating the error, calculating the standard deviation, calculating the parameter, calculating the weight, and calculating the distance estimate value for the distance observation value may be repeated until the distance estimate value converges.

아래에서 예를 들어 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법 및 장치를 설명한다. A robust distance estimation method and apparatus using a hypertangent loss function as an example will be described below.

먼저, tanh 손실 함수에 기초한 M 추정량을 제공할 수 있다. First, we can provide an M estimator based on the tanh loss function.

M 추정량은 NLOS 완화 목적으로 고려된 강인한 추정량의 한 종류이다. M 추정량은 강인한 신호 처리에 널리 사용되어 왔다. M 추정량의 손실 함수로 Huber, Tukey, Hampel 손실 함수가 활용되었다. 그러나, M 추정량에는 tanh 손실 함수가 채택되지 않았다. 여기서는 오차의 크기가 클 때 크기가 상수로 제한되기 때문에 tanh 손실 함수를 사용하는 M 추정량을 제안한다. 첫째, tanh 손실 함수는 다음과 같이 정의될 수 있다.The M estimator is a kind of robust estimator considered for NLOS mitigation purposes. M estimators have been widely used for robust signal processing. Huber, Tukey, and Hampel loss functions are used as loss functions for the M estimator. However, the tanh loss function was not adopted for the M estimator. Here, we propose an M estimator using the tanh loss function because the magnitude is limited to a constant when the magnitude of the error is large. First, the tanh loss function can be defined as

[수학식 8][Equation 8]

Figure pat00039
Figure pat00039

tanh 손실 함수의 가중치는 다음과 같이 구할 수 있다.The weight of the tanh loss function can be obtained as follows.

[수학식 9][Equation 9]

Figure pat00040
Figure pat00040

매개변수

Figure pat00041
는 최소 평균 제곱(LMS) 알고리즘을 사용하여 구하며, 1.4826 Х MAD로 추정한다. 거리 추정치는 [수학식 9]에 의해 가중치를 구하는 M 추정량을 사용하여 계산한다. tanh 손실 함수를 사용하는 M 추정량은 [표 1]의 알고리즘 1에 요약되어 있다.parameter
Figure pat00041
is obtained using the least mean squares (LMS) algorithm, and is estimated to be 1.4826 Х MAD. The distance estimate is calculated using the M estimator for which the weight is obtained by [Equation 9]. The M estimator using the tanh loss function is summarized in Algorithm 1 in Table 1.

[표 1][Table 1]

Figure pat00042
Figure pat00042

표 1을 참조하면, 먼저 초기값을 결정하고(

Figure pat00043
), 오차를 계산
Figure pat00044
하며, 표준편차를 계산
Figure pat00045
할 수 있다. 그리고, 매개변수
Figure pat00046
를 계산(Least mean squares 알고리즘)하고, 가중치를 계산
Figure pat00047
하고, 거리 추정 값을 계산
Figure pat00048
하며,
Figure pat00049
이 수렴할 때까지 반복할 수 있다. Referring to Table 1, first determine the initial value (
Figure pat00043
), calculate the error
Figure pat00044
and calculate the standard deviation
Figure pat00045
can do. and the parameter
Figure pat00046
(Least mean squares algorithm) and compute the weights
Figure pat00047
and calculate the distance estimate
Figure pat00048
and
Figure pat00049
This can be repeated until convergence.

또한, 강인한 베이지안 M 기반 거리 추정 알고리즘을 제공할 수 있다. In addition, it is possible to provide a robust Bayesian M-based distance estimation algorithm.

강인한 베이지안 M 기반 거리 추정 알고리즘의 동기는 낮은 SNR 조건 하에서 기존의 결정론적 강인한 추정량과 비교했을 때 이전 정보와 측정을 동시에 사용하는 강인한 추정 방법의 정확도를 향상시킬 수 있기 때문이다. 이전 M 거리 추정치의 이전에 얻은 분포의 평균과 분산을 사용하는 거리 추정 방법을 제공할 수 있다. M 추정량의 분포는 점근적으로 가우스 분포이다. 또한, 이전에 얻은 거리는 M 거리 추정에서 얻은 통계량이기 때문에 가우시안 분포를 따른다. 그런 다음 관측 값과 이전 값을 사용한 거리 추정의 posterior 함수는 다음과 같이 가우시안 분포의 산물로 나타낼 수 있다.The motivation of the robust Bayesian M-based distance estimation algorithm is that it can improve the accuracy of the robust estimation method using previous information and measurements simultaneously when compared with the existing deterministic robust estimator under low SNR conditions. We can provide a distance estimation method using the mean and variance of the previously obtained distributions of the previous M distance estimates. The distribution of the M estimator is asymptotically Gaussian. In addition, the previously obtained distance follows a Gaussian distribution because it is a statistic obtained from the M distance estimation. Then, the posterior function of the distance estimation using the observed value and the previous value can be expressed as a product of the Gaussian distribution as follows.

[수학식 10][Equation 10]

Figure pat00050
Figure pat00050

여기서,

Figure pat00051
는 측정을 사용하는 거리에 대해 [수학식 6]에서 정의한 M 추정치, dP는 선행 평균,
Figure pat00052
은 M 추정치의 표준 편차,
Figure pat00053
는 선행 표준 편차이다. 그런 다음 베이지안 M 기반 거리 추정치를 다음과 같이 계산할 수 있다.here,
Figure pat00051
is the M estimate defined in [Equation 6] for the distance using the measurement, dP is the leading average,
Figure pat00052
is the standard deviation of the M estimate,
Figure pat00053
is the leading standard deviation. Then we can compute the Bayesian M-based distance estimate as

[수학식 11][Equation 11]

Figure pat00054
Figure pat00054

그러나, NLOS 잡음 분산을 사용할 수 없기 때문에 M 추정량을 사용한 거리 추정치의 분산을 알 수 없다. 따라서 다음과 같이

Figure pat00055
을 대략적으로 산출할 수 있다.However, the variance of the distance estimate using the M estimator is unknown because the NLOS noise variance is not available. So as
Figure pat00055
can be roughly calculated.

[수학식 12][Equation 12]

Figure pat00056
Figure pat00056

여기서,

Figure pat00057
는 i번째 정상치 관련 가중치이고, Nl은 정상치의 총 수이고,
Figure pat00058
는 i번째 이상치 관련 가중치이다. 이 근사치는 ei가 증가하고
Figure pat00059
가 작을 때 가중치가 0에 빠르게 접근하기 때문에 유효하다. 따라서 이상치는 M 추정치의 분산에 영향을 미칠 수 없다. 또한, 이전 평균과 분산을 이전에 얻은 M 거리 추정치에 대한 표본 평균 및 표본 분산으로 계산할 수 있다.here,
Figure pat00057
is the weight associated with the i-th stationary, N l is the total number of stationary,
Figure pat00058
is the i-th outlier-related weight. This approximation is that e i increases and
Figure pat00059
It is valid because the weight approaches 0 quickly when is small. Therefore, outliers cannot affect the variance of the M estimate. In addition, the previous mean and variance can be calculated as the sample mean and sample variance for the previously obtained M distance estimates.

제안된 LOS/NLOS 혼합 거리 추정 방법의 성능을 MED 거리 추정량, 기존 강인한 거리 추정량, 즉 ITL을 사용한 skipped 필터 및 M 추정량의 성능과 비교했다. 시뮬레이션 설정은 [표 2]와 같이 나타낼 수 있다. We compared the performance of the proposed LOS/NLOS mixed distance estimation method with the performance of the MED distance estimator, the existing robust distance estimator, that is, the skipped filter and M estimator using ITL. Simulation settings can be shown in [Table 2].

[표 2][Table 2]

Figure pat00060
Figure pat00060

표 3은 일 실시예에 사용된 약어를 요약한 것이다. Table 3 summarizes the abbreviations used in one example.

[표 3][Table 3]

Figure pat00061
Figure pat00061

MSE는 다음과 같이 정의될 수 있다.MSE may be defined as follows.

[수학식 13][Equation 13]

Figure pat00062
Figure pat00062

여기서,

Figure pat00063
는 k번째 거리집합의 에미터에서 센서까지의 추정 거리이고, d는 추정되는 실제 거리를 나타낸다.here,
Figure pat00063
is the estimated distance from the emitter to the sensor of the k-th distance set, and d is the estimated actual distance.

도 3은 일 실시예에 따른 거리에 따른 MSE를 나타내는 그래프이다.3 is a graph illustrating an MSE according to a distance according to an embodiment.

도 3을 참조하면, 거리가 증가함에 따라 Var[di]가 d2에 비례하기 때문에 MSE가 증가하였다. tanh 손실 함수에 기초하여 제안된 MSE 추정량의 MSE 성능은 기존 skipped 필터와 유사했음을 알 수 있다. 제안된 방법은 통계적 검증과 최적의 문턱 값 선택 없이 skipped 필터와 유사한 성능을 보여주었다는 점에 유의해야 한다. 특히, 중간 값 기반 방법에 대한 MSE는 다른 강인한 방법보다 높았다. 모든 시뮬레이션에서 문턱 값은 3으로 선택되었다.Referring to FIG. 3 , as the distance increases, the MSE increases because Var[di] is proportional to d 2 . It can be seen that the MSE performance of the proposed MSE estimator based on the tanh loss function is similar to that of the existing skipped filter. It should be noted that the proposed method showed similar performance to the skipped filter without statistical validation and optimal threshold selection. In particular, the MSE for the median-based method was higher than other robust methods. A threshold of 3 was chosen for all simulations.

도 4는 일 실시예에 따른 정상치 분산에 따른 MSE를 나타내는 그래프이다. 4 is a graph illustrating MSE according to variance of normal values according to an embodiment.

도 4를 참조하면, tanh 손실에 대한 분석은 오차 분산과 제곱 편향을 나타낸다. 이번에도 제안된 방법의 MSE는 skipped 필터와 비슷했고 기존의 다른 방법보다 우수했다. 모든 강인한 방법의 성능은 정상치 잡음의 분산이 증가함에 따라 악화되었다. 제안된 방법에 대한 MSE 분석은 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 얻은 제안된 알고리즘의 MSE와 거의 동일했다.Referring to FIG. 4 , the analysis of tanh loss shows error variance and square bias. Again, the MSE of the proposed method was similar to the skipped filter and was superior to other existing methods. The performance of all robust methods deteriorated as the variance of the stationary noise increased. The MSE analysis of the proposed method was almost identical to the MSE of the proposed algorithm obtained through Monte Carlo simulation.

도 5는 일 실시예에 따른 이상치 잡음의 표준 편차의 함수로 MSE를 나타내는 그래프이다. 5 is a graph illustrating MSE as a function of standard deviation of outlier noise according to an exemplary embodiment.

도 5를 참조하면, 제안된 강인한 거리 추정 방법에 대한 MSE는 skipped 필터와 유사하며 다른 방법을 능가했다. 강인한 알고리즘의 MSE는 이상치에 작은 가중치가 주어지기 때문에 이상치 잡음의 영향을 받지 않았다. 이번에도 MSE 분석은 제안된 알고리즘의 몬테카를로 시뮬레이션 기반 MSE와 거의 같았다.Referring to FIG. 5 , the MSE for the proposed robust distance estimation method is similar to the skipped filter and outperforms other methods. The MSE of the robust algorithm is not affected by outlier noise because outliers are given small weights. Again, the MSE analysis was almost identical to the Monte Carlo simulation-based MSE of the proposed algorithm.

도 6은 일 실시예에 따른 편향에 따른 MSE를 나타내는 그래프이다. 6 is a graph illustrating an MSE according to a bias according to an embodiment.

도 6을 참조하면, 혼합 LOS/NLOS 환경에서는 신호가 직접 LOS 경로보다 더 긴 거리를 전파하기 때문에 편향을 고려해야 하고 음의 상수 또는 랜덤 변수로 모델링해야 한다(NLOS 경로의 RSS는 직접 LOS 경로의 거리보다 감소). 모든 방법의 MSE는 편향이 달라서 거의 일정했고 제안된 방법의 MSE는 skipped 필터와 유사했으며 다른 기존 알고리즘을 능가했다. 제안된 거리 추정 알고리즘의 추정 성능은 이상치의 부정적 영향이 강인한 추정 방법에 의해 약화되기 때문에 편향의 영향을 받지 않았다.Referring to Figure 6, in the mixed LOS/NLOS environment, since the signal propagates a longer distance than the direct LOS path, the bias must be considered and modeled as a negative constant or random variable (RSS of the NLOS path is the distance of the direct LOS path) less than). The MSE of all methods was almost constant with different bias, and the MSE of the proposed method was similar to the skipped filter and outperformed other existing algorithms. The estimation performance of the proposed distance estimation algorithm was not affected by the bias because the negative influence of outliers was weakened by the robust estimation method.

이와 같이 정보 이론 학습(ITL)을 채용하는 기존의 M 추정량 역시 통계적 검정을 요구하지 않지만, 거리 추정에 대한 평균 제곱 오차(MSE) 성능은 제안된 방법의 성능보다 떨어진다. 또한, 제안된 알고리즘에 대한 MSE 분석을 수행할 수 있다. 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션은 제안된 방법의 이론적 분석을 검증할 뿐만 아니라, 제안된 방법의 MSE 성능이 통계적 검정과 최적의 문턱 값 선택을 요구하지는 않지만 기존 생략 필터와 거의 같다는 것을 입증할 수 있다.As such, the existing M estimator employing information theory learning (ITL) also does not require statistical testing, but the mean square error (MSE) performance for distance estimation is inferior to that of the proposed method. In addition, MSE analysis can be performed on the proposed algorithm. Monte Carlo simulation not only verifies the theoretical analysis of the proposed method, but can also demonstrate that the MSE performance of the proposed method is almost identical to that of the existing elicitation filter, although it does not require statistical tests and optimal threshold selection.

이상과 같이, 실시예들에 따르면 하이퍼 탄젠트(hyper-tangent) 손실 함수 기반의 M 추정량 알고리즘을 이용하여 거리 정보를 추정함으로써, 통계적 검정 및 최적 문턱 값의 결정이 요구되지 않아 알고리즘의 구현이 보다 간단하고 효율적이다. As described above, according to embodiments, by estimating distance information using an M estimator algorithm based on a hyper-tangent loss function, statistical testing and determination of an optimal threshold are not required, so that the implementation of the algorithm is simpler and efficient

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. A processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that can include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or apparatus, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. may be embodied in The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those skilled in the art. For example, the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (10)

컴퓨터로 구현되는 하이퍼 탄젠트(hyper-tangent) 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 방법에 있어서,
i번째 거리 관측 값과 거리 추정 값의 차를 이용하여 오차를 계산하는 단계;
하이퍼 탄젠트 손실함수를 이용하여 상기 거리 관측 값에 대한 가중치를 계산하는 단계; 및
예측된 상기 가중치 및 상기 거리 관측 값을 이용하여 거리 추정 값을 계산하는 단계
를 포함하는, 거리 추정 방법.
In a robust distance estimation method using a computer-implemented hyper-tangent loss function,
calculating an error using a difference between the i-th distance observation value and the distance estimate value;
calculating a weight for the distance observation value using a hypertangent loss function; and
calculating a distance estimation value using the predicted weight and the distance observation value;
Including, a distance estimation method.
제1항에 있어서,
초기 거리 값과 초기 매개변수를 설정하는 단계;
상기 오차를 계산한 후, 상기 거리 관측 값에 대한 표준편차를 계산하는 단계; 및
상기 거리 관측 값에 대한 매개변수를 계산하는 단계
를 더 포함하는, 거리 추정 방법.
According to claim 1,
setting an initial distance value and initial parameters;
after calculating the error, calculating a standard deviation for the distance observation value; and
calculating parameters for the distance observations;
Further comprising, a distance estimation method.
제1항에 있어서,
상기 하이퍼 탄젠트 손실함수를 이용하여 상기 거리 관측 값에 대한 가중치를 계산하는 단계는,
가중치가 할당되는 M 추정량(estimator)을 제공하여 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 자동으로 활용함에 따라 통계적 검증과 미리 정의된 문턱 값을 필요로 하지 않는 강인한(robust) 거리 추정 알고리즘을 제공하는 것
을 특징으로 하는, 거리 추정 방법.
According to claim 1,
Calculating a weight for the distance observation value using the hypertangent loss function comprises:
To provide a robust distance estimation algorithm that does not require statistical validation and predefined thresholds as it automatically utilizes a hypertangent loss function by providing a weighted M estimator.
characterized in that, a distance estimation method.
제1항에 있어서,
상기 하이퍼 탄젠트 손실함수를 이용하여 상기 거리 관측 값에 대한 가중치를 계산하는 단계는,
M 추정량에 상기 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 사용할 때 통계적 검정 없이 이상치에 작은 가중치를 부여하고, 정상치에 큰 가중치를 부여하는 것
을 특징으로 하는, 거리 추정 방법.
According to claim 1,
Calculating a weight for the distance observation value using the hypertangent loss function comprises:
Giving small weights to outliers and large weights to normal values without statistical testing when using the hypertangent loss function for the M estimator
characterized in that, a distance estimation method.
제1항에 있어서,
상기 가중치 및 상기 거리 관측 값을 이용하여 거리 추정 값을 계산하는 단계는,
상기 거리 추정 값이 수렴할 때까지 상기 거리 관측 값에 대한 상기 오차 계산, 상기 표준편차 계산, 상기 매개변수 계산, 상기 가중치 계산 및 상기 거리 추정 값 계산 과정을 반복하는 것
을 특징으로 하는, 거리 추정 방법.
According to claim 1,
Calculating a distance estimation value using the weight and the distance observation value includes:
repeating the process of calculating the error, calculating the standard deviation, calculating the parameter, calculating the weight, and calculating the distance estimate value for the distance observation value until the distance estimate value converges
characterized in that, a distance estimation method.
하이퍼 탄젠트(hyper-tangent) 손실 함수를 이용한 강인한 거리 추정 장치에 있어서,
i번째 거리 관측 값과 거리 추정 값의 차를 이용하여 오차를 계산하는 오차 산정부;
하이퍼 탄젠트 손실함수를 이용하여 상기 거리 관측 값에 대한 가중치를 계산하는 가중치 산정부; 및
예측된 상기 가중치 및 상기 거리 관측 값을 이용하여 거리 추정 값을 계산하는 거리 추정 값 산정부
를 포함하는, 거리 추정 장치.
In a robust distance estimation apparatus using a hyper-tangent loss function,
an error estimator for calculating an error by using the difference between the i-th distance observation value and the distance estimate value;
a weight calculator for calculating a weight for the distance observation value using a hypertangent loss function; and
A distance estimation value calculator for calculating a distance estimation value using the predicted weight and the distance observation value
Including, distance estimation device.
제6항에 있어서,
초기 거리 값과 초기 매개변수를 설정하는 초기값 설정부;
상기 오차를 계산한 후, 상기 거리 관측 값에 대한 표준편차를 계산하는 표준편차 산정부; 및
상기 거리 관측 값에 대한 매개변수를 계산하는 매개변수 산정부
를 더 포함하는, 거리 추정 방법.
7. The method of claim 6,
an initial value setting unit for setting an initial distance value and initial parameters;
a standard deviation calculator for calculating the standard deviation for the distance observation value after calculating the error; and
A parameter estimator that calculates parameters for the distance observation value.
Further comprising, a distance estimation method.
제1항에 있어서,
상기 가중치 산정부는,
가중치가 할당되는 M 추정량(estimator)을 제공하여 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 자동으로 활용함에 따라 통계적 검증과 미리 정의된 문턱 값을 필요로 하지 않는 강인한(robust) 거리 추정 알고리즘을 제공하는 것
을 특징으로 하는, 거리 추정 장치.
According to claim 1,
The weight calculation unit,
To provide a robust distance estimation algorithm that does not require statistical validation and predefined thresholds as it automatically utilizes a hypertangent loss function by providing a weighted M estimator.
characterized in that, the distance estimation device.
제6항에 있어서,
상기 가중치 산정부는,
M 추정량에 상기 하이퍼 탄젠트 손실 함수를 사용할 때 통계적 검정 없이 이상치에 작은 가중치를 부여하고, 정상치에 큰 가중치를 부여하는 것
을 특징으로 하는, 거리 추정 장치.
7. The method of claim 6,
The weight calculation unit,
Giving small weights to outliers and large weights to normal values without statistical testing when using the hypertangent loss function for the M estimator
characterized in that, the distance estimation device.
제6항에 있어서,
상기 거리 추정 값이 수렴할 때까지 상기 거리 관측 값에 대한 상기 오차 계산, 상기 표준편차 계산, 상기 매개변수 계산, 상기 가중치 계산 및 상기 거리 추정 값 계산 과정을 반복하는 것
을 특징으로 하는, 거리 추정 장치.
7. The method of claim 6,
repeating the process of calculating the error, calculating the standard deviation, calculating the parameter, calculating the weight, and calculating the distance estimate value for the distance observation value until the distance estimate value converges
characterized in that, the distance estimation device.
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