KR20230039871A - Apparatus and method for localization in wireless sensor networks - Google Patents

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헤롤드 로빈슨 와이.
골든 줄리 이.
락쉬미 나라야난 케이.
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Abstract

An embodiment of the present specification relates to a sensor node and a method for estimating the position of a sensor node in a wireless sensor network. The sensor node includes: a communication module that transmits and receives signals with other nodes; a memory in which a routing tree generation program is stored; and a processor that executes the program. According to the execution of the program, the processor calculates the movement direction and movement speed of a normal node based on the signals, measures the coordinate position and calculates an error range based on the movement direction and movement speed, and separates a defective node from other nodes based on machine learning.

Description

무선 센서 네트워크의 위치 추정 장치 및 방법{Apparatus and method for localization in wireless sensor networks}Apparatus and method for localization in wireless sensor networks}

본 발명은 무선 센서 네트워크의 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating a position of a wireless sensor network.

무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network : WSN)는 센서 노드, 센서 노드로부터 수집된 정보를 가공하는 프로세서 및 가공된 정보를 전송하는 무선 송수신 장치로 구성된 네트워크이다. 이는 의사소통뿐만 아니라 자동화된 원격정보 수집이 가능하여 네트워크 내의 센서 노드의 추적, 감시, 제어 등 다양한 응용 개발에 폭넓게 활용되고 있다. A wireless sensor network (WSN) is a network composed of a sensor node, a processor that processes information collected from the sensor node, and a wireless transceiver that transmits the processed information. It enables not only communication but also automated remote information collection, so it is widely used in various application developments such as tracking, monitoring, and control of sensor nodes in the network.

무선 센서 네트워크에서는 데이터를 생성한 노드의 위치를 파악하는 것이 그 목적을 불문하고 가장 중요한 정보이다. 많은 수의 노드들로 인해, 노드 배치의 초기에는 작은 비율의 노드들만이 설정된 위치들에 배치될 수 있었다. 이러한 노드들은 소위 앵커(anchor) 또는 비콘(beacon)이라 알려져 있다. 그 외의 다른 노드들은 일반 노드들로 불리며, 그들과 이웃한 노드들 간의 수많은 거리들 및 앵커들과의 수많은 거리들을 알고 있다. 그들은 그들 자신의 위치를 나타내기 위해서는 위치 추정 알고리즘을 사용해야 한다. In a wireless sensor network, finding the location of a node that generated data is the most important information regardless of its purpose. Due to the large number of nodes, only a small percentage of nodes could be placed in the set positions at the beginning of node deployment. These nodes are so-called anchors or beacons. The other nodes are called normal nodes, and know a number of distances between them and their neighbors, and a number of distances to anchors. They must use localization algorithms to indicate their own location.

무선 센서 네트워크에서 위치 추정 기술이 고려하여야 할 요소는 첫째로, 위치 추정 기술의 신속성이다. 위치 추정 기술의 신속성은 위치가 결정되어야 할 센서 노드의 위치값이 결과값으로 주어지는 데 걸리는 수행시간을 뜻한다. 여기서, 수행시간은 서비스 종류에 따라 다르지만 특히 실시간으로 운영되어야 하는 네트워크에서 보다 중요하게 취급될 수 있다. 이는 하나의 노드에 의해 위치 추정이 수행되기 전에 생성된 데이터가 해당 노드가 위치 추정 수행을 마치기 전까지 그 중요도가 모호하기 때문이다. 둘째로, 위치 데이터의 정확도이다. 위치 데이터의 정확도가 떨어지는 위치 추정 기술은 그 필요성이 떨어진다. 셋째로, 위치 추정의 전체 무선 센서 네트워크에 미치는 가중도이다. 위치 추정의 전체 시스템에 대한 가중도라는 것은, 하나의 노드에서 서비스를 수행함 에 있어서 위치 추정 기술이 그 노드의 시스템 자원을 얼마나 차지하는가이다. 이는 서비스를 구현함에 있어서 위치 추정 기술이 노드의 자원 할당에 관한 이슈가 된다는 것을 의미한다.A factor to be considered for location estimation technology in a wireless sensor network is, firstly, the speed of location estimation technology. The speed of location estimation technology means the execution time required for the location value of the sensor node to be located to be given as a result value. Here, the execution time varies depending on the type of service, but can be treated as more important in a network that must be operated in real time. This is because the importance of data generated before position estimation by one node is ambiguous until the corresponding node finishes position estimation. Second, the accuracy of location data. Location estimation technology with low accuracy of location data is not necessary. Thirdly, it is the weight of position estimation on the entire wireless sensor network. The degree of weight for the entire system of location estimation is how much the system resources of the node are occupied by the location estimation technology when performing a service in one node. This means that location estimation technology becomes an issue related to node resource allocation in implementing a service.

종래의 무선 네트워크에서 삼선법(trilateration)이 있다. 삼선법은 거리 기반의 위치 추정 방식에서 가장 대표 적이며, 고려하는 참조 노드 수만큼의 선형방정식을 풀면되므로 위치 추정에 있어 간편하다. 즉, 삼선법은 계산 속도가 빠르고 무선 센서 네트워크의 가중도가 낮아지게 되나, 참조 노드들로부터의 거리정보가 1차원인데 반해 위치 추정을 하는 영역은 2차원 혹은 3차원이므로 거리측정에 대한 오차가 실제 위치 추정의 오차로 반영되는 한계가 있다.In a conventional wireless network there is a trilateration. The three-line method is the most representative method of distance-based location estimation, and it is convenient in location estimation because it only needs to solve as many linear equations as the number of reference nodes considered. That is, the three-line method has a fast calculation speed and a low weight of the wireless sensor network. There is a limit reflected in the error of the actual position estimation.

또한, 종래의 무선 네트워크에서 위치 추정 기술에는 다차원 측량 방식(Multidimensional Scaling, MDS)이 있다. 다차원 측량 방식(MDS)은 하나의 노드에 대해 그의 이웃노드들의 모든 짝에 대한 거리정보를 갖는 행렬을 이용하여 위치 정보를 계산하므로 거리측정 오차가 많은 상황에서도 정확도가 높다는 장점이 있다. 반면에, 다 차원 측량 방식(MDS)은 계산에 이용되는 거리정보의 수가 너무 많아서 복잡도가 높고 계산량이 많은 단점이 있다. 이는 무선 센서 네트워크의 부하를 높이는 문제를 가져오기 때문에 실제로 적용하기 어려운 한계가 있다.In addition, there is a multidimensional scaling (MDS) as a position estimation technique in a conventional wireless network. The multidimensional survey method (MDS) calculates location information using a matrix having distance information for all pairs of neighboring nodes of one node, so it has an advantage of high accuracy even in a situation where there is a lot of distance measurement error. On the other hand, the multi-dimensional surveying method (MDS) has a disadvantage in that the number of distance information used for calculation is too high, so the complexity is high and the amount of calculation is large. Since this causes a problem of increasing the load of the wireless sensor network, there is a limit that is difficult to apply in practice.

앞서 언급한 문제점을 해결하기 위하여, 무선 센서 네트워크 내에서 이동성 있는 일반 노드의 위치를 정확하고 신속하게 추정하기 위한 위치 추정 알고리즘에 따른 방법 및 이를 실행하는 센서 노드를 제공한다. In order to solve the aforementioned problems, a method based on a location estimation algorithm for accurately and quickly estimating the location of a mobile general node within a wireless sensor network and a sensor node executing the method are provided.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드는, 다른 노드와 신호를 송수신하는 통신 모듈, 라우팅 트리 생성 프로그램이 저장된 메모리 및 상기 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라, 상기 신호에 기초하여 일반 노드의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하고, 상기 이동 방향 및 이동 속도에 기초하여 좌표 위치를 측정하고 오차 범위를 계산하고, 기계학습에 기초하여 결함있는 노드를 검출하여 다른 노드와 분리하는 것을 특징으로 한다. A sensor node in a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention includes a communication module for transmitting and receiving signals to and from other nodes, a memory in which a routing tree creation program is stored, and a processor executing the program, wherein the processor comprises the program According to the execution of, calculating the movement direction and movement speed of the normal node based on the signal, measuring the coordinate position and calculating the error range based on the movement direction and movement speed, and calculating the error range of the defective node based on machine learning. It is characterized in that it detects and separates it from other nodes.

일 실시예에 따른 상기 통신 모듈은 상기 3차원 무선 센서 네트워크 전송 범위 내에 위치하는 다른 노드들과의 신호를 송수신하는 것을 특징으로 한다. The communication module according to an embodiment is characterized in that it transmits and receives signals with other nodes located within the transmission range of the 3D wireless sensor network.

일 실시예에 따른 상기 프로세서는 가우시안 커널 함수에 기초하여 이동 노드 위치를 식별하는 것을 특징으로 한다. The processor according to an embodiment is characterized in that the location of the mobile node is identified based on a Gaussian kernel function.

일 실시예에 따른 상기 프로세서는 신호 전송 반경에 기초하여 전송 범위를 계산하고, 상기 전송 범위에 기초하여 일반 노드와 센서 노드의 거리를 계산하는 것을 특징으로 한다. The processor according to an embodiment may calculate a transmission range based on a signal transmission radius, and calculate a distance between a normal node and a sensor node based on the transmission range.

일 실시예에 따른 상기 프로세서는 일반 노드와 센서 노드의 거리를 이용하여 일반 노드의 좌표값을 산출하고, 평균 제곱근 오차를 계산하고, 오차를 적용하여 각 노드의 위치를 추정하는 것을 특징으로 한다. The processor according to an embodiment may calculate a coordinate value of a normal node using a distance between a normal node and a sensor node, calculate a root mean square error, and estimate a position of each node by applying the error.

본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서의 위치 추정 방법은 일반 노드의 신호를 수신하는 단계; 상기 신호에 기초하여 일반 노드의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하는 단계; 상기 이동 방향 및 이동 속도에 기초하여 좌표 위치를 측정하고, 오차 범위를 계산하는 단계; 및 기계학습에 기초하여 결함있는 노드를 판정하여 다른 노드와 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. A method for estimating a position in a wireless sensor network according to another embodiment of the present invention includes receiving a signal of a normal node; calculating a moving direction and a moving speed of a general node based on the signal; measuring a coordinate position based on the moving direction and moving speed, and calculating an error range; and determining the defective node based on machine learning and separating it from other nodes.

본 발명의 다른 실시예에 따른 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 무선 센서 네트워크에서의 위치 추정 방법은 일반 노드의 신호를 수신하는 단계; 상기 신호에 기초하여 일반 노드의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하는 단계; 상기 이동 방향 및 이동 속도에 기초하여 좌표 위치를 측정하고, 오차 범위를 계산하는 단계; 및 기계학습에 기초하여 결함있는 노드를 판정하여 다른 노드와 분리하는 단계를 컴퓨터 상에서 수행하는 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, a method for estimating a position in a wireless sensor network, a computer readable recording medium having a program recorded thereon, includes receiving a signal of a normal node; calculating a moving direction and a moving speed of a general node based on the signal; measuring a coordinate position based on the moving direction and moving speed, and calculating an error range; and determining the defective node based on machine learning and separating it from other nodes on a computer.

본 발명에서 개시하고 있는 일 실시예에 따르면, 무선 센서 네트워크에서 위치 추정 방법의 정확성을 향상시키고, 종래와 비교하여 계산 복잡도를 낮추어 에너지 소비를 줄일 수 있다는 효과가 있다. According to an embodiment disclosed in the present invention, there is an effect of improving the accuracy of a location estimation method in a wireless sensor network and reducing energy consumption by lowering computational complexity compared to the prior art.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이동성 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 및 기계학습 기반 위치 추정 알고리즘의 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 범위 기반 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 위치 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 내에 위치하는 센서 노드를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 실험 환경의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 노드 밀도에 대한 평균 위치 추정 오차를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 컴퓨팅 위치 내의 관계와 평균 위치 추정 오류를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 일반 노드의 위치 추정 오류를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 총 시간이 최소값인 센서 노드의 총량으로 위치 추정 오류를 식별하는 데 걸리는 총 시간을 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 편차에 대한 RMSE 값을 보여주는 그래프이다.
1 is a diagram for explaining a 3D mobility model according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of a manifold and machine learning-based position estimation algorithm according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining a transmission range-based measurement method according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a 3D position estimation method according to an embodiment of the present invention.
A sensor node located in a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5 .
6 is a diagram showing an example of a simulation experiment environment according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing an average localization error with respect to node density according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the relationship within a computed position and the average localization error according to one embodiment of the present invention.
9 is a graph showing position estimation errors of normal nodes according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing the total time taken to identify localization errors with the total amount of sensor nodes for which the total time is the minimum value according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing RMSE values versus standard deviations according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Since the present invention can have various changes and various embodiments, specific embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. The term and/or includes a combination of a plurality of related items or any one of a plurality of related items.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Throughout the specification and claims, when a part includes a certain component, it means that it may further include other components, not excluding other components unless otherwise stated.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이동성 모델을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining a 3D mobility model according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 무선 센서 네트워크(WSN)의 전송 범위에서 센서 노드(N)가 랜덤하게 이동하는 것을 알 수 있다. 모든 센서 노드의 이동 속도는 이전 기간의 방향과 속도를 이용하여 식별될 수 있다. 이동 속도는 수학식 1에 의해 계산된다. Referring to FIG. 1 , it can be seen that a sensor node N moves randomly in a transmission range of a wireless sensor network (WSN). The movement speed of all sensor nodes can be identified using the direction and speed of the previous period. The moving speed is calculated by Equation 1.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, ωp는 p 기간에서 센서 노드의 이동 속도를 나타내고, ωp+1은 p+1 기간에서 센서 노드의 이동 속도를 나타낸다. α는 0≤α≤1 를 만족하는 임의 변수로서 α가 0일 때 센서 노드의 이동성은 무작위 이동의 완료를 나타내고 반면, α가 1일 때 센서 노드는 이동 속도가

Figure pat00002
인 직선 운동을 나타낸다. 이동 노드의 방향은 수학식 2와 같이 계산된다. Here, ω p denotes the moving speed of the sensor node in period p, and ω p+1 denotes the moving speed of the sensor node in period p+1. α is a random variable that satisfies 0≤α≤1, and when α is 0, the sensor node's mobility indicates the completion of random movement, whereas when α is 1, the sensor node's movement speed is
Figure pat00002
represents linear motion. The direction of the mobile node is calculated as in Equation 2.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

인접한 기간에서 센서 노드의 위치는 이전 값의 위치, 방향 및 속도에 의해 나타낼 수 있다. 위치 좌표(ap+1, bp+1)는 수학식 3, 4에 의해 계산될 수 있다. The position of a sensor node in a contiguous period can be represented by the position, direction and velocity of the previous value. The location coordinates (a p+1 , b p+1 ) may be calculated by Equations 3 and 4.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00005
Figure pat00005

센서 노드가 3차원 공간으로 이동할 때마다 속도 기반 좌표 값의 이동 위치에서 2개의 각도 γp와 ηp가 존재하며 이 값들은 수학식 5,6,7 에 의해 계산된다. Whenever the sensor node moves in the 3D space, two angles γ p and η p exist at the movement position of the velocity-based coordinate value, and these values are calculated by Equations 5, 6, and 7.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00006
Figure pat00006

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00007
Figure pat00007

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00008
Figure pat00008

인접한 기간에서 이동성 모델링의 위치는 이전 위치에 의해 계산될 수 있다. 된다. 모든 위치에서 센서 노드의 위치의 좌표값은 수학식 8, 9, 10을 이용하여 계산될 수 있다. The position of the mobility modeling in the adjacent period can be calculated by the previous position. do. The coordinate values of the sensor node locations at all locations can be calculated using Equations 8, 9, and 10.

[수학식 8] [Equation 8]

Figure pat00009
Figure pat00009

[수학식 9][Equation 9]

Figure pat00010
Figure pat00010

[수학식 10][Equation 10]

Figure pat00011
Figure pat00011

WSN 위치는 3차원 영역에서 측정되며, 센서 노드는 3차원 좌표점 (ap, bp, cp)을 시작점으로 하여 도 1에 도시하는 바와 같이 무작위로 액세스된다. 센서 노드는 이동성, 속도, 전송 반경에 기초하여 미리 설정된 주기로 신호를 전송하며 이동한다. 센서 노드의 이동성은 미리 설정된 기간까지 측정된다. The WSN location is measured in a 3-dimensional area, and the sensor node is accessed randomly as shown in FIG. 1 with the 3-dimensional coordinate point (a p , b p , c p ) as a starting point. The sensor node moves while transmitting signals at preset cycles based on mobility, speed, and transmission radius. The mobility of the sensor node is measured up to a preset period.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 및 기계학습 기반 위치 추정 알고리즘의 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 2 is a flowchart illustrating a method of a manifold and machine learning-based position estimation algorithm according to an embodiment of the present invention.

실행되는 매니폴드 및 기계학습 기반 위치 추정 알고리즘의 입력과 출력은 다음과 같다. The inputs and outputs of the manifold and machine learning-based localization algorithm being executed are as follows.

입력 : 센서 노드

Figure pat00012
를 갖는 위치 행렬 LM=(lm1, lm2, ...lmm,0,0.0) : 거리 백터의 집합
Figure pat00013
Input: sensor node
Figure pat00012
position matrix with LM=(lm 1 , lm 2 , ...lm m ,0,0.0) : set of distance vectors
Figure pat00013

여기서, 거리벡터는 전체 네트워크에 포함된 개별 네트워크들까지의 거리 정보를 관리한다. Here, the distance vector manages distance information to individual networks included in the entire network.

출력 : 알려지지 않은 노드들에 대한 추정 위치

Figure pat00014
Output: estimated positions for unknown nodes
Figure pat00014

도 2를 참조하여, 다음 매니폴드 및 기계학습 기반 위치 추정 알고리즘의 실행 단계를 설명한다. Referring to FIG. 2, the execution steps of the following manifold and machine learning-based position estimation algorithm are described.

단계 110에서, 전송 범위 Transrange 내에서 센서 노드의 지리 공간 행렬 GS=(gsij)를 다음과 같이 계산한다. In step 110, the geospatial matrix GS=(gs ij ) of sensor nodes within the transmission range Trans range is calculated as follows.

Si≤ Transrange인 경우, gsij=Siij이고, When Si ≤ Trans range , gs ij =Si ij ,

그 밖의 경우, gsij=min{ gsij, gsil+ gslj}로 한다. In other cases, gs ij = min{ gs ij, gs il + gs lj }.

단계 120에서, 가중 행렬 wt와 라플라시안 행렬(Laplacian matrix) lm을 다음과 같이 생성한다. 가중 행렬 Wt를 산출하고, 가중 행렬에 기초하여 라플라시안 행렬을 생성한다. In step 120, a weighting matrix wt and a Laplacian matrix lm are generated as follows. A weighting matrix Wt is calculated, and a Laplacian matrix is generated based on the weighting matrix.

Figure pat00015
Figure pat00015

Transrange=sum(wt);Trans range =sum(wt);

Lm=Transrange-wtLm=trans range -wt

단계 130에서, n차원 좌표를 생성하기 위한 센서 노드는 행렬 X = G(n, Si)을 생성한다. In step 130, a sensor node for generating n-dimensional coordinates generates a matrix X = G(n, Si).

단계 140에서, 생성된 행렬에 기초하여 다항식 행렬을 하기와 같이 산출한다. In step 140, a polynomial matrix is calculated based on the generated matrix as follows.

PMij = Xij gsij PM ij = X ij gs ij

단계 150에서, 다항식 계수를 하기와 같이 생성하여 알 수 없는 노드인 일반 노드를 확인한다.In step 150, a normal node, which is an unknown node, is identified by generating polynomial coefficients as follows.

Figure pat00016
= Xij PMij
Figure pat00016
= X ij PM ij

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크(WSN)는 측정 정보의 기하학적 속성을 효율적으로 보여줄 수 있으므로, 매니폴드 및 기계학습 기반 위치 추정 기술을 구현하기 용이하다. Since the wireless sensor network (WSN) according to an embodiment of the present invention can efficiently show geometric properties of measurement information, it is easy to implement a manifold and machine learning-based position estimation technology.

일 실시예에서, 센서 내의 유사성과 WSN의 이동 노드 위치를 식별하는데 커널 기능이 사용될 수 있다. 일 실시예에서는 가우시안 커널 함수를 채택하였다. In one embodiment, a kernel function may be used to identify similarities within the sensors and mobile node location of the WSN. In one embodiment, a Gaussian kernel function is adopted.

일 실시예에서, 센서 노드에 전송된 신호 품질로 신호 전파의 에너지 손실을 계산하고 에너지 손실 매개변수에서 거리값을 계산하기 위해 RSSI(Receiver Signal Strength Indicator, 수신신호강도) 기반 통신 범위 기술을 채택할 수 있다. RSSI 기반 통신 범위 기술에서 거리와 신호 강도 내의 관계는 수학식 11에 의해 계산된다. In one embodiment, a receiver signal strength indicator (RSSI) based communication range technique may be employed to calculate the energy loss of the signal propagation with the signal quality transmitted to the sensor node and to calculate the distance value from the energy loss parameter. can In the RSSI-based communication range technology, the relationship between distance and signal strength is calculated by Equation 11.

[수학식 11] [Equation 11]

Figure pat00017
Figure pat00017

여기서 dis는 수신 센서 노드의 거리, dis0은 송신 센서 노드의 거리, n은 채널 품질, Noisez는 잡음 기반 표준 편차z의 임의 값이다. 거리와 신호 강도 내의 관계 그래프에서 밀도 함수는 수학식12에 의해 계산된다. 이 그래프에서 X축은 확률 변수인 신호강도의 값이고, Y축은 확률 변수 값이 일정구간에 포함될 확률로서 신호강도의 평균이 된다. where dis is the distance of the receiving sensor node, dis 0 is the distance of the transmitting sensor node, n is the channel quality, and Noise z is an arbitrary value of the noise-based standard deviation z. In the graph of the relationship between distance and signal strength, the density function is calculated by Equation 12. In this graph, the X axis is the value of the signal strength, which is a random variable, and the Y axis is the average of the signal strength as the probability that the value of the random variable is included in a certain interval.

[수학식 12][Equation 12]

Figure pat00018
Figure pat00018

y의 값은 수학식 13에 의해 계산된다. The value of y is calculated by Equation 13.

[수학식 13][Equation 13]

Figure pat00019
Figure pat00019

표준 편차z는 수학식 14에 의해 계산된다. The standard deviation z is calculated by Equation 14.

[수학식 14][Equation 14]

Figure pat00020
Figure pat00020

수학식 12 내지 14에서, xi는 신호 강도의 값을 나타내고, k는 실험의 총량을 나타내며, 전송 범위 함수는 신호 강도를 고려하여 발신자와 수신자 간의 거리를 계산한다. 위치 추정을 위한 전송 범위는 송신자와 수신자가 신호를 생성하는 유사한 기간에 신호를 브로드캐스트해야 하므로 전송 범위가 일부 실시간 어플리케이션 프로그램에서 제한될 수 있다.In Equations 12 to 14, x i represents the value of the signal strength, k represents the total amount of the experiment, and the transmission range function calculates the distance between the sender and the receiver in consideration of the signal strength. The transmission range for position estimation may be limited in some real-time application programs because the sender and the receiver must broadcast signals in similar periods when signals are generated.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 범위 기반 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 3 is a diagram for explaining a transmission range-based measurement method according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 노드 1과 노드 2사이의 신호 전송 범위를 확인할 수 있다. 노드 1에서 신호를 전송하고 노드 2에서 신호를 수신하여 수신 신호에 대한 응답신호를 송신하여 노드 1이 전송 신호에 대한 응답신호를 수신하는 사이에 지연 시간이 발생함을 알 수 있다. Referring to FIG. 3 , a signal transmission range between node 1 and node 2 can be confirmed. It can be seen that a delay occurs between transmitting a signal from node 1, receiving a signal from node 2, transmitting a response signal to the received signal, and receiving a response signal from node 1 to the transmitted signal.

도 3의 일 예에서, 전송 범위의 측정값은 수학식 15에 의해 산출될 수 있다. In the example of FIG. 3 , the measured value of the transmission range may be calculated by Equation 15.

[수학식 15][Equation 15]

Figure pat00021
Figure pat00021

전송 범위를 계산하는 동안 얻은 거리와 예상 거리에 약간의 편차가 발생할 수 있다. 거리는 수학식 16과 같이 두 노드가 전송 주기 및 신호 속도에 기초하여 측정될 수 있다. During calculation of transmission range, there may be slight deviations between the distance obtained and the estimated distance. As shown in Equation 16, the distance can be measured based on the transmission period and signal speed of the two nodes.

[수학식 16][Equation 16]

거리 = 속도 ×기간distance = speed × duration

전송 범위 계산의 분석, 경로 손실 값은 실시간 환경을 기반으로 획득된다. 통신 범위가 매우 작을 때 측정 정확도가 높다. 일반 노드 거리가 센서 노드보다 높으면 전송 범위의 정확도가 매우 크다. 통신 범위를 계산은 다른 계산과 비교하여 가장 높은 정밀도를 요구한다.Analysis of transmission range calculation, path loss value is obtained based on real-time environment. The measurement accuracy is high when the communication range is very small. When the normal node distance is higher than the sensor node, the accuracy of the transmission range is very large. Computing the communication range requires the highest precision compared to other calculations.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 위치 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 4 is a flowchart illustrating a 3D position estimation method according to an embodiment of the present invention.

단계 210에서, WSN는 신호를 수집한다. At step 210, the WSN collects signals.

무선 센서 노드 SNi(i = 1,2,… N)는 3차원 무선 센서 네트워크 전송 범위에 무작위로 배치되며 네트워크의 총 센서 노드 내에는 S 센서 노드, N-S 일반 노드 Aj(j = 1,2, … , S)가 있고, 일반 노드는 이동 센서 노드를 사용하여 주기적으로 신호를 전송한다. 이 때, 전송 반경 Rad에 기초하여 전송 범위를 계산한다. Wireless sensor nodes SN i (i = 1,2,…N) are randomly placed in the three-dimensional wireless sensor network transmission range, and within the total sensor nodes of the network, there are S sensor nodes, NS general nodes A j (j = 1,2 , … , S), and the general node transmits signals periodically using the mobile sensor node. At this time, the transmission range is calculated based on the transmission radius Rad.

단계 220에서, 거리 기반 전송 범위를 계산한다. In step 220, a distance-based transmission range is calculated.

특정 센서 노드의 거리를 계산하기 위해 거리 기반 전송 범위 기술을 사용한다. 감쇠 신호 값을 생성하기 위해 로그 기반 통신 모델을 구성한다. 이 값은 신호 강도를 생성하기 위해 특정 노드 값으로 대체된다. It uses a distance-based transmission range technique to calculate the distance of a specific sensor node. Construct a log-based communication model to generate attenuation signal values. This value is replaced with a specific node value to generate the signal strength.

WSN 전송 영역에서 일반 노드와 센서 노드 내 거리는 전송 범위 내에 있는 일반 노드의 미리 설정된 임계값의 최소값으로 산출된다. In the WSN transmission area, the distance between the normal node and the sensor node is calculated as the minimum value of the preset threshold value of the normal node within the transmission range.

단계 230에서, 시간 기반 전송 범위에 기초하여 센서 노드에서 일반 노드까지의 거리를 계산한다. In step 230, the distance from the sensor node to the general node is calculated based on the time-based transmission range.

단계 S231에서, 무선 센서 네트워크 전송 영역에서 센서 노드와 일반 노드 내 거리가 예상 임계 거리와 비교한다. 단계 S232에서 임계거리 보다 크고 최소값이 전송 반경보다 클 때 전송 범위를 식별하여 단계 S233에서 센서 노드에서 일반 노드까지의 거리를 계산한다. In step S231, the distance between the sensor node and the general node in the transmission area of the wireless sensor network is compared with an expected threshold distance. In step S232, when the transmission range is greater than the threshold distance and the minimum value is greater than the transmission radius, the distance from the sensor node to the normal node is calculated in step S233.

단계 S234에서, 무선 센서 네트워크 전송 영역에서 센서 노드와 일반 노드 내 거리가 예상 임계 거리보다 작은 경우 전송 범위를 저장하고 단계 S235에서 전송 범위 계산을 완료한다. In step S234, if the distance between the sensor node and the normal node in the transmission area of the wireless sensor network is smaller than the expected critical distance, the transmission range is stored, and the transmission range calculation is completed in step S235.

단계 240에서, 전송 범위에 기초하여 위치 좌표 추정한다. In step 240, location coordinates are estimated based on the transmission range.

위치 추정 과정의 식별, 좌표값은 일반 노드를 이용하여 생성하고 거리값은 WSN의 3차원 전송영역을 통해 측정한다. Identification of the location estimation process, coordinate values are generated using general nodes, and distance values are measured through the 3D transmission area of WSN.

좌표값 생성시, 평균 제곱근 오차는 위치 추정 문제의 정확도를 측정하기 위해 표시되며 수학식 17에 의해 계산된다. When generating coordinate values, the root mean square error is displayed to measure the accuracy of the location estimation problem and is calculated by Equation 17.

[수학식 17][Equation 17]

Figure pat00022
Figure pat00022

여기서,

Figure pat00023
는 j번째 일반 노드에 대해 좌표값을 나타내고, 센서 노드는 위치 추정 절차를 수행하는 동안 노이즈 값을 식별하는 실시간 애플리케이션을 위해 복잡한 환경에 배치된다. here,
Figure pat00023
denotes coordinate values for the j-th normal node, and the sensor node is deployed in a complex environment for real-time applications to identify noise values during position estimation procedures.

거리 기반 전력 감쇠를 측정하여 경로 손실 값을 수학식 18에 의해 계산한다. By measuring the distance-based power attenuation, the path loss value is calculated by Equation 18.

[수학식 18][Equation 18]

Figure pat00024
Figure pat00024

여기서 τ는 3D WSN 환경에 따른 경로 손실 값에 대한 계수이고, dis0는 소스로부터 송신기에 더 가까운 거리이다. Here, τ is a coefficient for the path loss value according to the 3D WSN environment, and dis 0 is the closer distance from the source to the transmitter.

도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 내에 위치하는 센서 노드를 설명한다. A sensor node located in a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5 .

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드(100)의 블록도이다. 5 is a block diagram of a sensor node 100 according to an embodiment of the present invention.

센서 노드(100)는 통신 모듈(110), 메모리(120) 및 프로세서(130)를 포함한다. The sensor node 100 includes a communication module 110 , a memory 120 and a processor 130 .

통신 모듈(110)은 기연결된 복수의 센서 노드와 데이터 통신을 수행한다. 즉, 통신 모듈(110)은 복수의 센서 노드(100)와 메시지를 송수신할 수 있다.The communication module 110 performs data communication with a plurality of previously connected sensor nodes. That is, the communication module 110 may transmit and receive messages with the plurality of sensor nodes 100 .

메모리(120)는 매니폴드 및 기계학습 기반 위치 추정 알고리즘을 저장한다. 이때, 메모리(120)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 비휘발성 저장장치 및 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장장치를 통칭할 수 있다.The memory 120 stores manifold and machine learning based position estimation algorithms. At this time, the memory 120 may collectively refer to a non-volatile storage device that continuously retains stored information even when power is not supplied and a volatile storage device that requires power to maintain stored information.

프로세서(130)는 메모리(120)에 저장된 프로그램을 실행한다. 이때, 프로세서(130)는 프로그램의 실행에 따라, 통신 모듈(110)을 통하여 신호를 전송하는 센서 노드로부터 신호를 수신한다. The processor 130 executes a program stored in the memory 120. At this time, the processor 130 receives a signal from a sensor node that transmits a signal through the communication module 110 according to the execution of the program.

프로세서(130)는 도 1내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 수신된 신호에 기초하여 매니폴드 및 기계학습 기반 위치 추정 알고리즘을 실행하여 일반 노드의 위치를 추정한다. As described with reference to FIGS. 1 to 4 , the processor 130 estimates the location of a general node by executing a manifold and machine learning-based location estimation algorithm based on the received signal.

먼저, 프로세서(130)는 상기 프로그램의 실행에 따라, 상기 신호에 기초하여 일반 노드의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하고, 상기 이동 방향 및 이동 속도에 기초하여 좌표 위치를 측정하고 오차 범위를 계산하고, 기계학습에 기초하여 결함있는 노드는 다른 노드와 분리한다. First, the processor 130 calculates the movement direction and movement speed of the general node based on the signal according to the execution of the program, measures the coordinate position based on the movement direction and movement speed, calculates an error range, , it separates faulty nodes from other nodes based on machine learning.

일 실시예에서, 프로세서(130)는 상기 프로세서는 가우시안 커널 함수에 기초하여 이동 노드 위치를 식별한다. In one embodiment, processor 130 identifies a mobile node location based on a Gaussian kernel function.

일 실시예에서, 프로세서(130)는 신호 전송 반경에 기초하여 전송 범위를 계산하고, 상기 전송 범위에 기초하여 센서 노드의 거리를 계산한다. In one embodiment, the processor 130 calculates the transmission range based on the signal transmission radius and calculates the distance of the sensor node based on the transmission range.

일 실시예에서, 프로세서(130)는 센서 노드의 거리를 이용하여 일반 노드의 좌표값을 산출하고, 평균 제곱근 오차를 계산하고, 오차를 적용하여 각 노드의 위치를 추정한다. In one embodiment, the processor 130 calculates coordinate values of normal nodes using the distances of sensor nodes, calculates root mean square errors, and estimates the location of each node by applying the errors.

도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 추정 알고리즘 평가를 위한 MATLAB 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다. 6 to 10 are diagrams for explaining MATLAB simulation results for evaluating a position estimation algorithm according to an embodiment of the present invention.

MATLAB 시뮬레이션에서 종래의 위치 추정 방식인 TOA[TOA-based localization algorithm], PDR[RSSI/PDR-based probabilistic position selection algorithm], RSSI[RSSI-based indoor localization and identifica- tion]에 의한 그래프와 도 2를 참고하여 설명한 위치 추정 알고리즘에 의한 그래프의 성능을 비교하였다. In the MATLAB simulation, the conventional position estimation method, TOA [TOA-based localization algorithm], PDR [RSSI/PDR-based probabilistic position selection algorithm], and RSSI [RSSI-based indoor localization and identification] graph and FIG. The performance of graphs by the location estimation algorithm described with reference was compared.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 실험 환경의 일 예를 도시한 도면이다. 6 is a diagram showing an example of a simulation experiment environment according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 무선 센서 노드들을 3차원으로 나타내며, 빨간색 점은 센서 노드(SN)를 나타내고 녹색 점은 일반 노드(KN)를 나타낸다. 시뮬레이션 매개변수는 표 1에 도시된 파라미터를 적용하였다. Referring to FIG. 6 , wireless sensor nodes are shown in three dimensions, and red dots represent sensor nodes SN and green dots represent normal nodes KN. As simulation parameters, the parameters shown in Table 1 were applied.

[표 1][Table 1]

Figure pat00025
Figure pat00025

시뮬레이션 실험은 100회 반복기법으로 수행되며 평균값을 최종값으로 활용한다. The simulation experiment is performed with 100 iterations, and the average value is used as the final value.

WSN 위치 추정 과정에서 센서 노드의 밀도가 가장 높은 WSN는 전체 네트워크 전송 영역에서 측위 오차를 효과적으로 최소화할 수 있다. 또한 센서 노드 밀도가 증가하여 엄청난 양의 반복 데이터가 생성된다. 결함이 있는 노드는 효율성 향상을 위한 기계 학습 기술을 사용하여 센서 노드 내에서 식별되어 다른 노드들과 분리된다.In the WSN location estimation process, the WSN with the highest density of sensor nodes can effectively minimize the positioning error in the entire network transmission area. Additionally, sensor node densities are increased, generating huge amounts of repetitive data. Faulty nodes are identified within the sensor node and isolated from other nodes using machine learning techniques to improve efficiency.

본 발명의 일 실시예에 따르면 노드 밀도(%)가 증가할수록 평균 위치 오차가 최소화됨을 보였다. 위치 추정 오류가 측정되었으며 위치 추정 식별의 정확성과 관련이 있다. 위치 추정 측정은 에너지 소비 및 전송 비용과 관련이 있다.According to an embodiment of the present invention, it was shown that the average position error is minimized as the node density (%) increases. Localization error was measured and related to the accuracy of localization identification. Localization measurements are related to energy consumption and transmission costs.

WSN 전송 영역에서는 전송 반경이 클수록 더 많은 센서 노드를 식별하고 후속 노드의 위치 추정 오류를 최소화해야 한다. In the WSN transmission area, the larger the transmission radius, the more sensor nodes must be identified and the position estimation error of the subsequent nodes must be minimized.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 노드 밀도에 대한 평균 위치 추정 오차를 보여주는 그래프이다. 7 is a graph showing an average localization error with respect to node density according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 종래 기술 보다 전송 반경이 증가하여 노드 밀도가 높아질수록 평균 위치 추정 오차의 양을 감소시키는 것을 알 수 있다. 위치 추정 오류는 센서 노드의 컴퓨팅 위치에 영향을 미치며 컴퓨팅 위치 거리가 증가할 때마다 위치 추정 오류가 후속적으로 증가한다. Referring to FIG. 7 , it can be seen that according to an embodiment of the present invention, the amount of average position estimation error decreases as the transmission radius increases and the node density increases compared to the prior art. The localization error affects the computational position of the sensor node and the localization error subsequently increases whenever the computational position distance increases.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 컴퓨팅 위치 내의 관계와 평균 위치 추정 오류를 보여주는 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 종래 기술 보다 평균 위치 추정 오차가 최소화된다. 센서 노드의 통신 범위는 WSN 노드의 집합적 커버리지로 식별되는 측정 영역과 네트워크 내 센서 노드의 감지 용량에 따라 측정되는 통신 범위의 확률로서 추정된다. 이동성 기반 위치 파악 문제는 RSSI 값이 향상된 정확도를 제공하기 위해 활용되는 협동 3차원 무선 센서 네트워크에서 식별된다. 모든 노드의 위치 추정은 노드 가중치에 따라 일반 *?*노드와 센서 노드 내 거리를 측정하여 계산한다. RMSE 매개변수는 네트워크에서 센서 노드의 거리로 정확도를 측정하는 데 사용된다.8 is a graph showing relationships within a computing location and average location estimation error according to one embodiment of the present invention. According to an embodiment of the present invention, the average position estimation error is minimized compared to the prior art. The communication range of the sensor node is estimated as the probability of the communication range measured according to the measurement area identified by the collective coverage of the WSN node and the sensing capacity of the sensor node in the network. Mobility-based positioning problems are identified in cooperative three-dimensional wireless sensor networks where RSSI values are utilized to provide improved accuracy. The location estimation of all nodes is calculated by measuring the distance between normal *** nodes and sensor nodes according to node weights. The RMSE parameter is used to measure accuracy as the distance of a sensor node in the network.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 일반 노드의 위치 추정 오류를 보여주는 그래프이다. 9 is a graph showing position estimation errors of normal nodes according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 센서 노드의 총량이 증가할수록 평균 위치 추정 오차가 증가하지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면 종래 기술 보다 평균 위치 추정 오차가 더 작은 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 9 , although the average position estimation error increases as the total amount of sensor nodes increases, according to an embodiment of the present invention, it can be seen that the average position estimation error is smaller than that of the prior art.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 총 시간이 최소값인 센서 노드의 총량으로 위치 추정 오류를 식별하는 데 걸리는 총 시간을 보여주는 그래프이다. 10 is a graph showing the total time taken to identify localization errors with the total amount of sensor nodes having the minimum total time according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘은 종래의 알고리즘에 비해 시간이 단축됨을 알 수 있다. 계산된 표준편차 값은 위치 추정 오차가 감소된 노이즈 식별에 활용될 수 있다. Referring to FIG. 10 , it can be seen that the time of the algorithm according to an embodiment of the present invention is reduced compared to the conventional algorithm. The calculated standard deviation value can be used for noise identification with reduced position estimation error.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 편차에 대한 RMSE 값을 보여주는 그래프이다. 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘은 종래의 알고리즘에 비해 RMSE 값이 감소함을 알 수 있다. 11 is a graph showing RMSE values versus standard deviations according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11, it can be seen that the RMSE value of the algorithm according to an embodiment of the present invention is reduced compared to the conventional algorithm.

본 발명의 일 실시예에 따른 복잡도 분석은 센서 네트워크의 구성, 센서 네트워크의 계산, 센서 노드와 미지의 노드 간의 거리 계산을 이용하여 측정하였다. 모든 센서 노드에 대해 위치 추정 정확도가 측정되고 위치 추정 오류도 계산된다. 위치 추정을 고려한 본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘의 계산 복잡도는 O으로 측정되고, 일반 노드 식별의 복잡도는

Figure pat00026
과 같다.Complexity analysis according to an embodiment of the present invention was measured using the configuration of the sensor network, calculation of the sensor network, and calculation of the distance between the sensor node and the unknown node. Localization accuracy is measured for every sensor node and localization error is also calculated. The computational complexity of the algorithm according to an embodiment of the present invention considering position estimation is measured as O, and the complexity of general node identification is
Figure pat00026
Same as

본 발명의 일 실시예에 따른 위치 추정 방법은 전송 범위에 기반하여 위치를 추정하므로 전송 범위 오차를 최소화한다. 또한, 센서 노드 위치를 3차원 환경에서 파악하므로 정확도가 향상된다. 기계학습에 기반하여 결함이 있는 노드를 식별함으로써, 정확도가 향상될 수 있다. 이러한 효과는 상기 도 6 내지 도 10을 참조한 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다. A location estimation method according to an embodiment of the present invention estimates a location based on a transmission range, thereby minimizing a transmission range error. In addition, since the location of the sensor node is identified in a 3D environment, accuracy is improved. By identifying faulty nodes based on machine learning, accuracy can be improved. This effect can be confirmed through simulation results with reference to FIGS. 6 to 10 .

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.An embodiment of the present invention may be implemented in the form of a recording medium including instructions executable by a computer, such as program modules executed by a computer. Computer readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Also, computer readable media may include both computer storage media and communication media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data. Communication media typically includes computer readable instructions, data structures, program modules, or other data in a modulated data signal such as a carrier wave, or other transport mechanism, and includes any information delivery media.

본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.Although the methods and systems of the present invention have been described with reference to specific embodiments, some or all of their components or operations may be implemented using a computer system having a general-purpose hardware architecture.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

110 --- 통신 모듈
120 --- 메모리
130 --- 프로세서
110 --- communication module
120 --- memory
130 --- processor

Claims (12)

무선 센서 네트워크에서의 센서 노드에 있어서,
다른 노드와 신호를 송수신하는 통신 모듈,
라우팅 트리 생성 프로그램이 저장된 메모리 및
상기 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라, 상기 신호에 기초하여 일반 노드의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하고,
상기 이동 방향 및 이동 속도에 기초하여 좌표 위치를 측정하고 오차 범위를 계산하고, 기계학습에 기초하여 결함있는 노드를 검출하여 다른 노드와 분리하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
In a sensor node in a wireless sensor network,
A communication module that transmits and receives signals with other nodes;
The memory in which the routing tree generation program is stored and
A processor for executing the program;
The processor calculates a moving direction and a moving speed of a normal node based on the signal according to execution of the program,
A sensor node, characterized in that for measuring a coordinate position based on the moving direction and moving speed, calculating an error range, detecting a defective node based on machine learning, and separating it from other nodes.
제1항에 있어서, 상기 통신 모듈은 상기 3차원 무선 센서 네트워크 전송 범위 내에 위치하는 다른 노드들과의 신호를 송수신하는 것을 특징으로 하는 센서 노드. The sensor node according to claim 1, wherein the communication module transmits and receives signals with other nodes located within a transmission range of the 3D wireless sensor network. 제1항에 있어서,
상기 프로세서는 가우시안 커널 함수에 기초하여 이동 노드 위치를 식별하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
According to claim 1,
Wherein the processor identifies a mobile node location based on a Gaussian kernel function.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는 신호 전송 반경에 기초하여 전송 범위를 계산하고, 상기 전송 범위에 기초하여 일반 노드와 센서 노드의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
According to claim 1,
Wherein the processor calculates a transmission range based on a signal transmission radius, and calculates a distance between a normal node and a sensor node based on the transmission range.
제4항에 있어서,
상기 프로세서는 일반 노드와 센서 노드의 거리를 이용하여 일반 노드의 좌표값을 산출하고, 평균 제곱근 오차를 계산하고, 오차를 적용하여 각 노드의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
According to claim 4,
The sensor node, characterized in that the processor calculates the coordinate value of the normal node using the distance between the normal node and the sensor node, calculates the root mean square error, and estimates the position of each node by applying the error.
무선 센서 네트워크에서의 위치 추정 방법으로서,
일반 노드의 신호를 수신하는 단계;
상기 신호에 기초하여 일반 노드의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하는 단계;
상기 이동 방향 및 이동 속도에 기초하여 좌표 위치를 측정하고, 오차 범위를 계산하는 단계; 및
기계학습에 기초하여 결함있는 노드를 판정하여 다른 노드와 분리하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
As a location estimation method in a wireless sensor network,
Receiving a signal of a normal node;
calculating a moving direction and a moving speed of a general node based on the signal;
measuring a coordinate position based on the moving direction and moving speed, and calculating an error range; and
Determining a defective node based on machine learning and separating it from other nodes
Location estimation method comprising a.
제6항에 있어서, 상기 일반 노드는 상기 3차원 무선 센서 네트워크 전송 범위 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법. [Claim 7] The method of claim 6, wherein the general node is located within a transmission range of the 3D wireless sensor network. 제6항에 있어서,
상기 일반 노드의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하는 단계는
가우시안 커널 함수에 기초하여 이동 노드 위치를 식별하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
According to claim 6,
The step of calculating the movement direction and movement speed of the general node
A location estimation method characterized by identifying a mobile node location based on a Gaussian kernel function.
제6항에 있어서,
상기 일반 노드의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하는 단계;
신호 전송 반경에 기초하여 전송 범위를 계산하고, 상기 전송 범위에 기초하여 일반 노드와 센서 노드의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
According to claim 6,
calculating a moving direction and a moving speed of the normal node;
A location estimation method comprising calculating a transmission range based on a signal transmission radius, and calculating a distance between a normal node and a sensor node based on the transmission range.
제9항에 있어서,
상기 일반 노드와 센서 노드의 거리를 이용하여 일반 노드의 좌표값을 산출하고, 평균 제곱근 오차를 계산하고, 오차를 적용하여 각 노드의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
According to claim 9,
The method of estimating a position, characterized in that by using the distance between the normal node and the sensor node, the coordinate value of the normal node is calculated, the root mean square error is calculated, and the position of each node is estimated by applying the error.
제6항에 있어서,
상기 신호에 기초하여 일반 노드의 이동 방향 및 이동 속도를 계산하는 단계는,
상기 수신된 신호의 신호 강도에 기초하여 일반 노드와의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
According to claim 6,
Calculating the movement direction and movement speed of the general node based on the signal,
and calculating a distance to a normal node based on the signal strength of the received signal.
제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 컴퓨터 상에서 수행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.A computer-readable recording medium recording a program for performing the method according to any one of claims 6 to 10 on a computer.
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