유비쿼터스 컴퓨팅 시대로 진입하면서 사물의 위치 정보를 기반으로 다양한 응용이 개발되고 있다. 무선 센서 네트워크는 저전력, 저가, 배치의 용이성 등이 주된 특징으로서 실내 위치 인식 시스템에 적합하다. 크리켓과 같은 실내 위치 인식 시스템에서는 노드간의 거리를 인식하기 위해서 초음파 신호와, 라디오 신호를 주기적으로 전송한다. 하지만 배치되는 센서 노드의 수가 증가할수록 신호간의 간섭 및 충돌 횟수가 증가하여 위치 인식 시스템의 정확도가 저하된다. 본 논문에서는 On-demand비콘 관리 기법을 제안하여 리스너와 물리적으로 근접한 비콘 노드가 비콘 신호를 전송하여 간섭 및 충돌 현상을 최소화 시키고, 초음파 신호의 특성으로 인한 오차율을 감소시키는 알고리즘을 제안한다.
유비쿼터스 컴퓨팅 시대로 진입하면서 사물의 위치 정보를 기반으로 다양한 응용이 개발되고 있다. 무선 센서 네트워크는 저전력, 저가, 배치의 용이성 등이 주된 특징으로서 실내 위치 인식 시스템에 적합하다. 크리켓과 같은 실내 위치 인식 시스템에서는 노드간의 거리를 인식하기 위해서 초음파 신호와, 라디오 신호를 주기적으로 전송한다. 하지만 배치되는 센서 노드의 수가 증가할수록 신호간의 간섭 및 충돌 횟수가 증가하여 위치 인식 시스템의 정확도가 저하된다. 본 논문에서는 On-demand 비콘 관리 기법을 제안하여 리스너와 물리적으로 근접한 비콘 노드가 비콘 신호를 전송하여 간섭 및 충돌 현상을 최소화 시키고, 초음파 신호의 특성으로 인한 오차율을 감소시키는 알고리즘을 제안한다.
Various applications based on the location information of things are developed as entering by the ubiquitous computing age. Wireless sensor networks are suitable to indoor location-based service because of the important features such as low-power consumption, low-cost, easy deployment, etc. To recog...
Various applications based on the location information of things are developed as entering by the ubiquitous computing age. Wireless sensor networks are suitable to indoor location-based service because of the important features such as low-power consumption, low-cost, easy deployment, etc. To recognize the distance between nodes, the indoor location-based system transmits both ultrasound signal and radio signal periodically. However, increment of the number of deployed sensor nodes make lots of collision and interference among the signals and it can degrade the accuracy of location-based system. In this paper, we propose a beacon management mechanism to increase the probability of transmission chance to the nearest beacon from the listener. It can minimize collision and interference and reduce the error probability due to the characteristics of ultrasound.
Various applications based on the location information of things are developed as entering by the ubiquitous computing age. Wireless sensor networks are suitable to indoor location-based service because of the important features such as low-power consumption, low-cost, easy deployment, etc. To recognize the distance between nodes, the indoor location-based system transmits both ultrasound signal and radio signal periodically. However, increment of the number of deployed sensor nodes make lots of collision and interference among the signals and it can degrade the accuracy of location-based system. In this paper, we propose a beacon management mechanism to increase the probability of transmission chance to the nearest beacon from the listener. It can minimize collision and interference and reduce the error probability due to the characteristics of ultrasound.
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문제 정의
본 논문에서는 On-demand 비콘 관리 기법을 통하여 위치 인식 대상인 리스너 노드(Listener Node, 이하 리스너)가 물리적으로 가까운 소수의 비콘 노드로부터 비콘 신호를 수신하므로 비콘 신호의 간섭 및 충돌 현상을 완화시켜 시스템의 성능을 향상시켰으며, 위치 인식을 위한 시간 지연을 최소화하여 정확도를 향상시키고이동상황에서 보다 빠르고 안정적인 산출 주기를 제공하였다.
또한 모든 비콘 노드가 주기적으로비콘 신호를 전송하기 때문에 리스너와 먼 거리에 있는비콘 노드의 신호를 수신할 수 있다. 본 논문에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 리스너와 물리적으로 근접한 비콘 노드로부터 신호를 수신받는 On- demand 비콘 관리 기법을 제안한다.
본 장에서는 2.3절에서 지적한 크리켓의 문제점들을 개선하기 위한 효율적인 비콘 관리 기법에 관하여 기술한다. 본 논문에서 제안하는 기법은 비콘 신호의 간섭과 충돌 문제를 해결하고, 초음파 신호의 에러율을 줄이기 위하여 모든 비콘 노드가 비콘 신호를 전송하지 않고 리스너와 물리적으로 근접한 비콘 노드만 선택적으로비콘 신호를 전송하는 것이다.
가설 설정
찾는 알고리즘이다. 그러나 AoA는 일반적으로 위치 인식 대상이 센서와 멀리 떨어져 있다는 가정에 근거를 두는데, 이 가정은 위치 인식 대상이 센서에 가까이 있거나 주변 환경에 의해 산란이 될 때에는 부적절하다 [12].
한다. 본 논문에서는 크리켓과 마찬가지로 다수의 비콘 노드와 하나의 리스너로 구성된 노드 배치를 가정하였다. 그림 3은 노드 배치를 나타내며 리스너 노드는 주기적으로 Request Packet을 비콘 노드에게 브로드캐스트 형태로 전송하며, 비콘 노드는 Request Packet의 신호 세기를 통해 자신이 리스너와 물리적으로 근접한 지 여부를 판단하여 비콘 신호를 전송한다.
제안 방법
본 장에서는 새로 제안한 비콘 관리 기법의 성능 평가를 위해 LBNL("awrmce Berkley National Labo~ ratory)의 ns2(Network Simul砒or)를 사용하여 다양한 실험을 수행하였다[17〕.
가로축은 시간을 나타내며, 세로축은 배치된 비콘 노드의 위치를 나타낸다. 기존 크리켓은 리스너와 멀리 떨어진 비콘 노드의 ID를 수신하였으며, 제안된 알고리즘은 리스너와 더욱 가까운 비콘 노드로부터 비콘 신호를 수신하였다. 이는 제안된 알고리즘을 사용하여 리스너의 위치와 물리적으로 더욱 근접한 비콘 노드를 선택한 것을 볼 수 있으며, 수신 비콘 노드 ID의 변화량이 적은 것으로 보아 크리켓과 비교하여 이동 상황에서 더욱 정확한 위치 인식을 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
실험 환경은 2m 간격으로 비콘 노드를 배치하였으며, 1초에 한 번씩 비콘 신호를 전송하도록 하였다. 또한 비콘 노드의 배치는 수신된 비콘 신호에 해당하는 비콘 노드의 ID를 찾기 위해서 비콘 노드 ID를 위치와 상관관계가 있도록 배치하였다. 뽄 실험의 비교 대상으로 현재 센서 네트워크 기반의 실내 위치 인식 시스템에서 가장 높은 정확도를 가진 크리켓을 이용하였다.
리스너는 Request Pack의:을 브로드 캐스트 형태로 전송하며, 이틀 수신한 비콘 노드는 Request 의 수신 신호세기롤 비교한다. 미리 정해 놓은 Threshold 이상의 신호를 수신한 비콘 노드는 Reply Packet을 전송하며, 경쟁기반으로 비콘 산호를 수신하여 우선순위를 결정한다.
3절에서 지적한 크리켓의 문제점들을 개선하기 위한 효율적인 비콘 관리 기법에 관하여 기술한다. 본 논문에서 제안하는 기법은 비콘 신호의 간섭과 충돌 문제를 해결하고, 초음파 신호의 에러율을 줄이기 위하여 모든 비콘 노드가 비콘 신호를 전송하지 않고 리스너와 물리적으로 근접한 비콘 노드만 선택적으로비콘 신호를 전송하는 것이다.
본 실험에서는 리스너가 이동하는 상황을 실험하였으며, 그림 6과 같이 40개의 비콘 노드를 20m X 2m 크기의 공간에서 2m 간격으로 비콘 노드를 배치하였으며, 배치된 비콘 노드의 중앙으로 리스너를 2m/s로 이동시켰다. 크리켓은 모든 비콘 노드가 주기적으로 1초에 한 번씩 비콘 신호를 전송하였으며, 제안된 알고리즘에서 리스너는 1초에 한 번씩 Request Packet을 전송하여 리스너와 물리적으로 근접한 비콘 노드를 활성화 시켰으며, 위치 인식에 필요한 비콘 노드의 수를 4개로 설정하여 우선순위 결정 과정을 수행하였다.
센서 노드는 배치가 용이하기 때문에 위치 인식 공간을 자유롭게 설정할 수 있으나 센서 노드에 사용되는 센서 신호의 특성으로 인하여 방해물이나 반사 신호로 인한 간섭 및 충돌 현상을 발생시키며, 이로 인하여 전체 성능이 저하되는 단점을 갖는다. 본 장에서는 위치 인식 기법 관련 연구들을 분류, 기술하였으며, 기존 연구들이 가지는 문제점에 대해서 기술하였다.
본 논문에서는 비콘 노드간의 간.섭 및 충돌 문제를 해결하고자 On-demand 비콘 전송 기법과 비콘 관리알고리즘을 제안하고 성능 분석을 위한 실험을 수행하였다. On-demand 비콘 전송 기법은 리스너와 물리적으로 가까운 비콘 노드를 선택하고 선택된 노드들만 비콘 신호를 전송하는 기법이다 이는 모든 비콘 노드가비콘 신호를 전송하는 크리켓 시스템과 달리 선택된 소수의 비콘 노드가 비콘 신호를 천송하기 때문에 비콘신호의 간섭 및 충돌 문제를 해결 할 수 있었으며, 리스너와 근접한 비콘 노드가 비콘 신호를 전송하여 전송 거리가 길어질수록 오차율이 증가하는 초음파 신호의 특성으로 인한 성능 저하를 막을 수 있었다.
제안한 비콘 관리 기법의 성능을 평가하기 위해서 그림 6과 같은 실험 환경을 구성하였다. 실험 환경은 2m 간격으로 비콘 노드를 배치하였으며, 1초에 한 번씩 비콘 신호를 전송하도록 하였다. 또한 비콘 노드의 배치는 수신된 비콘 신호에 해당하는 비콘 노드의 ID를 찾기 위해서 비콘 노드 ID를 위치와 상관관계가 있도록 배치하였다.
우선적으로 미리 정의된 다양한 지점에서의 신호 세기들을 RSSI 표본 수집을 통해 측정하여야 한다. 이러한 과정을 수행하고 나면 위치 인식 대상의 송신 신호를 각 센서들이 수신할 때 발생하는 신호의 감쇄 정도를 측정한 뒤 이를 확률적 방법을 통해 미리 수집되었던 RSSI 표본과 매핑 하여 타깃의 위치를 측정한다. 하지만 센서 사이에 많은 장애물이 존재하거나 복잡한 실내 환경일 경우 거리 측정 오차가 매우 클 수 있다[13, 14].
이는 모든 비콘 노드가 신호를 전송하는 기존 시스템보다 비콘 신호를 현저히 감소시키지만 비콘 노드의 선택이 잘못되었을 경우 더욱 큰 초음파 신호 에러가 발생하는 단점을 갖는다. 이러한 단점을 개선하기 위해, 비콘 노드 선택 기법을 사용하며, 경쟁 기반을 통해서 제한적으로 비콘 신호를 수신한다. 즉, 비콘 노드가 전송한 Reply Packet을 수신한 리스너 노드는 비콘 신호의 수신시간과 수신 패킷 수에 근거하여 위치 인식에 필요한 만큼의 비콘 신호를 제한적으로 수신한다.
ID 필드에 업데이트하여 브로드캐스트하고 이를 받은 비콘 노드는 TDoA Packet을 전송한다. 이와 같은 방식을 반복하여 순서 내에 존재하는 모든 비콘 노드로부터 초음파 신호를 수신하고 거리를 산출한다.
나타낸 그림이다. 측정 주기는 위치 인식에 필요한 비콘 노드로부터 거리 정보를 모두 수신하였을 때 산출되며, 본 실험에서는 한 주기 위치 인식에 필요 한비콘 노드의 수를 4개로 설정하였다. 즉, 4개의 비콘 노드로부터 비콘 신호틀 수신할 때 소요되는 시간을 나타낸다.
크리켓은 모든 비콘 노드가 주기적으로 1초에 한 번씩 비콘 신호를 전송하였으며, 제안된 알고리즘에서 리스너는 1초에 한 번씩 Request Packet을 전송하여 리스너와 물리적으로 근접한 비콘 노드를 활성화 시켰으며, 위치 인식에 필요한 비콘 노드의 수를 4개로 설정하여 우선순위 결정 과정을 수행하였다.
또한 TDoA 방식에서는 RF 신호를 받은 후에 초음파 신호를 수신하기 때문에 RF 신호의 충돌은 초음파 신호를 수신 실패 확률을 증가시키며 전체 시스템의 성능을 저하시키는 중요한 원인이 된다. 하지만 제안된 알고리즘은 그림 7과 같이비콘 노드의 증가와 상관없이 일정하게 낮은 제어 패킷의 에러율을 갖는다. 제안된 알고리즘에서 사용된 제어 패킷은 리스너와 물리적으로 가까운 비콘 노드를 선택하기 위해서 Request Packet, Relpy Packet, Solicita tion Packet, Polling Packet 등으로 전체 시스템 측면에서 오버헤드로 작용할 수 있지만 리스너 측면에서 소수의 비콘 노드만 패킷을 전송할 수 있게 하기 때문에 간섭 및 충돌 문제는 현저히 감소하게 된다.
대상 데이터
또한 비콘 노드의 배치는 수신된 비콘 신호에 해당하는 비콘 노드의 ID를 찾기 위해서 비콘 노드 ID를 위치와 상관관계가 있도록 배치하였다. 뽄 실험의 비교 대상으로 현재 센서 네트워크 기반의 실내 위치 인식 시스템에서 가장 높은 정확도를 가진 크리켓을 이용하였다.
성능/효과
이와 같은 이유로 제어 패킷으로 인한 오버헤드는 발생되지 않는다. 따라서 제안된 알고리즘에서 리스너는 리스너와 물리적으로 근접한 비콘노드로부터 선택된 소수의 비콘 노드로부터 비콘 신호를 수신 받기 때문에 제어 신호의 수신 에러율이 현저히 낮으며, 이를 통하여 초음파 신호의 수신 확률을 증가 시 킨다.
가로죽은 배치된 비콘 수를 나타내며, 세로 죽은 리스너에서 수신한 거리 샘플수룰 나타낸다. 먼저 크리켓은 배치된 비콘 노드의 수가 5개까지는 비콘 노드 수가 증가함에 따라 수신된 비콘 산호의 수가 증가하였지만 5개 이상일 경우 더 많은 비콘 노드가 배치될수록 수신된 비콘 신호의 수는 감소하는 것을 볼 수 있다. 크티켓은 모든 비콘 노드가 주기적으로 RF 신호와 초음파 신호를 전송하기 때문에 비콘 신호의 간섭 문제가 발생한다.
본 논문에서 제안하는 효율적인 비콘 관리 기법은 실내공간에서 센서 노드의 배치 상태와 통신 측면의 특성을 고려하여 위치인식 시스템의 정확도를 향상시킨다. 일차적으로 3.
기존 크리켓은 리스너와 멀리 떨어진 비콘 노드의 ID를 수신하였으며, 제안된 알고리즘은 리스너와 더욱 가까운 비콘 노드로부터 비콘 신호를 수신하였다. 이는 제안된 알고리즘을 사용하여 리스너의 위치와 물리적으로 더욱 근접한 비콘 노드를 선택한 것을 볼 수 있으며, 수신 비콘 노드 ID의 변화량이 적은 것으로 보아 크리켓과 비교하여 이동 상황에서 더욱 정확한 위치 인식을 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 On-demand 비콘 전송 기법은 리스너와 근접한 비콘 노드만 TDoA 패킷을 전송할 수 있도록 하여 전송 거리가 길어짐에 따라 더 많은 에러 틀 발생시키는 초음파 신호의 특성으로 인한 성능 저하를 막을 수 있다.
하지만 제안된 알고리즘은 그림 7과 같이비콘 노드의 증가와 상관없이 일정하게 낮은 제어 패킷의 에러율을 갖는다. 제안된 알고리즘에서 사용된 제어 패킷은 리스너와 물리적으로 가까운 비콘 노드를 선택하기 위해서 Request Packet, Relpy Packet, Solicita tion Packet, Polling Packet 등으로 전체 시스템 측면에서 오버헤드로 작용할 수 있지만 리스너 측면에서 소수의 비콘 노드만 패킷을 전송할 수 있게 하기 때문에 간섭 및 충돌 문제는 현저히 감소하게 된다. 또한 RF 신호의 전송 시간은 초음파 신호의 전송 시간보다 월등히 빠르기 때문에 초음파 신호를 전송하기 위하여 사용되는 제어 패킷의 교환 시간은 크리켓에서 사용되는 백오프 시간보다 빠르다.
한 비콘노드가 비콘 신호를 전송하고 다음 전송까지 대기하는 시간이 일정하지 않고 1초 범위 내에서 랜덤한 백오프시간을 갖기 때문에 리스너가 4개의 비콘 신호를 받는 시간이 각 측정 시간마다 차이가 크다. 하지만 제안된 알고리즘은 4개의 비콘 신호를 수신하기까지 약 10ms 정도가 소요되었으며, 측정 시간의 편차가 현저히 감소하였다. 이와 같은 결과는 비콘 노드에서 비콘 신호를 전송할 때 랜덤 백오프에 의한 전송 방법을 사용하지 않고 리스너의 요청에 따라 순차적으로 TDoA Packet 을 전송하였기 때문이다.
따라서 배치된 노드의 수가 증가할수록 수신받은 비콘 산호의 수는 감소한다. 하지만 제안된 알고리즘은 모든 비콘 노드가 비콘 신호를 전송하지 않고 On-demand 비콘 관리 기법을 통해 리스너와 근접 한비콘 노드만 비콘 신호를 전송하기 때문에 비콘 신호의 간섭 및 충돌 횟수를 감소시키며, 안정적으로 비콘 신호를 수신할 수 있다’ 이와 같이 제안된 알고리즘에서 리스너는 더 많은 비콘 신호를 수신하고 결과적으로 거리산출에 필요한 데이터를 충분히 수신하므로 위치 인식의 정확도를 높일 수 있다.
후속연구
On-demand 비콘 전송 기법은 리스너와 물리적으로 가까운 비콘 노드를 선택하고 선택된 노드들만 비콘 신호를 전송하는 기법이다 이는 모든 비콘 노드가비콘 신호를 전송하는 크리켓 시스템과 달리 선택된 소수의 비콘 노드가 비콘 신호를 천송하기 때문에 비콘신호의 간섭 및 충돌 문제를 해결 할 수 있었으며, 리스너와 근접한 비콘 노드가 비콘 신호를 전송하여 전송 거리가 길어질수록 오차율이 증가하는 초음파 신호의 특성으로 인한 성능 저하를 막을 수 있었다. 또한 한 주기 위치 인식에 필요한 시간을 최소화 시켜 리스너가 이동하는 상황에서도 신속히 리스너와 근접한 비콘 노드로부터 비콘 신호를 수신 받을 수 있게 하였다 향후 연구목표로서 본 논문에서 제안한 기법을 실제 환경에서 적용하는 연구를 수행할 계획이다.
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