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문제 정의
- 본고는 무선 네트워크에서 구현이 가능한 대표적이고 신뢰성 있는 무선 측위 기술들을 조사하고 각 기술의 실험 결과를 인용하여 성능을 분석하고자 한다. 본고의 구성은 Ⅱ장에서 측위 기술들과 이들의 측위 원리에 대하여 설명하고, Ⅲ장은 최근 진행된 각 측위법의 실험 결과를 제시하고 성능을 분석한다.
가설 설정
- Radio Interferometric Positioning의 실험은 실내의 20x20m의 크기를 가정하여 모의실험 하였다.[6] 두 주파수로 430MHz와 431MHz를 사용하였으며, 431MHz의 신호는 각 속도 45RPM(ω=4.
- AoA 방법의 다중경로 영향을 관찰하기 위하여 직접 신호와 함께 2개의 다중경로 신호가 수신되는 경우를 실험하였다. 다중경로 신호의 수신 시간의 차는 균일 확률 분포로 가정하였다. 위치추정은 한 조의 3개 고정 국을 선택하여 다중경로로 인한 33=27개의 위치를 계산하고, 다른 조합의 3개 고정 국으로부터도 마찬가지로 27개의 위치를 계산하였다.
제안 방법
- AoA 방법의 다중경로 영향을 관찰하기 위하여 직접 신호와 함께 2개의 다중경로 신호가 수신되는 경우를 실험하였다. 다중경로 신호의 수신 시간의 차는 균일 확률 분포로 가정하였다.
- RF Fingerprinting 방법은 43.5x22.5m 공간의 실내에서 2.4 GHz ISM 대역의 신호를 이용하여 실험하였다.[7]
- [6] 두 주파수로 430MHz와 431MHz를 사용하였으며, 431MHz의 신호는 각 속도 45RPM(ω=4.71rad/s)과 회전반경 0.12m로 회전하는 경우를 설정하였다.
- cdma2000 이동 통신망을 이용하여 아파트가 밀집된 서울의 한 지역을 골라 실시하였다.[9] 단말기가 서비스기지국에 보내는 Pilot Strength Measurement Message (PSMM)에 포함되는 Pilot PN phase의 Pilot_arrival을 이용하였다. 단말기가 오직 서비스기지국에 동기 되어 운용되는 CDMA 네트워크에서 Pilot_arrival은 단말기의 기준 시간에 상대적으로 측정되는 주변 각 기지국 Pilot의 단말기 도착시간을 나타냄으로 Pilot_arrival은 서비스기지국에 대한 주변기지국 신호의 TDoA를 나타낸다.
- 실험은 먼저 하나의 송신신호가 두 고정 국에 수신되는 시간의 차를 이용하는 일반적인 TDoA 방법을 실행하였다. cdma2000 이동 통신망을 이용하여 아파트가 밀집된 서울의 한 지역을 골라 실시하였다.[9] 단말기가 서비스기지국에 보내는 Pilot Strength Measurement Message (PSMM)에 포함되는 Pilot PN phase의 Pilot_arrival을 이용하였다.
- 데이터 수집은 먼저 동기화된 시각 t를 가지는 기지국(BS)이 자신의 신호를 수신하는 이동 국의 수신신호 세기(SS) 측정값을 (t, BS, SS) 형태로 기록한다. 이동 국은 시각 t와 일치하는 사용자 좌표 (t,x,y)나 이동 국이 바라보고 있는 방향(동,서,남,북)이 가미된 (t,x,y,d)를 형성한다.
- 마지막으로, 셋째방법의 DB에 2∼4 개의 근접 기지국들을 사용하여 평균을 취하였더니 실제 위치에 가장 근접한 위치를 추정하였다.
- 실험에는 추정위치의 오차를 줄이기 위하여 측정값으로부터 실제 측위에 이용되는 값들을 골라내는 데이터 처리에도 적지 않는 노력이 필요하였다. 먼저, 측정된 두 수신기 간의 거리 차이가 실제 거리 차이보다 클 때 그 값을 제외하였으며, 다음 다중경로 신호를 측정하는 수신기의 개수는 작다고 가정하는 Studentized residuals[8]의 통계적인 시험방법을 채용하여 측정값들의 variance가 허용치 밑으로 떨어질 때까지 또는 오직 3개의 값이 남을 때까지 측정값들을 반복적으로 비교하여 측정값을 선별하였다.
- 무선 네트워크에서 구현이 가능한 대표적인 무선 측위 기술들을 조사하고 실험을 통하여 성능을 분석하였다. 대부분의 방법들이 사각지대의 제거, 다중경로의 영향 최소화, 오차의 개선 등을 위하여 측위방법에 필요한 이상의 수신국 개수를 요구하고 있다.
- 실험에서 측위방법은 네 가지 방법으로 분류하여 실시하였다. 첫째, 가장 근접 기지국 한 곳에서 일치하는 신호세기를 찾는 방법에서 상위 25%, 50%, 75% 값의 위치오차가 각각 1.
- TDoA 측위법을 실험하였다. 실험은 먼저 하나의 송신신호가 두 고정 국에 수신되는 시간의 차를 이용하는 일반적인 TDoA 방법을 실행하였다. cdma2000 이동 통신망을 이용하여 아파트가 밀집된 서울의 한 지역을 골라 실시하였다.
- [3] 이동 국과 고정 비콘 간의 거리 측정 오차는 둘 사이의 거리가 커질수록 증가하였으나 거리 오차 비율(실제 거리에 대한 측정 오차의 비)는 모든 경우에 10% 이하로 나타났다. 위치추정은 정지와 이동하는 경우로 분리하여 실시하였다. 그 결과, 정지된 경우 9.
대상 데이터
- ToA 방법을 75m3 크기의 실내에서 40KHz 초음파 신호를 16개의 수신기가 수신하는 구조로 실험하였다.[2]
- ToA 측위법으로 실내에서 40KHz의 초음파 신호를 이용하였다.[2] 수신기는 송신하는 초음파 신호의 도착시간을 측정하여 둘 사이의 거리를 수식 (1)로 계산한다.
- 초음파와 RF 두 신호를 이용하는 TDoA 방법을 Cricket 비콘을 사용하여 12x6 ft 크기의 실내에서 실험하였다.[3] 이동 국과 고정 비콘 간의 거리 측정 오차는 둘 사이의 거리가 커질수록 증가하였으나 거리 오차 비율(실제 거리에 대한 측정 오차의 비)는 모든 경우에 10% 이하로 나타났다.
이론/모형
- ToA 측위법은 송신기로부터 다 수의 수신기들까지 전송되는 신호의 전달시간을 측정, 위치를 추정한다. 3개 이상의 수신기가 송신신호의 도착시간을 측정하여 거리를 계산하고 이를 이용하여 multilateration방법으로 송신기의 위치를 추정한다. ToA 방법은 송신기와 수신기의 동기화가 요구되며, 전송주파수에 따라 측정되는 시간의 정확도가 달라진다.
- AoA 기법의 실험은 75x75m 영역을 설정하여 컴퓨터 모의시험을 수행하였다.[4] 다중경로가 없다고 가정하여 이동 국과 고정 국 사이의 거리와 방향 빔 폭에 대한 위치오차가 그림 5에 주어져 있다.
- TDoA 측위법을 실험하였다. 실험은 먼저 하나의 송신신호가 두 고정 국에 수신되는 시간의 차를 이용하는 일반적인 TDoA 방법을 실행하였다.
성능/효과
- [3] 이동 국과 고정 비콘 간의 거리 측정 오차는 둘 사이의 거리가 커질수록 증가하였으나 거리 오차 비율(실제 거리에 대한 측정 오차의 비)는 모든 경우에 10% 이하로 나타났다. 위치추정은 정지와 이동하는 경우로 분리하여 실시하였다.
- 그 결과, 전체 계산 값으로부터 정확한 위치를 나타내는 중복되는 한 점 외에는 다른 모든 계산 점들이 넓게 분산되어 나타났다. 결과적으로, 반사파가 존재할 경우, 가능한 모든 3개 조합을 이용하여 위치를 계산하고, 결과를 서로 비교함으로써 위치오차가 최소화될 수 있음을 볼 수 있다. 하지만 소요되는 계산 양은 다중경로 개수의 증가와 함께 기하급수적으로 증가한다.
- 8m, 2m 이내의 위치오차를 보여주고 있다. 결과적으로, 이동 국이 가장 가까운 3개의 고정 국으로부터 신호를 수신하고 빔 폭이 15도 이하 일 때 최대 위치오차는 2m 이하로 한정됨을 나타내고 있다.
- 위치추정은 한 조의 3개 고정 국을 선택하여 다중경로로 인한 33=27개의 위치를 계산하고, 다른 조합의 3개 고정 국으로부터도 마찬가지로 27개의 위치를 계산하였다. 그 결과, 전체 계산 값으로부터 정확한 위치를 나타내는 중복되는 한 점 외에는 다른 모든 계산 점들이 넓게 분산되어 나타났다. 결과적으로, 반사파가 존재할 경우, 가능한 모든 3개 조합을 이용하여 위치를 계산하고, 결과를 서로 비교함으로써 위치오차가 최소화될 수 있음을 볼 수 있다.
- 위치추정은 정지와 이동하는 경우로 분리하여 실시하였다. 그 결과, 정지된 경우 9.22cm의 평균 제곱 위치 오차를, 이동하는 경우에는 속도가 올라갈수록, 회전과 같은 복잡성이 증가할수록 정확도가 저하되어 허용치를 넘는 것으로 나타났다. 즉, 보행속도 이상의 이동 물체의 추적에는 한계성을 보였다.
- 그림에서, x축은 위치오차를 y축은 위치오차의 확률을 누적분포로 나타낸다. 나타난 바와 같이, 측위에 포함되는 각 수신기들이 수신하는 raw 데이터를 사용한 위치오차가 14cm 이하가 될 확률이 95%, 10 번 측정한 값의 평균값을 이용한 위치오차가 약 8cm 안에 들 확률이 95%로 나타남을 볼 수 있다. 오차의 주된 원인은 한정된 수신기 개수와 수신기 내부의 잡음으로 분석되었다.
- 또한, 정지된 물체의 위치추정에는 비교적 허용할만한 정확도를 제공하지만 이동 체에 대한 성능은 만족스럽지 못하다. 더불어, 이동속도가 증가할수록, 회전과 같이 이동의 복잡성이 증가할수록 정확도는 더욱 저하된다. 그러므로 적절한 측위방법의 선택은 측위환경, 정확도, 소요시간, 데이터 처리 구조 및 계산 양, 구현의 용이성, 저 비용 등 많은 설계요소로부터 주어진 응용분야에 상응하는 핵심 요소들을 우선 고려하여야 한다.
- 79m로 나타났다. 둘째, 첫째방법의 DB에 가장 근접한 5개의 기지국들을 이용하여 추정 값의 평균을 취하는 방법을 채용하니, 상위 25%와 50% 값의 위치오차는 각각 1.5m와 2.79m로 나타났다. 이는첫째 방법보다 각각 22%와 9% 개선됨을 보여준다.
- 이는첫째 방법보다 각각 22%와 9% 개선됨을 보여준다. 셋째, 사용자의 동, 서, 남, 북 네 방향에서 기지국으로 송신되는 4개의 신호 중 가장 큰 신호세기를 골라 RF DB를 구축하고 가장 근접 기지국만 위치추정에 사용하니, 상위 25%와 50%의 위치 오차가 첫째방법보다 각각 6%와 9%가 개선된 1.8m와 2.67m로 나타났다. 마지막으로, 셋째방법의 DB에 2∼4 개의 근접 기지국들을 사용하여 평균을 취하였더니 실제 위치에 가장 근접한 위치를 추정하였다.
- 69m의 최대 오차가 발생하였다. 실험 결과로부터, 측정에 다수의 수신기를 포함하여, 사각지대를 제거한 3개 수신기 조합을 측위에 사용함으로써 위치오차를 최소화할 수 있음을 볼 수 있다. 아울러 설계 시, 위상변이 측정값의 정확성은 안테나의 각속도와 회전 반경 및 수신기와의 거리에도 좌우됨을 고려하여야 한다.
- 실험결과, 송신기가 어느 하나의 수신기에 매우 근접해 있을 때와 송신기가 두 수신기를 연결하는 선 위에 있을 때 및 세 수신기들의 위치로 만들어지는 원의 원주 위에 있을 때 위치오차가 크게 발생하였다. 전자의 원인은 계산되는 각도들 중 적어도 하나의 값이 π 에 근접하여 매우 큰 원을 만들기 때문으로 분석되며, 후자의 원인은 계산된 반지름들로 원을 그리는 Centroiding 방법이 하나의 독특한 교차점을 만들지 못하고 서로 겹쳐져 불확실한 영역을 만들기 때문으로 분석된다.
- 이동하는 물체를 추적하는 경우를 위해 10 샘플 sliding window를 이용한 평균 신호세기의 DB를 구축하여 실험 한 결과, 고정의 경우보다 약간 저하되어 나타났다. 50%의 오차가 첫째방법보다 약 19% 저하된 3.
- 5chip 임에도 50% 이상의 추정위치 ‘●’가 실제위치 ‘▲’ 주변에 포진하고 있었다. 이를 통하여, searcher의 용해도를 0.5chip 이하로 줄이면 오차를 줄일 수 있고, searcher의 동기누적구간을 증가함으로써 셀 내 위치추정영역의 확장을 가져올 수 있다는 결론을 가질 수 있다. 하지만 현재의 네트워크 구조에서 측위기능의 어려움을 볼 수 있었다.
- 실험에서 측위방법은 네 가지 방법으로 분류하여 실시하였다. 첫째, 가장 근접 기지국 한 곳에서 일치하는 신호세기를 찾는 방법에서 상위 25%, 50%, 75% 값의 위치오차가 각각 1.92, 2.94, 4.79m로 나타났다. 둘째, 첫째방법의 DB에 가장 근접한 5개의 기지국들을 이용하여 추정 값의 평균을 취하는 방법을 채용하니, 상위 25%와 50% 값의 위치오차는 각각 1.
후속연구
- 앞으로 무선 측위 기술의 발전과 실현을 위하여 앞에서 언급한 설계요소들을 고려한 각 기술의 성능분석이 실내외의 다양한 환경에서 좀 더 광범위한 규모로 진행되어야 하겠다.
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