[논문]UWB 시스템에서의 MHP 펄스를 이용한 ToA와 TDoA의 Hybrid 방식

황대근; 황재호; 김재명

[국내논문] UWB 시스템에서의 MHP 펄스를 이용한 ToA와 TDoA의 Hybrid 방식
The Hybrid Method of ToA and TDoA Using MHP Pulse in UWB System 원문보기

韓國ITS學會論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.10 no.1, 2011년, pp.49 - 59

황대근 (인하대학교 정보통신대학원) , 황재호 (인하대학교 정보통신대학원) , 김재명 (인하대학교 정보통신대학원)

초록
AI-Helper

현재 목표기기(target node)의 위치를 측정하는 기술 중에 가장 정확도가 높다고 평가되는 방법은 ToA(Time of Arrival) 거리 측정(Ranging) 기술과 TDoA(Time Difference of Arrival) 거리 측정 기술을 이용한 위치 측정 방법이다. ToA와 TDoA는 시간을 기반으로 하는 거리 측정 기술이기 때문에 여러 개의 참조기기(Reference node)와 목표기기 사이의 시간 동기화와 오프셋이 중요시 된다. 참조기기와 목표기기 사이의 시간 동기화가 정확하게 이루어지지 않거나 참조기기 간 시간 오프셋이 발생할 경우 정확한 시점에서 신호를 검출할 수 없게 되어 거리오차가 발생하게 되고, 이러한 거리오차를 일반적인 위치 측정 알고리즘에 적용하게 되면 목표 기기의 정확한 위치를 측정할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 참조기기와 목표기기 사이에 시간 동기화가 맞지 않을 경우와 참조기기와 참조기기 사이의 시간 오프셋이 발생할 경우에 위치 측정의 오차를 줄이는 ToA와 TDoA의 Hybrid 방식을 제안한다. 각각의 펄스가 직교성을 갖는 특징을 지닌 MHP(Modified Hermite Polynomial) 펄스를 이용하여 참조기기들이 각기 다른 MHP 펄스를 송수신하도록 하고 이를 통해 한 번의 MHP 펄스 송수신만으로 TDoA와 ToA 두 가지 방법을 모두 이용하여 각각의 거리를 측정하고 위치 계산을 할 수 있도록 한다. Hybrid 방식은 TDoA와 ToA 방법을 이용한 거리 측정을 반복적인 계산을 통해 실제 거리 오차가 적은 방법을 선택하여 목표기기의 위치를 좀 더 정확하게 측정할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, ToA and TDoA estimation are favorable among all of estimation techniques because they have the best accuracy in estimating position. ToA and TDoA estimation are typical techniques based on time. So, it is important to have the time syncronization and offset between a target node and several reference nodes. If they don't have the time syncronization between a reference node and target node or have a time offset among reference nodes, the positioning error will increase due to the ranging error. The conventional positioning algorithm does not have a accurate device's position because ranging error is added the calc dation of the position. In this paper, we propose a hybrid method of ToA and TDoA ll increase due. We use MHP pulse that has orthogonal pulse instead of the existing pulse to transmit and receive pulses between a target node and reference nodes. We can estimate the target node's position by ToA and TDoA estimation to transmit and receive MHP pulses only once. When the proposed Hybrid method iteratively calculate the distance, we can select the ranging technique to have more accurate position. The simulation results confirm the enhancement of the Hybrid method.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 UWB 시스템내에서 MHP 펄스를 이용하여 ToA와 TDoA를 선택적으로 사용할 수 있는 Hybrid 방식을 이용한 위치 측정 기술을 제안하였다. 위치 측정을 위한 거리 측정 기술은 ToA, TDoA, AoA, RSSI 등의 기술 중에 시간을 기반으로 한 ToA와 TDoA가 많이 사용되지만 참조기기와 목표기기 사이에 필요한 시간동기화가 제대로 이루어지지 않을 경우, 참조기기와 참조기기 사이에 시간 오프셋이 발생할 경우에 거리 오차가 발생하여 정확한 위치 측정을 할 수 없다.

가설 설정

4a 채널 환경 중 실내 환경과 사무실 환경을 사용하였고, 각 채널 환경은 LOS (Line of Sight)와 NLOS(Non-Line of Sight)로 나뉘어 CM1에서 CM4로 구분된다[14]. 시뮬레이션 공간은 가로, 세로 15m의 크기로 가정하고, 참조기기 3개의 위치를 고정시킨 후 목표기기의 위치를 무작위로 선택한다. Hybrid 방식에서의 반복횟수 n은 50회로 하고 시간 동기화 오차는 참조기기가 목표기기보다 최소 1ns 이상의 무작위의 시간 오차, 시간 오프셋은 참조기기A와 B 사이에는 최소 1ns, A와 C는 최소 2ns, B와 C는 최소 1ns 이상의 오차를 가지도록 하여 위치를 측정하는 방식으로 성능을 검증하였다.

제안 방법

시간을 기반으로 한 ToA와 TDoA는 참조기기와 목표기기 사이의 시간 동기화가 이루어지고 참조기기들간의 시간 오프셋이 발생하지 않는다면 목표 기기의 위치를 찾는데 오차가 적게 발생하지만 그렇지 않은 경우에는 거리 오차가 위치 측정 계산에 포함되어 목표기기의 정확한 위치를 측정할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 시간 동기화가 정확하게 이루어지고 오프셋이 발생하지 않은 경우와 그렇지 않은 경우의 특징을 분석하고, 시간 동기화에 오류가 있는 경우, 오프셋이 발생하였을 경우에 구할 수 있는 거리 측정 정보가 위치 측정에 미치는 영향을 줄이기 위해 ToA와 TDoA의 Hybrid 방식을 제안한다. 제안한 Hybrid 방식은 MHP 펄스를 사용하는 방식으로 시간 동기화가 이루어지지 않은 경우, 또는 오프셋이 발생했을 경우에 ToA와 TDoA를 선택적으로 사용할 수 있는 방식이다.
본 논문은 Ⅱ장에서는 기존의 거리 측정 기술을 이용한 위치 측정 방법에 대하여 설명하고 Ⅲ장에서는 시간 동기화가 이루어지지 않을 경우와 시간 오프셋이 발생한 경우의 특징과 그 경우에 나타나는 ToA와 TDoA의 성능을 비교하고 Hybrid 방식에 대하여 설명한다. Ⅳ장에서 제안한 방법과 기존의 방법의 성능을 시뮬레이션을 통하여 비교하여 설명하고 Ⅴ장에서는 결론을 맺는다.
TDoA는 <그림 4>와 같은 신호 송수신 방법을 갖는다. 목표기기에서 송신된 펄스는 각각 참조기기 A, B, C에 각기 다른 시각에 도착하고 각 참조기기에 도착한 시간의 차이를 계산한다. 즉, t_AB는 참조기기 A와 참조기기 B에 신호가 도착한 시각의 차이, tBC는 참조기기 B와 참조기기 C에 신호가 도착한 시각의 차이를 나타낸다.
ToA는 양방향 송신을 이용한 거리 측정 기술이기 때문에 목표기기가 송신하는 펄스가 어느 참조기기와의 거리 측정을 위한 것인지를 구분하는 것이 중요하다. 따라서 각 차수 간 직교성을 가지는 MHP 펄스를 사용하여 참조기기가 수신하는 펄스를 구분하기로 한다.
각기 다른 차수의 MHP 펄스를 받은 참조기기들은 펄스를 받은 시간의 차이를 계산함으로써 TDoA 거리 측정을 완료한다. 그 후 참조기기는 t_replyA, t_replyB, t_replyC의 일정 응답시간이 지난 후에 자신이 받았던 차수의 MHP 펄스를 목표기기로 송신하고, 목표기기는 각기 다른 차수의 펄스를 받아 어느 참조기기에서 송신되어 온 펄스인지를 구분하여 참조기기의 응답시간을 제외한 2_tPA, 2_tPB, 2_tPC의 시간을 이용하여 ToA의 거리 측정을 한다. 이와 같이 MHP 펄스를 이용하면 한 번의 펄스 송수신으로 TDoA와 ToA 거리 측정을 모두 마칠 수 있다.
이와 같이 MHP 펄스를 이용하면 한 번의 펄스 송수신으로 TDoA와 ToA 거리 측정을 모두 마칠 수 있다. 이 Hybrod 방식의 거리 측정 기술을 이용하여 참조기기과 목표기기 사이의 시간 동기화가 맞지 않을 경우와 참조기기들 사이에 시간 오프셋이 발생할 경우에 나타날 수 있는 거리 오차들을 줄이는 방법을 제안한다.
이러한 성능 저하를 줄이기 위하여 Hybrid 방식을 이용하여 거리 측정을 시작한다. 참조기기와 목표기기의 시간 동기화 오류인지 참조기기들 간의 시간 오프셋인지를 모르는 경우에 Hybrid 방식을 통하여 거리 측정을 실시한 후에 그에 따른 목표기기의 위치 값을 계산한다.
제안하는 Hybrid 방식은 거리 측정을 통한 위치 계산의 반복을 통해 구한 n개의 위치 값으로 서로의 거리를 구하여 ToA와 TDoA 중 한 가지 방법을 선택하는 것이다. n회 반복을 통하여 위치 값을 계산하면 ToA에 의한 위치 값 ToA1, ToA2, ToA3,…, ToAn과 TDoA에 의한 위치 값 TDoA₁, TDoA₂, TDoA_3,…, TDoA_n을 구해낼 수 있다.

대상 데이터

제안된 기법에 대한 성능을 검증하기 위해서 본 논문에서 사용한 채널 모델은 IEEE 802.15.4a TG에서 제시한 UWB 채널을 사용하였으며, 각 채널의 특성은 과 같다.

이론/모형

이러한 ToA 방식을 사용하는 위치 측정 기술의 알고리즘에는 원의 방정식을 직접적으로 계산하는 DM(Direct Method) 알고리즘과 LS(Least Square) 알고리즘, 그리고 SI(Spherical Interpolation) 알고리즘이 있다[9]. 본 논문에서는 LS 알고리즘을 이용하여 목표기기의 위치 측정을 한다.
이러한 TDoA 방식을 사용하는 대표적인 알고리즘에는 Taylor 식을 이용한 Least Square 알고리즘과 Chan-Ho 알고리즘이 있다[10]. 본 논문에서는 Taylor 식을 이용한 Least Square 알고리즘을 이용한다.
또한 이와 같은 상황에서 나타나는 ToA와 TDoA의 성능저하를 <그림 6>과 <그림 8>을 통하여 보였다. 이러한 성능 저하를 줄이기 위하여 Hybrid 방식을 이용하여 거리 측정을 시작한다. 참조기기와 목표기기의 시간 동기화 오류인지 참조기기들 간의 시간 오프셋인지를 모르는 경우에 Hybrid 방식을 통하여 거리 측정을 실시한 후에 그에 따른 목표기기의 위치 값을 계산한다.

성능/효과

시뮬레이션 환경은 Ⅳ장에 밝힌 파라미터들과 같다. 참조기기의 응답시간, 즉 t_{ref_replyA}, t_{ref_replyB}, t_{ref_replyC}가 목표기기의 응답시간인 t_{tar_replyA}, t_{tar_replyB}, t_{tar_replyC}보다 각각 최소 1ns, 2ns, 3ns의 동기화 오류를 가질 경우에 오차가 커짐에 따라 성능에 변화가 거의 없는 TDoA에 비해 ToA는 20cm 이내의 오차를 가질 확률이 점차 낮아지는 것을 알 수 있다.
오프셋이 증가함에 따라 과는 역으로 ToA는 일정한 결과를 보이고 TDoA는 위치 측정 성능이 점점 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
ToA와 TDoA를 이용하여 구해낸 각각 n개의 위치 값들을 이용하여 서로의 거리를 계산하면 위치 값 ToA₁은 ToA₁₂, ToA₁₃, …, ToA1n까지의 거리 값을 갖는 것과 같이 각각의 위치 값들은 n-1개의 거리 값들을 갖게 되고 총 n(n-1)개의 거리 값이 구해진다. 이 거리 값들의 평균을 구하게 되면 ToA를 이용한 거리 측정에서의 거리 평균값과 TDoA를 이용한 방법에서의 평균값을 알 수 있고 평균값을 비교하여 작은 값이 분포가 더 조밀하다는 것을 알 수 있다. 참조기기와 목표기기 사이에 시간 동기화 오류가 있다면 TDoA에 의해 구해진 거리 평균값이 ToA에 의해 구해진 값보다 작게 되고 반대로 참조기기들 간에 시간 오프셋이 발생하였다면 ToA에 의해 구해진 평균값이 TDoA의 평균값보다 작게 된다.
시뮬레이션 공간은 가로, 세로 15m의 크기로 가정하고, 참조기기 3개의 위치를 고정시킨 후 목표기기의 위치를 무작위로 선택한다. Hybrid 방식에서의 반복횟수 n은 50회로 하고 시간 동기화 오차는 참조기기가 목표기기보다 최소 1ns 이상의 무작위의 시간 오차, 시간 오프셋은 참조기기A와 B 사이에는 최소 1ns, A와 C는 최소 2ns, B와 C는 최소 1ns 이상의 오차를 가지도록 하여 위치를 측정하는 방식으로 성능을 검증하였다.
<그림 11>은 실내 환경(CM1, CM2)에서 참조기기와 목표기기 간에 시간 동기화가 이루어지지 않은 경우에 기존의 ToA와 TDoA 그리고 Hybrid 방식을 비교한 것이다. 참조기기의 응답시간, 즉 t_{ref_replyA}, t_{ref_replyB}, t_{ref_replyC}가 목표기기의 응답시간인 t_{tar_replyA}, t_{tar_replyB}, t_{tar_replyC}보다 1%(1ns) 이상의 더 긴 시간을 가질 경우의 결과를 보여준다. CM1은 LOS 상황으로 다이렉트 패스가 존재하는 환경이며 CM2는 NLOS 상황으로 다이렉트 패스가 존재하지 않는 경우이다.
<그림 11>, <그림 12>와 마찬가지로 CM1, CM3는 LOS환경이며 CM2, CM4는 NLOS환경이다. 참조기기들 간의 시간 오프셋의 발생으로 인해 TDoA의 성능이 ToA에 비하여 급격히 떨어진 것을 확인할 수 있고, Hybrid 방식은 ToA와 같이 보다 정확한 위치 측정 결과를 갖는 것을 알 수 있다.
위치 측정을 위한 거리 측정 기술은 ToA, TDoA, AoA, RSSI 등의 기술 중에 시간을 기반으로 한 ToA와 TDoA가 많이 사용되지만 참조기기와 목표기기 사이에 필요한 시간동기화가 제대로 이루어지지 않을 경우, 참조기기와 참조기기 사이에 시간 오프셋이 발생할 경우에 거리 오차가 발생하여 정확한 위치 측정을 할 수 없다. 이를 해결하기 위한 방법으로 MHP 펄스를 이용한 Hybrid 방식으로 거리 오차가 개선됨에 따라 정확한 위치 측정을 할 수 있다는 것을 보였다. 또한 시뮬레이션을 통하여 실내 환경(CM1, CM2)과 사무실 환경(CM3, CM4)에서 시간 동기화가 맞지 않을 경우와 시간 오프셋이 나타났을 경우로 나누어 기존의 거리 측정 기술인 ToA, TDoA와 성능을 비교함으로써 제안된 방법으로 시간 동기화 오류와 시간 오프셋으로 인한 거리 오차를 없앨 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
이를 해결하기 위한 방법으로 MHP 펄스를 이용한 Hybrid 방식으로 거리 오차가 개선됨에 따라 정확한 위치 측정을 할 수 있다는 것을 보였다. 또한 시뮬레이션을 통하여 실내 환경(CM1, CM2)과 사무실 환경(CM3, CM4)에서 시간 동기화가 맞지 않을 경우와 시간 오프셋이 나타났을 경우로 나누어 기존의 거리 측정 기술인 ToA, TDoA와 성능을 비교함으로써 제안된 방법으로 시간 동기화 오류와 시간 오프셋으로 인한 거리 오차를 없앨 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ToA란 무엇인가?	AoA는 목표기기가 보낸 신호의 방향각을 이용하여 각을 측정하고 각 참조기기와 목표기기 사이의 방향각의 교차점을 계산하여 목표기기의 위치를 측정하는 알고리즘이며 RSSI는 미리 정의된 다양한 지점에서의 신호 세기들을 표본 수집을 통해 측정하고, 목표기기의 송신 신호를 각 참조기기들이 수신할 때 발생하는 신호의 감쇠 정도를 측정하여 확률적 방법을 통해 표본과 맵핑하여 위치를 측정하는 방법이다[3, 4]. ToA와 TDoA는 시간에 기반을 둔 방법으로 ToA는 양방향 송신을 통한 거리 측정 기술로 신호를 보내고 다시 돌려받음으로 송수신에 걸린 시간을 이용하여 거리를 계산하여 목표기기의 위치를 측정하는 기술이고, TDoA는 신호의 도달 시간만을 측정하는 단방향 송신을 통한 거리 측정 기술로 각 참조기기에 신호가 도달한 시간차를 이용하여 목표기기의 위치를 측정하는 기술이다[5].
	AoA란 무엇인가?	이러한 거리 측정 기술은 수신된 신호의 각을 기반으로 한 AoA(Angle of Arrival), 수신된 신호의 감도를 이용한 RSSI(Recieved Signal Strength Indicator), 시간을 기반으로 한 ToA와 TDoA 등이 있다. AoA는 목표기기가 보낸 신호의 방향각을 이용하여 각을 측정하고 각 참조기기와 목표기기 사이의 방향각의 교차점을 계산하여 목표기기의 위치를 측정하는 알고리즘이며 RSSI는 미리 정의된 다양한 지점에서의 신호 세기들을 표본 수집을 통해 측정하고, 목표기기의 송신 신호를 각 참조기기들이 수신할 때 발생하는 신호의 감쇠 정도를 측정하여 확률적 방법을 통해 표본과 맵핑하여 위치를 측정하는 방법이다[3, 4]. ToA와 TDoA는 시간에 기반을 둔 방법으로 ToA는 양방향 송신을 통한 거리 측정 기술로 신호를 보내고 다시 돌려받음으로 송수신에 걸린 시간을 이용하여 거리를 계산하여 목표기기의 위치를 측정하는 기술이고, TDoA는 신호의 도달 시간만을 측정하는 단방향 송신을 통한 거리 측정 기술로 각 참조기기에 신호가 도달한 시간차를 이용하여 목표기기의 위치를 측정하는 기술이다[5].
	TDoA 방식의 단점은 무엇인가?	TDoA 방식은 참조기기와 목표기기 사이의 시각 동기화가 필요하지 않기 때문에 알고리즘 구현이 간단하다. 하지만 신호 도달 시간의 정밀함이 요구되기 때문에 각 참조기기 사이의 시간 오프셋, 다중경로 페이딩, 비가시선 효과로 인한 신호 전달의 지연 문제가 발생하는 단점이 있다.

참고문헌 (14)

J. Y. Lee and R.A. Scholtz, "Ranging in a dense multipath environment using an UWB radio link," Proc. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.20, no.9, pp.1677-1683, December 2002.
R. J. Fontana and S. J. Gunderson, "Ultra-wideband precision asset location system," Proc. IEEE Conference on UWB Systems and Technologies (UWBST), pp.147-150, May 2002.
D. Niculescu and N. Badri, "Ad hoc positioning system (APS) using AOA," Proc. 22th Joint IEEE Computer Communications Soc. (INFOCOM' 03), vol. 3, pp.1734-1743, March 2003
K. Pahlaven and X. Li, "Indoor geolocation science and technology," IEEE Commun. Mag. vol. 40, no. 2, pp.112-118, February 2002.

상세보기
IEEE 802.15-TG4a, Precision Ranging Subcommittee, "Ranging subcommittee final report," available at http://ieee802.org/15/pub/TG4a.html
강지명, 이순우, 김용화, 박영진, 김관호, "무선 동기를 이용한 IR-UWB 무선 측위 알고리즘," 전자공학회 논문지 CI편, 제45권, 제6호, pp.27-32, 2008. 11.
공형민, 성태경, 권영미, "UWB 실내 측위를 위한 TDoA 위치결정기법, 전자공학회 눈문지 TC편, 제42권, 제1호, pp.9-15, 2005. 1.
J. Foerster, E. Green, S. Somayazulu and D.Leeper, "Ultra-wideband technology for short or medium range wireless communications," Intel Technology Journal, pp.1-11, 2001.
장성진, 황재호, 최낙현, 김재명, "Iterative calculation을 이용한 UWB 위치측정에서의 오차 감소 기법," 전자공학회 논문지 TC편, 제45권, 제12호, pp.105-113, 2008. 12.
Mohamed Laaraiedh, Stephane Avrillon, Bernard Uguen, "Overcoming singularities In TDoA based location estimation using total least square," 2009 International Conference on Signals, Circuits and Systems, pp.1-4, 2009.
Geoffrey Werner-Allen, Geetika Tewari, "Fireflyinspired sensor network synchronicity with realistic radio effects," In Proc. ACM SenSys, November 2005.
H. Zhang and T. A. Gulliver, "Biorthogonal pulse position modulation for time hopping multipleaccess UWB communications," IEEE Trans. Wireless Commun., vol.4, no.3, pp.1154-1162, May 2005.

상세보기
M. Ghavami, L. B. Michael and R. Kohno "Hermite function based orthogonal pulse for UWB communications," Proc. Wireless Personal Multimedia Conference, Aalbog, Denmark, pp.437-440, September 2001.
A. F. Molisch et al., "IEEE 802.15.4a channel model-final report," IEEE 802.15.4a subgroup, Feb. 2005.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증