[논문]NLOS 환경에서 TDOA 위치 추정 성능 향상을 위한 시간 지연 역추적 기법

이현재; 오창헌

doi:10.12673/jkoni.2012.16.2.297

NLOS 환경에서 TDOA 위치 추정 성능 향상을 위한 시간 지연 역추적 기법
Time Delay Traceback Scheme for Performance Enhancement of TDOA Location Estimation in NLOS Environment 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.16 no.2 = no.53, 2012년, pp.297 - 306

초록
AI-Helper

본 논문에서는 NLOS(non-line-of-sight) 환경에서 신뢰성 있는 LBS(location based service)를 제공하기 위해, TDOA(time difference of arrival) 위치 추정 성능 향상을 위한 시간 지연 역추적 기법을 제안하고, 다양한 사용조건에서 성능을 분석하였다. 제안하는 위치 추정 기법은 탐색영역 주변에 복수의 리더를 배치하여 송신된 신호를 리더 조합(reader combination) 수만큼 재활용 하는 방안을 적용하였다. 또한, NLOS에 의한 성능 열화를 개선하기 위해 리더가 수신한 시간에서 일정한 시간 간격을 빼주면서 위치를 재추정하는 기법을 적용하였다. 실험 결과 제안하는 시간 지연 역추적 기법을 적용하였을 때, NLOS 시간 지연 70 m에서 NLOS 리더를 3개로 가정하고 Sub-blink 수를 3회로 하였을 때 약 16 m의 RMSE 개선을 확인 할 수 있었다. 이와 같은 결과를 통해 NLOS 환경에서 LBS 서비스 제공을 위해 요구되는 위치 추정 기법으로 본 논문에서 제안하는 시간 지연 역추적 기법이 적합함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a Time Delay Traceback Scheme for the TDOA location estimation performance enhancement in NLOS environment and analyze the performance in various conditions. We place multiple readers in a square($300m{\times}300m$) searching area for reuse of received signal. Also, we use more active NLOS reader detection methode for NLOS error mitigation. when NLOS time delay 70 m, the number of the NLOS reader is 3 and the received sub-blinks number 3, proposed time delay trace-back scheme improve the RMSE about 16 m. From these results, we confirm that the proposed time delay traceback scheme is well-suited for the high precision location estimation to offer the location based service.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 NLOS 환경에서 신뢰성 있는 사용자 위치 정보 제공을 위해 USN(ubiquitous sensor network)의 효율적인 위치 추정 방법으로 연구되고 있는 TDOA(time difference of arrival) 기법을 기반으로 하여, TDOA 위치 추정 성능 향상을 위한 시간 지연 역추적(time delay trace-back, time offset trace-back) 기법을 제안하고 그 성능을 분석하였다.
본 논문에서는 NLOS 환경에서 신뢰성 있는 LBS를 제공하기위해, TDOA 위치 추정 성능 향상을 위한 시간 지연 역추적 기법을 제안하고, 다양한 사용 조건에서 성능을 분석하였다. 탐색영역은 300 m × 300 m의 2차원 평면으로 위치추정의 대상이 되는 태그들은 탐색영역 내에 3 m 간격으로 균일하게 분포한다고 가정하였으며, 전파환경은 LOS와 NLOS 가 혼재하는 환경을 가정하였다.
본 장에서는 TDOA 위치 추정 시스템에 적용된 위치 추정 기법 및 근의 판정 과정과 함께 제안하는 시간 지연 역추적 기법에 대해 기술한다.

가설 설정

또한 임의의 태그에서 송신한 한 번의 송신 신호가 겪는 NLOS에 의한 지연은 태그간, 리더간, sub-blink 간 모두 독립이고, 평균이 ‘0’이고 분산이 σ²인 IID(independently and identically distributed) 백색 잡음이다. 그리고 본 논문에서는 임의의 태그가 송신한 신호가 리더에게 모두 수신될 때 까지 채널이 변하지 않는 것으로 가정하였다.
두 개의 근에 대한 판정에 있어서 가장 기본적인 가정은, 두 근 중 최소 한 개의 근은 리더들로부터 수신(실측)된 시간 정보에 의해 계산된 시간차 정보 dTOA12, dTOA32과 매우 유사하거나 같은 시간차 정보를 갖는다는 것이다. 따라서 각각의 근이 지시하는 좌표에 가상의 태그를 설정하고 dTOA12, dTOA32를 구할 때 사용한 리더들에게 가상의 신호를 송신하였을 때 계산되는 시간차 정보와 실측에 의한 시간차 정보인 dTOA12와 dTOA32을 비교하여 가장 적은 차이를 나타내는 근의 위치를 실제 신호를 송신한 태그의 위치로 판정할 수 있다.
TDOA 기법을 이용한 위치추정의 연산은 다음과 같다. 먼저 추정하고자 하는 미지의 태그 위치를 (x , y)로, (x_k , y_k)는 가용할 수 있는 리더의 X, Y 2차원 좌표로 가정한다. 여기서 c 는 빛의 속도 상수이다.
첫 번째 단계는 리더 조합의 수만큼 태그 위치를 추정하는 단계이다. 본 논문에서는 송신된 신호가 신호의 강도와 독립적으로 모든 가용리더에서 수신 가능한 것으로 가정한다. 전체 가용 리더의 수가 8이라고 가정하면, 최대 리더 조합의 수는 중복을 포함하여 8개의 리더에서 3개의 리더를 선택하는 경우의 수와 같다.
실험 환경은 표 1과 같으며, 탐색범위 내에 LOS와 NLOS가 혼재하는 전파 환경을 가정하였다.
탐색영역은 300 m × 300 m의 2차원 평면으로 위치추정의 대상이 되는 태그들은 탐색영역 내에 3 m 간격으로 균일하게 분포한다고 가정하였으며, 전파환경은 LOS와 NLOS 가 혼재하는 환경을 가정하였다.

제안 방법

이때, D/B의 개수는 M으로 가정한다. 두 번째 단계로 위치 추정시 획득된 리더 별 수신 신호 D/B를 이용하여 각 리더별 시간 지연 역추적 과정을 수행한다. 리더가 R1부터 R8까지 존재한다고 가정하였을 때, 각 리더의 수신 시간은 각각 {t_r1 , t_r2 … t_r8 }로 나타낼 수 있다.
그러나 본 논문에서는 (1, 1, 1)와 같이 3개의 리더 모두가 동일하여 위치 추정이 불가능한 경우와 (1, 2, 2)와 같이 2개의 리더만 선택한 경우 등을 제외 시켰다. 또한, 리더들의 기하하적 위치를 고려해서 선택된 3개의 리더가 동일선상에 위치하는 경우 등을 피할 수 있도록 리더의 순서를 부여 하였다. 이것은 리더들의 기하하적인 배치에 따라 추정 성능의 변화가 발생하기 때문이다[8].
본 논문에서 제안하는 TDOA 위치 추정 시스템을 위한 시간 지연 역추적 기법은 그림 3과 같이 크게 2가지 단계를 거치게 된다. 첫 번째 단계는 리더 조합의 수만큼 태그 위치를 추정하는 단계이다.
본 장에서는 NLOS가 존재하는 300 m × 300 m의 탐색영역을 대상으로 sub-blink 송신 횟수, NLOS에 의한 시간 지연의 변화와 같은 시스템 변수들을 변화시켜 가며 제안하는 시간 지연 역추적 기법을 적용한 TDOA 위치 추정 기법의 성능을 검증한다.
이 과정을 리더 8번까지 반복한다. 세 번째로 이 과정을 통해 얻어진 D/B를 기반으로 추정치들의 최소 분산 차수가 최대인 리더 또는 최대 빈도 차수가 최소인 리더를 선정한다. 선정된 리더의 수신 시간 t_rh에서 차수와 t_TB의 곱만큼을 제거해준 t_rh′ (h ={1,2,3.
제안하는 시간 지연 역추적 기법을 적용한 TDOA 위치 추정 기법의 첫 번째 특징은 복수의 리더를 탐색영역 주변에 배치하여 태그로부터 수신된 한 번의 정보를 리더 조합의 수만큼 반복사용 함으로써, 고정밀 위치 정보의 제공과 함께 태그의 효율적 에너지 사용에 기여 할 수 있도록 하였다. 두 번째 특징은 추가적인 부가정보 없이 리더들로부터 수신된 시간정보들을 대상으로 수신된 시간에서 일정한 오프셋 이전의 수신시간으로 가정하여 위치 추정을 반복 진행함으로써, NLOS 환경에 놓인 리더를 구분하고 태그로부터 송신된 신호가 겪은 시간지연의 양을 알 수 있다는 장점을 갖는다.
시간 지연 역추적 기법의 진행은 다음과 같다. 첫 번째 단계로 이전 단계에서 얻어진 위치 추정 D/B를 이용하여 Var_ref 와 가장 많은 빈도수를 갖는 X , Y 좌표 (x_est-ref , y_est-ref ) 와 빈도수 W_ref등의 결정 파라미터를 구한다. 이때, D/B의 개수는 M으로 가정한다.

대상 데이터

본 논문에서 고려한 리더의 배치 형태는 그림 5와 같이 탐색 영역의 외곽선을 따라 리더를 배치한 사각형 배치이다. 사각형 배치는 탐색영역의 확장과 같은 실제 환경의 적용면에서 유리할 것으로 예상된다.
본 논문에서는 ISO/IEC FDIS 24720에서 고려된 위치 추정 시스템을 대상으로 하였다. 시스템 구성은 송수신 단말인 리더, 위치추정 대상의 정보를 송신하는 태그, 리더를 통해 정보를 수집·응용하는 서버 어플리케이션으로 구분된다.
송신된 태그 신호들은 모두 리더에 도착한 것으로 한다. 탐색범위 내에 존재하는 태그의 위치는 3 m 간격으로 균일 분포시켰으며, 총 수는 10,201개이다. 위치 추정 성능은 각 태그들의 실제위치와 추정 위치사이에 존재하는 오차거리의 RMSE(root mean square error)를 이용하여 나타내었다.

데이터처리

탐색범위 내에 존재하는 태그의 위치는 3 m 간격으로 균일 분포시켰으며, 총 수는 10,201개이다. 위치 추정 성능은 각 태그들의 실제위치와 추정 위치사이에 존재하는 오차거리의 RMSE(root mean square error)를 이용하여 나타내었다.

성능/효과

의 RMSE와 본 논문에서 제안하는 시간 지연 역추적(TOTB) 기법의 RMSE 성능을 나타내었다. Sub-blink가 3회일 때 제안하는 TOTB 기법의 RMSE가 5.5 m 로 RC만을 활용한 방법의 RMSE 10.8 m 에비해 약 5.3 m 개선된 것을 알 수다.
의 성능과 제안하는 TOTB 기법의 RMSE 성능을 나타 내었다. Sub-blink가 3회일 때, RC만을 활용한 방법의 RMSE가 23.7 m인 반면 제안하는 TOTB 기법의 RMSE 가 7.7 m로 RC만을 활용한 방법에 비해 약 16 m 개선된 것을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안하는 TOTB 기법이 시간 지연이 증가하였을 때에도 효과적으로 위치 추정이 가능 하다는 것을 알 수 있다.
제안하는 시간 지연 역추적 기법을 적용한 TDOA 위치 추정 기법의 첫 번째 특징은 복수의 리더를 탐색영역 주변에 배치하여 태그로부터 수신된 한 번의 정보를 리더 조합의 수만큼 반복사용 함으로써, 고정밀 위치 정보의 제공과 함께 태그의 효율적 에너지 사용에 기여 할 수 있도록 하였다. 두 번째 특징은 추가적인 부가정보 없이 리더들로부터 수신된 시간정보들을 대상으로 수신된 시간에서 일정한 오프셋 이전의 수신시간으로 가정하여 위치 추정을 반복 진행함으로써, NLOS 환경에 놓인 리더를 구분하고 태그로부터 송신된 신호가 겪은 시간지연의 양을 알 수 있다는 장점을 갖는다. 이때, NLOS 신호인지 LOS 신호인지를 구분하는 파라미터로 추정 위치들이 형성 하는 2차원 오차 타원체 영역의 분산, 표준편차, 추정 위치별 무게(weight) 등이 고려된다[4][5].
두 개의 근에 대한 판정에 있어서 가장 기본적인 가정은, 두 근 중 최소 한 개의 근은 리더들로부터 수신(실측)된 시간 정보에 의해 계산된 시간차 정보 dTOA12, dTOA32과 매우 유사하거나 같은 시간차 정보를 갖는다는 것이다. 따라서 각각의 근이 지시하는 좌표에 가상의 태그를 설정하고 dTOA12, dTOA32를 구할 때 사용한 리더들에게 가상의 신호를 송신하였을 때 계산되는 시간차 정보와 실측에 의한 시간차 정보인 dTOA12와 dTOA32을 비교하여 가장 적은 차이를 나타내는 근의 위치를 실제 신호를 송신한 태그의 위치로 판정할 수 있다.
7 m로 RC만을 활용한 방법에 비해 약 16 m 개선된 것을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안하는 TOTB 기법이 시간 지연이 증가하였을 때에도 효과적으로 위치 추정이 가능 하다는 것을 알 수 있다.
전체 90% 확률 지점에서는 약 25 m 정도 개선된 것을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안하는 시간 지연 역추적 기법이 다양한 시간 지연과 환경에 놓여있는 각각의 태그들에 대해 효과적으로 NLOS에 의한 시간 지연을 개선시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
3 m 의 RMSE 개선 효과를 얻을 수 있었다. 또한, NLOS 의 영향이 증대된 시간 지연 70 m 환경에서도 약 16 m 정도 RMSE 개선 효과를 확인 할 수 있었다.
실험 결과, 시간 지연 이 30m, NLOS 환경에 있는 리더의 수는 3, sub-blink 3회를 송신할 경우 리더 조합만을 고려한 위치 추정 방식보다 약 5.3 m 의 RMSE 개선 효과를 얻을 수 있었다. 또한, NLOS 의 영향이 증대된 시간 지연 70 m 환경에서도 약 16 m 정도 RMSE 개선 효과를 확인 할 수 있었다.
그림 8에 시간 지연이 30 m 이고, NLRD 3개인 조건에서 리더 조합(RC) 만을 가지고 위치 추정을 진행한 Ref. 의 RMSE와 본 논문에서 제안하는 시간 지연 역추적(TOTB) 기법의 RMSE 성능을 나타내었다. Sub-blink가 3회일 때 제안하는 TOTB 기법의 RMSE가 5.
그림 9에 시간 지연이70 m 이고, NLRD 3개인 조건에서 RC 만을 가지고 위치추정을진행한 Ref.의 성능과 제안하는 TOTB 기법의 RMSE 성능을 나타 내었다. Sub-blink가 3회일 때, RC만을 활용한 방법의 RMSE가 23.
이와 같은 실험 결과를 통해 본 논문에서 제안하는 시간 지연 역추적 기법을 적용한 위치 추정 기법이 NLOS 와 LOS 가 혼재하는 환경에서도 안정적인 고정밀 위치 추정 성능의 확보가 가능함을 확인 할 수 있었다. 그러므로 신뢰성 있는 LBS 서비스 제공을 위해 요구되는 위치추정 기법으로 본 논문에서 제안하는 시간 지연 역추적 기법을 적용할 수 있으며, 향후 협력 위치 추정 등의 측면에서도 효율적 위치 추정 기법으로 고려될 수 있을 것이다.
와 비교해 보았을 때 약 20 m 정도 개선된 것을 알 수 있다. 전체 90% 확률 지점에서는 약 25 m 정도 개선된 것을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안하는 시간 지연 역추적 기법이 다양한 시간 지연과 환경에 놓여있는 각각의 태그들에 대해 효과적으로 NLOS에 의한 시간 지연을 개선시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
지금까지의 실험결과 분석을 통해 본 논문에서 제안하는 시간 지연 역추적 기법이 NLOS에 의한 시간 지연이 존재하는 환경에서도 안정적인 위치추정 성능을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이와 같은 실험 결과를 통해 본 논문에서 제안하는 시간 지연 역추적 기법을 적용한 위치 추정 기법이 NLOS 와 LOS 가 혼재하는 환경에서도 안정적인 고정밀 위치 추정 성능의 확보가 가능함을 확인 할 수 있었다. 그러므로 신뢰성 있는 LBS 서비스 제공을 위해 요구되는 위치추정 기법으로 본 논문에서 제안하는 시간 지연 역추적 기법을 적용할 수 있으며, 향후 협력 위치 추정 등의 측면에서도 효율적 위치 추정 기법으로 고려될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위치기반 서비스(location-based service)의 사회, 경제적인 요구가 급격히 증대된 배경은 무엇인가?	최근 발전된 다양한 센서 기술과 향상된 모바일 컴퓨팅 능력의 융합을 통한 스마트폰과 같은 개인이동 단말의 급격한 확산을 통해 위치기반 서비스(location-based service)의 사회, 경제적인 요구가 급격히 증대되고 있다.
	궁극적인 위치기반 서비스 제공에 있어서 요구되는 여러 기술적, 기능적 요소 기술들 가운데 하드웨어 및 기반기술 요소들을 요약한다면 무엇이 있겠는가?	이와 같은 생활방식의 변화와 자유를 제공하게 될 궁극적인 위치기반 서비스 제공에 있어서 요구되는 여러 기술적, 기능적 요소 기술들 가운데 하드웨어 및 기반기술 요소들을 요약한다면 크게 두 가지 정도로 요약할 수 있을 것이다. 첫번째는 다양한 센싱 기술들과 결합되어 사용자 및 서비스 대상에 대한 정보를 획득할 수 있는 포괄적 상황인식(context-aware) 이고, 두 번째는 사물 및 서비스 대상에 대한 실시간 위치정보의 획득 및 추적을 위한 위치인식이다. 특히, 실내·실외든 서비스 대상의 위치적 한계에 대한 구분 없이 고정밀 위치정보를 획득 및 추적하는 기술은 위치기반 서비스 제공을 위한 기반 인프라 제공이라는 측면에 있어 우선해야할 핵심요소 기술이다.
	위치기반 서비스란?	현재 위치기반 서비스는 위치정보를 활용해 업무 생산성 개선 및 다양한 생활편의를 제공하는 서비스로 전통적인 의미에 이용자 정보, 증강현실(augmented reality), 소셜 네트워크 서비스(social network service)를 결합함으로써 고도화 되고 파급력을 가지게 되었다[1]. 이와 같은 생활방식의 변화와 자유를 제공하게 될 궁극적인 위치기반 서비스 제공에 있어서 요구되는 여러 기술적, 기능적 요소 기술들 가운데 하드웨어 및 기반기술 요소들을 요약한다면 크게 두 가지 정도로 요약할 수 있을 것이다.

참고문헌 (8)

정구민, 최완식, "스마트폰 위치기반서비스(LBS) 기술 동향," TTA Journal, No. 130, 2010, pp. 75-81.
T. G. Kanter, "Attaching context-aware services to moving locations," IEEE Internet Computing, vol. 7, Iss. 2, Mar/Apr, 2003, pp. 43-51.

상세보기
김학용, "무선랜 기반 위치정보 서비스," Telecommunications Review, 2006년, pp. 188-202.
Cong, L. and Weihua Zhuang, "Non-line-of-sight error mitigation in TDOA mobile location ," IEEE Global Telecommunications Conference, 2001. Volume: 1, pp: 680-684
박지원, 박지희, 송승헌, 성태경, "다중경로 환경에서의 TOA방식과 TDOA방식의 측위성능 비교," 전기학회논문지, 제58권 제2호, 2009.2, pp. 415-429.
ANSI/INCITS 371.1, "Real Time Locating Systems (RTLS)-Part 1: 2.4 GHz air interface protocol," 2005.
JTC 1/SC 31/WG 5: "Real Time Locating Systems (RTLS)-Part 2: 2.4 GHz air interface," Feb. 2005.
Burke, B.P., Pratt, M.M. and Misra, P., "GPS Performance in Navigation," Proceedings of the IEEE, Jan 1999. Vol. 87, Iss.1, pp: 65-85

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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].

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