위치기반서비스에서 주요기술로는 GPS가 있지만, 현재 위성 통신을 통해 위치 추정이 불가능한 실내지역의 위치추정기술로는 저 전력 근거리 통신의 연구가 주로 이루어지고 있다. 특히 첩 대역확산방식을 이용한 저 전력 근거리 통신 기술이 신호도달거리의 확장, 잡음에 대한 영향, 저 전력 데이터 통신 등 여러 가지 면에서 기존의 근거리 통신 기술보다 더 나은 특징을 보임에 따라 위치 추정을 위하여 제안된 IEEE802.15.4a의 물리계층에 표준으로 채택되었다. 하지만, 첩 대역확산 방식을 통한 측정된 거리는 기본적으로 오차를 가지는데, 이를 측정된 거리에 따라 가중치 값을 나타내는 비례 계수를 이용하여 영이 아닌 평균값을 가지는 잡음으로 모델링 할 수 있다. 하지만 초기의 빠르고 정확한 위치 추정에는 다소 시간이 걸린다. 따라서 본 논문에서는 이동 노드의 정확한 위치 추정을 위하여 최소자승법과 확장 칼만 필터를 이용하여 보다 빠르고 안정된 위치 추정 시스템을 제안한다. 끝으로 실제 위치 추정 시스템의 구현으로 한 실험 결과를 바탕으로 제안된 알고리즘의 안정된 적응성과 정확성을 평가하여 그 성능을 알아보았다.
위치기반서비스에서 주요기술로는 GPS가 있지만, 현재 위성 통신을 통해 위치 추정이 불가능한 실내지역의 위치추정기술로는 저 전력 근거리 통신의 연구가 주로 이루어지고 있다. 특히 첩 대역확산방식을 이용한 저 전력 근거리 통신 기술이 신호도달거리의 확장, 잡음에 대한 영향, 저 전력 데이터 통신 등 여러 가지 면에서 기존의 근거리 통신 기술보다 더 나은 특징을 보임에 따라 위치 추정을 위하여 제안된 IEEE802.15.4a의 물리계층에 표준으로 채택되었다. 하지만, 첩 대역확산 방식을 통한 측정된 거리는 기본적으로 오차를 가지는데, 이를 측정된 거리에 따라 가중치 값을 나타내는 비례 계수를 이용하여 영이 아닌 평균값을 가지는 잡음으로 모델링 할 수 있다. 하지만 초기의 빠르고 정확한 위치 추정에는 다소 시간이 걸린다. 따라서 본 논문에서는 이동 노드의 정확한 위치 추정을 위하여 최소자승법과 확장 칼만 필터를 이용하여 보다 빠르고 안정된 위치 추정 시스템을 제안한다. 끝으로 실제 위치 추정 시스템의 구현으로 한 실험 결과를 바탕으로 제안된 알고리즘의 안정된 적응성과 정확성을 평가하여 그 성능을 알아보았다.
Location-based services with GPS positioning technology as a key technology, but recognizing the current location through satellite communication is not possible in an indoor location-aware technology, low-power short-range communication is primarily made of the study. Especially, as Chirp Spread Sp...
Location-based services with GPS positioning technology as a key technology, but recognizing the current location through satellite communication is not possible in an indoor location-aware technology, low-power short-range communication is primarily made of the study. Especially, as Chirp Spread Spectrum(CSS) based location-aware approach for low-power physical layer IEEE802.15.4a is selected as a standard, Ranging distance estimation techniques and data transfer speed enhancements have been more developed. It is known that the distance measured by CSS ranging has quite a lot of noise as well as its bias. However, the noise problem can be adjusted by modeling the non-zero mean noise value by a scaling factor which corresponds to the change of magnitude of a measured distance vector. In this paper, we propose a localization system using the CSS signal to measure distance for a mobile node taken a measurement of the exact coordinates. By applying the extended kalman filter and least mean squares method, the localization system is faster, more stable. Finally, we evaluate the reliability and accuracy of the proposed algorithm's performance by the experiment for the realization of localization system.
Location-based services with GPS positioning technology as a key technology, but recognizing the current location through satellite communication is not possible in an indoor location-aware technology, low-power short-range communication is primarily made of the study. Especially, as Chirp Spread Spectrum(CSS) based location-aware approach for low-power physical layer IEEE802.15.4a is selected as a standard, Ranging distance estimation techniques and data transfer speed enhancements have been more developed. It is known that the distance measured by CSS ranging has quite a lot of noise as well as its bias. However, the noise problem can be adjusted by modeling the non-zero mean noise value by a scaling factor which corresponds to the change of magnitude of a measured distance vector. In this paper, we propose a localization system using the CSS signal to measure distance for a mobile node taken a measurement of the exact coordinates. By applying the extended kalman filter and least mean squares method, the localization system is faster, more stable. Finally, we evaluate the reliability and accuracy of the proposed algorithm's performance by the experiment for the realization of localization system.
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문제 정의
다음은 앞선 실험 결과를 토대로 제안한 위치 추정 시스템에 대하여 정확성과 안정성을 알아보고자 한다.
따라서 본 논문에서는 이동 노드의 정확한 좌표 측정을 위하여 2.45GHz대역의 신호를 사용하는 첩 대역확산 거리 측정 방법을 이용한 위치 추정 시스템을 제안하고자 한다. 하지만, 첩 대역확산 방식을 통한 측정된 거리는 기본적으로 오차를 가지면서도 또한 바이어스에 대한 문제점도 갖는데 이는 측정된 거리에 따라 가중치 값을 나타내는 비례 계수를 이용하여 영이 아닌 평균값을 가지는 잡음으로 모델링될 수 있다[16].
본 논문은 IEEE802.15.4a의 2.45GHz 대역 표준으로 채택된 첩 대역 확산 거리측정을 이용하여 이동 노드의 정확한 좌표 측정을 위한 위치 추정 시스템을 제안하였다. 첩 대역확산 통신기술은 IEEE802.
본 실험에서는 실내 환경에서 이동 노드의 위치 추정을 위한 시스템을 실제 구현하였다. 실험 장비는 SDS-TWR 기법을 통해 삼각측량으로 위치를 추정하고, IEEE802.
본 실험은 위치 추정의 정확성을 확인하기 위하여 이동 노드가 정적인 상태로 이동 노드의 위치를 적절히 번갈아 가며 수행하였다. 다음에 나오는 그림들은 이동 노드가 알려진 위치에 있을 때 획득된 거리 정보들이며, 실험의 신뢰성을 보다 높이기 위해 이동 노드가 좌표 상 (0, 0)을 중심으로 (2.
이런 문제들을 개선하고자 IEEE 표준 위원회에서 기존 IEEE802.15.4의 물리 계층을 변경하여 무선 통신을 기반으로 노드간의 거리를 측정할 수 있는 기술에 대해 발표하였다. 그리하여 Zigbee를 이용하는 근거리 무선통신에서 첩 대역확산(Chirp Spread Spectrum; CSS)와 UWB(Ultra-Wideband)를 선택적으로 사용하게 하는 IEEE802.
가설 설정
물론 바이어스 벡터는 확실하게 알려지지 않았으므로 명확하게 추정하기 어렵다. 그러나 측정 거리 벡터의 크기와 방향이 바이어스 벡터에 의해 변한다는 가정으로 실제 거리 벡터를 추정할 수 있다[16].
만약, 측정 거리가 길어지거나 짧아질 경우 해당 평균 오차 역시 유사한 비율로 커지거나 줄어들 것이며, 이는 실험 환경에 따라 약간의 오차를 발생시키지만 같은 순간 그 정도가 균일하다는 가정으로 한다.
일반적으로 고정 노드와 이동 노드가 모두 동기화된 상태에서 이동 노드의 위치를 인식하는데 사용되며, 각 고정 노드는 이미 알려진 위치에 설치되어 있다고 가정한다. 이 경우 예를 들어 이동 노드에서 송신시각의 Timestamp를 포함한 패킷을 전송한다면 고정 노드는 신호의 수신시각을 인지함으로써 이동 노드와의 거리를 인식할 수 있다.
제안 방법
그러나 이는 분명 실제 추정 값까지 수렴하는데 어느 정도 시간을 요하므로, 빠른 위치 추정을 하는데 있어서는 시간 지연과 같은 문제가 발생할 수밖에 없다. 고로, 본 논문에서는 확장 칼만 필터 알고리즘을 수행하면서 맨 처음으로 적용되는 초기 값을 실제치의 근사한 값부터 적용시킴으로써 보다 빠르고 안정적인 값을 유도하도록 한다.
고로, 본 논문에서는 확장 칼만 필터에 의해 비선형 상태 방정식으로 표현하였으며 이에 상태 벡터의 한 차원을 높임으로써 보다 세밀한 위치 추정과 함께 확장 칼만 필터의 최초 수행에 있어서 적응형 알고리즘 중에서 가장 간단하면서도 성능이 우수하여 가장 많이 사용되는 최소자승법을 통해 초기 실제 근사치의 값을 적용하여 보다 빠르고 안정된 위치 추정 시스템을 제안한다.
먼저, 칼만 필터 알고리즘의 계산 과정을 살펴보면, 초기 값을 선정한 다음, 예측 단계로 시스템 모델을 기초로 다음 시각에 상태와 오차공분산을 계산한다. 그리고 앞서 계산한 오차 공분산을 이용하여 시스템 모델 변수와 함께 칼만 이득을 계산하여, 예측 과정의 예측값뿐만 아니라, 측정값을 전달 받아 칼만 이득을 이용하여 측정값과 예측 값과의 차이를 보상해서 새로운 추정 값을 얻어낸다. 끝으로 오차 공분산을 구하는 단계로서 오차 공분산은 추정 값이 얼마나 정확한지를 알려주는 척도로, 보통 오차 공분산을 검토해서 앞서 계산한 추정 값을 믿고 쓸지 아니면 버릴지를 판단한다.
먼저, 칼만 필터 알고리즘의 계산 과정을 살펴보면, 초기 값을 선정한 다음, 예측 단계로 시스템 모델을 기초로 다음 시각에 상태와 오차공분산을 계산한다. 그리고 앞서 계산한 오차 공분산을 이용하여 시스템 모델 변수와 함께 칼만 이득을 계산하여, 예측 과정의 예측값뿐만 아니라, 측정값을 전달 받아 칼만 이득을 이용하여 측정값과 예측 값과의 차이를 보상해서 새로운 추정 값을 얻어낸다.
본 논문에서는 다중 경로와 방해 전파가 심각한 실내 환경에서 이동 노드의 정밀한 위치 추정을 가능하게 하기 위해 선형 및 비선형의 상태를 추적하는 재귀 필터인 확장 칼만 필터를 이용하여 잡음 오차를 최소화시키기 위해 측정된 거리에 따라 움직이는 비례 계수를 추가적으로 적용된 모델을 기반으로 하였으며, 이에 상태 벡터의 차원을 한 차원 더 높임으로써 보다 정밀한 위치 추정과 함께 더불어 확장 칼만 필터의 최초 수행에 있어서 적응형 알고리즘 중에서 가장 간단하면서도 성능이 우수하여 많이 사용되는 최소자승법을 통해 초기 실제 근사치 값을 설정하여 보다 빠르고 안정적인 위치 추정 시스템을 제안하였다.
본 논문은 제안한 알고리즘의 성능을 알아보기 위해서 LMSE로 위치 추정한 경우, 2차원으로 확장 칼만 필터를 적용한 경우, 2차원 확장 칼만 필터에서 바이어스가 적용된 경우, 3차원으로 확장 칼만 필터가 적용된 경우와 비교하여 정확성과 안정성에 대하여 살펴본다.
대상 데이터
실험 장비는 SDS-TWR 기법을 통해 삼각측량으로 위치를 추정하고, IEEE802.15.4a 표준화 통신(최대 속도 2Mbps, 기존 CC2420은 250kbps)을 지원할 수 있는 독일 나노트론사가 개발한 nanoLOC 칩을 장착한 한백 전자의 “Ubi-nanoLOC” 제품을 사용하였다.
이론/모형
그러나 본 논문에서는 노드간의 거리 측정을 위해 크리스털 오차에 의한 오류의 약점이 있는 TWR 기법보다는 TWR의 확장 기술로 볼 수 있는 SDS-TWR (Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging)기법을 이용한다.
4a의 표준 물리 계층으로 TOF 방식으로 송수신 장치의 왕복시간을 이용하는 SDS-TWR을 사용하여 노드와 노드 사이의 거리 값인 Ranging 값을 이용한다. 그리고 3개 이상의 고정노드로부터 Ranging 값이 수신되면 삼변측량법을 이용하여 이동 노드의 위치 정보를 획득하게 된다.
4의 물리 계층을 변경하여 무선 통신을 기반으로 노드간의 거리를 측정할 수 있는 기술에 대해 발표하였다. 그리하여 Zigbee를 이용하는 근거리 무선통신에서 첩 대역확산(Chirp Spread Spectrum; CSS)와 UWB(Ultra-Wideband)를 선택적으로 사용하게 하는 IEEE802.15.4a 표준을 발표하였다[9]. IEEE802.
본 논문에서는 대표적으로 Ranging 값을 이용하여 위치를 추정하는 방법 중 하나인 TOA(Time Of Arrival)알고리즘을 이용한다. TOA 알고리즘은 3개 이상의 센서노드로부터 각 거리를 측정하여 원을 그려 교점을 만들어 현재의 위치 좌표를 찾아낼 수 있다.
45GHz 대역 표준으로 채택된 첩 대역 확산 거리측정을 이용하여 이동 노드의 정확한 좌표 측정을 위한 위치 추정 시스템을 제안하였다. 첩 대역확산 통신기술은 IEEE802.15.4a의 표준 물리 계층으로 TOF 방식으로 송수신 장치의 왕복시간을 이용하는 SDS-TWR을 사용하여 노드와 노드 사이의 거리 값인 Ranging 값을 이용한다. 그리고 3개 이상의 고정노드로부터 Ranging 값이 수신되면 삼변측량법을 이용하여 이동 노드의 위치 정보를 획득하게 된다.
초기 실제 근사치 값부터 얻는 방법은 적응형 알고리즘 중에서 가장 간단하면서 성능이 우수하여 많이 사용되는 LMS(Least Mean Square)을 이용한다. 단, 여기서 m은 측정된 고정 노드의 개수를 나타내며, 다음은 m개의 고정노드와 이동노드 간의 거리 관계를 나타낸 것이다.
성능/효과
자세히 살펴보면 각각의 위치 추정 알고리즘은 반복적으로 수행됨에 따라 대부분 추정되는 X, Y좌표 추정 오차가 안정적으로 감소되는 것을 알 수 있다. 그러나 제안된 알고리즘으로 추정된 오차가 재빠르게 감소되어 어느 일정한 수준에 먼저 수렴해 나가는 것을 확인할 수 있었으며 보다 안정적인 결과를 보여주고 있다.
또한 4번의 실험 전부 제안한 알고리즘의 좌표 추정이 실제 거리와의 오차가 최소 5 Cm, 최대 20 Cm으로 나타났으며, 타 위치 추정 알고리즘과 비교해 볼 때 제안한 위치 추정 알고리즘의 오차가 보다 작게 나타나므로 실제 좌표에 근사한 값으로 추정됨을 알 수 있었다. 그러므로 제안된 위치 추정 알고리즘은 일반적인 확장 칼만 필터로 계산되는 위치 추정 보다 높은 신뢰성과 실제 좌표로의 빠른 수렴성과 안정성을 보여줌을 알 수 있었다.
끝으로 실제 위치 추정 시스템을 구현하여 위치 추정 알고리즘의 정확성을 평가하여 그 성능을 알아보았으며, 또한 실험 결과를 통해 실제 노드 좌표에 보다 빠르고 안정된 좌표 추정이 이루어짐을 알 수 있었다.
또한 4번의 실험 전부 제안한 알고리즘의 좌표 추정이 실제 거리와의 오차가 최소 5 Cm, 최대 20 Cm으로 나타났으며, 타 위치 추정 알고리즘과 비교해 볼 때 제안한 위치 추정 알고리즘의 오차가 보다 작게 나타나므로 실제 좌표에 근사한 값으로 추정됨을 알 수 있었다. 그러므로 제안된 위치 추정 알고리즘은 일반적인 확장 칼만 필터로 계산되는 위치 추정 보다 높은 신뢰성과 실제 좌표로의 빠른 수렴성과 안정성을 보여줌을 알 수 있었다.
하지만 실제 실험을 통해 살펴본다면 측정 거리는 매 샘플마다 변동하며 값은 ‘0’이 아닌 평균과 분산을 가지는 잡음으로 모델링 할 수 있었다.
후속연구
앞서 이동 노드의 위치 추정을 위해 비선형 상태 공간 방정식의 상태 벡터를 식 (2)로 정의한 바 있다. 그러나 이동 노드의 현재 위치를 나타내기 위하서는 2차원 좌표면 충분하지만, 보다 정밀한 위치 정보를 얻기 위해서는 2차원상의 좌표를 구체화시켜 3차원으로 나타낼 수 있다면 훨씬 정확한 현재 위치를 찾아낼 수 있을 것이다. 그러므로 비선형 상태 공간 방정식의 상태 벡터를 한 차원 높일 수 있으며, 이로써 추정하는 이동 노드의 위치를 3차원상의 좌표로 표현할 수 있다.
차후에는 실내 환경의 특성상 보다 더 정밀하고 조밀한 위치 추정의 시도가 필요할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
첩 대역확산방식을 이용한 저 전력 근거리 통신 기술이 기존의 근거리 통신 기술보다 더 우수한 점은 무엇인가?
위치기반서비스에서 주요기술로는 GPS가 있지만, 현재 위성 통신을 통해 위치 추정이 불가능한 실내지역의 위치추정기술로는 저 전력 근거리 통신의 연구가 주로 이루어지고 있다. 특히 첩 대역확산방식을 이용한 저 전력 근거리 통신 기술이 신호도달거리의 확장, 잡음에 대한 영향, 저 전력 데이터 통신 등 여러 가지 면에서 기존의 근거리 통신 기술보다 더 나은 특징을 보임에 따라 위치 추정을 위하여 제안된 IEEE802.15.
실내 위치 인식 기술 Active Badge의 특징은 무엇인가?
Active Badge의 경우는 시스템 구성은 간단하지만 사용자가 증가함에 따라 충돌 발생률이 높아질 수 있고 또한 정밀한 위치인식이 어렵다는 단점이 있다. Cricket 시스템의 경우, 이동노드에서 처리해야 할 계산량이 많기 때문에 이동 노드의 충분한 계산능력이 요구된다.
위성 통신을 통해 위치 인식이 불가능한 실내 지역의 위치 추정을 위한 기술의 사례엔 무엇이 있는가?
대표적인 예로 적외선, 유무선 및 초음파를 사용한 AT&T의 Active Bat[5], 초음파와 RF를 사용한 MIT의 Cricket 시스템[6], WLAN의 RSSI를 사용한 Microsoft 사의 RADAR[7], UWB(Ultra Wideband) 신호를 사용한 UbiSense 사의 UbiSense 등이 있다.
참고문헌 (16)
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