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CSS WPAN에서 주파수 편이를 보상하는 확장 Kalman 필터를 사용한 이동노드의 위치추정 방식
Location Estimation Method using Extended Kalman Filter with Frequency Offsets in CSS WPAN 원문보기

정보처리학회논문지. The KIPS transactions. Part C Part C, v.19C no.4, 2012년, pp.239 - 246  

남윤석 (동국대학교 경주캠퍼스 정보통신공학부)

초록
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WPAN에서 위치추정은 UWB를 사용한 선택적 기능으로 규격화되어 있다. 그러나 실제로는 위치추정 기능이 제공되고, 가격이 저렴하고 개발환경이 제공되고 있는 CSS(Chirp Spread Spectrum) 소자를 주로 사용하고 있다. CSS 소자는 2.4GHz 주파수 대역을 사용하고, 표본화 클럭 주파수가 UWB에 비하여 낮고, 시각정보추출 정확도가 떨어지므로 거리추정 오차가 크게 나타난다. 거리추정 오차는 SDS-TWR 방식을 사용하여 10m 거리에서 30cm~1m 정도로 알려지고 있으며, ($10m{\times}10m$) 환경에서 위치추정 오차는 1~2m 정도로 알려지고 있다. 따라서 보다 개선된 성능이 요구되는 응용을 위해서는 거리추정 이후의 후처리 알고리즘 개발이 중요하게 되었다. 본 논문에서는 고정노드의 주파수편이를 확장 Kalman 필터에 적용하는 방식을 연구하였으며, 각 고정노드의 주파수 편이를 공통의 상태변수와 각 고정노드별 주파수편이 상수로 구분하고 이를 통합하는 주파수편이 보상 확장 Kalman 필터 방식을 제안하였다. 제안된 방식은 CSS WPAN 노드를 사용하여 10cm 이하로 매우 정확한 위치오차 범위 내에서도 이동노드의 위치를 추정할 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The function of location estimation in WPAN has been studied and specified on the ultra wide band optionally. But the devices based on CSS(Chirp Spread Spectrum) specification has been used widely in the market because of its functionality, cheapness and support of development. As the CSS device use...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 CSS 기술의 상용 노드를 사용하여 이동노드의 위치를 정확하게 추정하고자 연구하였으며, 먼저 기존 논문에서 확장 Kalman 필터에 추가된 변수에 대한 근거를 제시하였으며, 각 노드별 주파수 편이를 추가함으로써 성능을 개선이 가능함을 확인하였다. 본 논문은 2장에서 기존의 위치추정에 사용된 확장 Kalman 필터를 소개하고, 주파수 편이 관점에서 추가된 상태변수를 해석하였으며, 3장에서 각 고정노드별 주파수 편이를 고려한 알고리즘을 제안하였으며, 4장에서 실험을 통하여 제안된 방식의 성능을 평가 분석하고, 마지막으로 앞으로의 연구방향에 대한 내용으로 구성하였다.
  • 본 논문은 CSS 기술을 적용한 노드를 사용하여 이동노드의 위치를 추정하는 시스템의 성능을 개선하기 위하여 확장 Kalman 필터에 주파수편이를 적용하는 방식에 대하여 연구하였다. 고정노드와 이동노드 쌍에서 발생하는 주파수편이를 Kalman 필터에 적용하기 위하여 Controllable 및 Observable이 보장되어야 하기 때문에 주파수 편이를 공통 변수와 각 노드 쌍의 특성을 반영하는 개별상수를 적용하는 모델을 제시하였다.

가설 설정

  • 그러나, 추가한 변수에 대한 이론적 근거로 CSS 소자의 거리추정 특성이 거리에 비례하는 오차를 포함하고 있다는 실험데이타를 기반으로 설정되었다. TWR 및 SDS-TWR 방식의 거리추정 오차는 규격에 기술된 바와 같이 노드간의 주파수편이에 기인하는 바, 공통 상태변수에 대한 해석은 주파수편이로 분석되는 것이 타당할 것이다. 따라서 각 고정노드별로 발생하는 주파수편이를 고려함으로써 이론적인 근거와 추가적인 개선의 여지가 도출 될 수 있을 것으로 기대되었다.
  • 실제거리는 고정노드와 이동노드의 좌표를 2차원으로 계산한 거리이고, 측정거리는 3차원 실험 공간에서 측정한 거리의 평균값을 사용하였다. 동일한 이동노드가 고정노드와 이동노드 쌍에 동일하게 개입되므로 이동노드의 주파수 편이는 없는 것으로 가정하고, 계산된 주파수 편이는 고정노드의 주파수편이로 배정하였다. 표에서와 같이 측정거리는 당연히 실제거리보다 항상 크게 나타나며, 주파수편이는 양의 값으로 계산된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
WPAN에서 위치추정은 무엇으로 규격화되어 있는가? WPAN에서 위치추정은 UWB를 사용한 선택적 기능으로 규격화되어 있다. 그러나 실제로는 위치추정 기능이 제공되고, 가격이 저렴하고 개발환경이 제공되고 있는 CSS(Chirp Spread Spectrum) 소자를 주로 사용하고 있다.
CSS 소자가 사용하는 주파수 대역은? 그러나 실제로는 위치추정 기능이 제공되고, 가격이 저렴하고 개발환경이 제공되고 있는 CSS(Chirp Spread Spectrum) 소자를 주로 사용하고 있다. CSS 소자는 2.4GHz 주파수 대역을 사용하고, 표본화 클럭 주파수가 UWB에 비하여 낮고, 시각정보추출 정확도가 떨어지므로 거리추정 오차가 크게 나타난다. 거리추정 오차는 SDS-TWR 방식을 사용하여 10m 거리에서 30cm~1m 정도로 알려지고 있으며, ($10m{\times}10m$) 환경에서 위치추정 오차는 1~2m 정도로 알려지고 있다.
저속 Wireless Personal Area Network에서는 어떤 연구가 진행되었는가? WPAN(Wireless Personal Area Network) 기술은 홈 네트워크, 센서네트워크 등 산업 전 분야에 적용되고 있는 중요한 기술이며, 이동노드의 위치정보를 제공하기 위한 연구가 오래전부터 진행되어 왔다. 저속 WPAN에서는 IEEE 802.15.4-2003 이후 IEEE802.15.4a 및 IEEE802.15.4b에서 각각 대체 PHY 및 PHY/MAC 기능개선 측면에서 연구가 진행되었으며, 특히 IEEE802.15.4a[1]에서는 거리추정 기술과 데이터 전송속도 등을 포함한 물리계층 기능 개선 표준기술이 연구되었다. 고속 WPAN에서는 WiMedia Alliance[2]의 PHY 규격에 IEEE802.
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참고문헌 (10)

  1. IEEE802.15.4a/D7, "Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs): Amendment to add alternate PHY," Jan., 2007. 

  2. WiMedia Alliance, "Distributed Medium Access Control (MAC) for Wireless Network," Draft 1.2, March, 2008. 

  3. IEEE802.11v, "Amendment 8 : IEEE 802 Wireless Network Management," Feb., 2011. 

  4. Zafer Sahinoglu and Sinan Gezici, "Ranging in the IEEE 802.15.4a Standard," IEEE Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON), Dec., 2006. 

  5. Yoon-Seok Nam and Ik-Hyeon Jang, "Ranging Enhancement using Frequency Offset Compensation in High Rate UWB," Journal on KIPS, Vol.16-C, No.2, pp.229-236, April, 2009. 

  6. Yoon-Seok Nam, Bub-Joo Kang, Jae-Doo Huh, and Kwang-Roh Park, "Wirelessly Synchronized One-Way Ranging Algorithm with Active Mobile Modes," ETRI Journal, Vol.31, No.4, pp.466-468, Aug., 2009. 

  7. 김학용, 김성덕, 서동길, 지정강, 장현태, "근거리 위치추적 기술 동향," 주간기술동향, 통권1322호, 1-12쪽, 2007년 11월. 

  8. J.-E. Kim, J. Kang, D. Kim, Y. Ko, and J. Kim, "IEEE 802.15.4a CSS-based localization system for wireless sensor networks," in Proc. Int. Conf. MASS, pp.1-3, Oct., 2007 

  9. Hyeonwoo Cho and Sang Woo Kim, "Mobile Robot Localization Using Biased Chirp-Spread-Spectrum Ranging", IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol.57, No.8, pp.2826-2835, August, 2010. 

  10. Bahl, P. and Padmanabhan, V. "RADAR: An In-Building RF-Based User Location and Tracking System", IEEE Infocom 2000, Vol.2, pp.775-784, Aug., 2000. 

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