[논문]선박 내 위치인식 및 개인 정보 전달을 위한 WBAN 기반 WUSB 기술 연구

김범무; 허경; 이연우; 이성로

doi:10.7840/kics.2013.38c.3.318

선박 내 위치인식 및 개인 정보 전달을 위한 WBAN 기반 WUSB 기술 연구
Research for applying WUSB over WBAN Technology to Indoor Localization and Personal Communications in a Ship 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.38C no.3, 2013년, pp.318 - 326

김범무 (목포대학교 전자공학과) , 허경 (경인교육대학교 컴퓨터교육과) , 이연우 (목포대학교 정보통신공학과) , 이성로 (목포대학교 정보전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 선박 내 실내에서 개인 정보 전달의 효율성을 높이는 WUSB over WBAN 프로토콜 구조와 본 프로토콜에 기초한 실내 위치인식 기술을 제안한다. 이를 위해 전력 소모를 최소화 하면서 정밀한 위치 인식이 가능한 위치인식알고리즘을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 위치인식알고리즘은 WUSB over WBAN 프로토콜 기반 센서 노드에서 GPS 없이 독립적으로 실행되어 측정된 값을 사용하여, 각 센서 노드의 위치를 추정함으로써 전력소모를 최소화한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a novel WUSB (Wireless USB) over WBAN (Wireless Body Area Networks) MAC protocol is proposed to improve efficiency of sensing the personal information. Furthermore, a localization technique based on that protocol is also proposed for indoor localization in a ship. For this purpose, the proposed localization algorithm minimizes power consumption and estimates location with accuracy. It is executed independently at each sensor node on the basis of WUSB over WBAN protocol. And it minimizes power consumption by estimating locations of sensor nodes without GPS (Global Positioning Systems).

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 선박 내 실내에서 개인 정보 전달의 효율성을 높이는 WUSB over WBAN 프로토콜 구조와 본 프로토콜에 기초한 실내 위치인식 기술을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 위치인식알고리즘은 WUSB over WBAN 프로토콜 기반 센서 노드에서 GPS 없이 독립적으로 실행되어 측정된 값을 사용하여, 각 센서 노드의 위치를 추정함으로써 전력소모를 최소화한다.
본 논문에서는 선박 내 실내에서 개인 정보 전달의 효율성을 높이는 WUSB over WBAN 프로토콜 구조와 본 프로토콜에 기초한 실내 위치인식 기술을 제안한다. 이를 위해 전력 소모를 최소화 하면서 정밀한 위치 인식이 가능한 위치인식알고리즘을 제안한다.

제안 방법

전력소모 최소화를 위한 위치 인식 시스템은 리시버, 비컨, 상황인식 서버로 구분된다. 리시버는 각 비컨과의 거리 값 계산을 위한 시간정보 Data(TCNT: 초음파 도달시간)을 획득하여 이를 중계(Relay) 노드 역할을 하는 비컨을 통해 상황인식 서버와 연결된 싱크 노드(Sink node)에게 전달하고 상황인식 서버는 싱크 노드로부터 전달받은 시간정보 Data를 이용해 비컨과 리시버간의 거리 값을 계산, 이를 이용하여 삼각 측량 방식으로 리시버의 위치 좌표를 계산하고 디스플레이한다. 비컨은 각각 고유(Unique)ID와 Numbered ID를 가지고 있다.
이를 위해 전력 소모를 최소화 하면서 정밀한 위치 인식이 가능한 위치인식알고리즘을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 위치인식알고리즘은 WUSB over WBAN 프로토콜 기반 센서 노드에서 GPS 없이 독립적으로 실행되어 측정된 값으로부터 각 센서 노드의 위치를 추정함으로써 전력소모를 최소화한다.
본 논문에서는 선박 내 실내에서 개인 정보 전달의 효율성을 높이는 WUSB over WBAN 프로토콜 구조와 본 프로토콜에 기초한 실내 위치인식 기술을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 위치인식알고리즘은 WUSB over WBAN 프로토콜 기반 센서 노드에서 GPS 없이 독립적으로 실행되어 측정된 값을 사용하여, 각 센서 노드의 위치를 추정함으로써 전력소모를 최소화한다. 특정 위치에서 발생하는 물리적인 현상을 관측하는 경우 센서 노드가 센싱한 값과 센서 노드의 위치가 매핑되지 않을 경우 센싱한 값으로부터 얻을 수 있는 정보는 매우 한정된다.
Type-I/II Access Phase은 비경쟁 기반의 접근 방식으로 허브와 노드는 미리 할당된 구간을 이용한다. 본 논문에서는 그림 3와 같이 WUSB 호스트와 디바이스들 간 통신을 위해 Type-I/II Access Phase 구간을 할당하여 MMC 스케쥴링 기능을 지원한다. 그림 4는 사용자가 WUSB 호스트과 WBAN 허브 호스트의 기능을 동시에 수행하는 경우, 하나의 WUSB 클러스터와 하나의 WBAN 클러스터가 결합되어 구성한 개인정보전달 시스템 사례를 나타낸다.
비컨은 리시버의 동작 지시에 따라 초음파를 발신하고 리시버의 위치 측정 데이터를 싱크노드로 릴레이하는 기능을 가지고 있다. 본 시스템에서는 비컨의 배치 방식을 고유 ID를 모듈로4 연산을 통해 Numbered ID를 구한 후 이를 사용하여 아래와 같이 배치하게 된다. 각 구역의 Numbered ID 는 유일해야하며 [0:1] 값의 범위를 갖는다.
본 논문에서는 선박 내 실내에서 개인 정보 전달의 효율성을 높이는 WUSB over WBAN 프로토콜 구조와 본 프로토콜에 기초한 실내 위치인식 기술을 제안한다. 이를 위해 전력 소모를 최소화 하면서 정밀한 위치 인식이 가능한 위치인식알고리즘을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 위치인식알고리즘은 WUSB over WBAN 프로토콜 기반 센서 노드에서 GPS 없이 독립적으로 실행되어 측정된 값으로부터 각 센서 노드의 위치를 추정함으로써 전력소모를 최소화한다.
제안한 시스템은 WUSB over WBAN 프로토콜에서 리시버와 비컨 사이의 시간에 의해 할당된 시간 구간을 가지며 해당 시간 구간은 초기 동기화 작업에 의해 동기화된다. 초기 구역을 결정하고 리시버와 비컨간의 동기화를 맞춘 후 4개의 비컨들로부터 초음파를 수신한 후 해당 초음파 수신 대기시간을 통해 거리 값을 만들어 낸다.
제안한 시스템의 거리 오차 및 위치 오차를 측정하여 분석한다. 특히 오차 발생의 큰 요소를 차지할수 있는 리시버와 비컨 간의 거리 오차를 중점적으로 다루었다^[11].
제안한 시스템은 WUSB over WBAN 프로토콜에서 리시버와 비컨 사이의 시간에 의해 할당된 시간 구간을 가지며 해당 시간 구간은 초기 동기화 작업에 의해 동기화된다. 초기 구역을 결정하고 리시버와 비컨간의 동기화를 맞춘 후 4개의 비컨들로부터 초음파를 수신한 후 해당 초음파 수신 대기시간을 통해 거리 값을 만들어 낸다. 구역 설정에는 비컨의 초음파 인터럽트를 이용하여 수행하게 되며 그 정보는 리시버에게 Numbered ID Ordering 스케줄 방식으로 전달되어 충돌을 방지하게 된다.
특정 위치에서 발생하는 물리적인 현상을 관측하는 경우 센서 노드가 센싱한 값과 센서 노드의 위치가 매핑되지 않을 경우 센싱한 값으로부터 얻을 수 있는 정보는 매우 한정된다. 하지만 GPS가 아닌 다른 방식으로 센서 노드들의 위치를 찾는 저가의 저전력 위치 측정 방식의 개발은 반드시 필요하며, 본 시스템에서는 WUSB 호스트가 전송한 WBAN 비컨이 수신된 정보에 따라 계산하여 수신기의 위치를 결정하고, 물체의 동작을 결정하게 된다. 그러나 real-time 어플리케이션을 위해서는 보다 빠른 처리속도가 요구된다.

데이터처리

6cm로 두고 초음파를 이용하여 2000회 측정한 결과이다. 측정된 데이터로 분산형 그래프를 그려 보았다. 위의 수집된 데이터를 X₁, X₂ ,.

이론/모형

EAP1과 EAP2는 높은 우선순위를 갖는 데이터를 보내기 위해 할당된 구간이고 RAP1, RAP2, CAP는 나머지 데이터를 전송하기 위해 할당된 구간으로 경쟁 기반의 접속 방식이다. 여기서 각 구간의 접속을 위해, CSMA/CA 또는 Slotted Aloha 방식을 이용한다. Type-I/II Access Phase은 비경쟁 기반의 접근 방식으로 허브와 노드는 미리 할당된 구간을 이용한다.

성능/효과

구역 결정에서 제외된 비컨들은 전력소모의 원인이 되는 초음파를 송출하지 않기 때문에 시스템 내 전력 소모 최소화에 기여하게 된다. 기존 시스템은 리시버의 라운드 로빈 방식의 호출에 의한 스케줄링이므로 전력 소모가 적게 되지만, 확장할 경우 위치 인식에 지연이 많이 발생하는 문제가 있었으나, 제안한 방식은 리시버의 트리거에 의해 주관되는 리시버 비컨 간 동기화에 따른 초음파만을 이용한 Auto Beaconing이므로 충돌 및 지연 문제나 불필요한 에너지 소모를 줄이면서 확장까지 용이한 장점을 갖는다.
거리가 두 배(100cm)로 바뀜에 따라 표준 오차가 약간 상승하였으나, 그다지 오차에 큰 영향은 미치지 않았다. 위의 결과로 비컨과 리시버 간의 매우 신뢰할 만한 거리 값의 측정이 가능하다는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항만의 자동화는 어떻게 분류되나?	이에 항만에서의 물류비용 절감을 위해 항만 자동화에 관한 관심이 증대되고 있다. 항만의 자동화는 선박에서 컨테이너를 운반할 트레일러가 통과하는 RFID를 이용한 게이트의 자동화, 정박한 선박에 설려 있는 화물을 취급하는 Quay-Side 컨테이너 크레인(QC)의 자동화, 야드에서 컨테이너를 이적하는 갠트리크레인(GC), 게이트 사이에서 컨테이너를 수송하는 컨테이너 트랜스 포터의 자동화로 크게 분류할 수 있다. 부두의 운용 효율을 증가시키기 위해서는 야드 크레인의 정확한 위치 검출이 상당히 중요한 과제이다.
	사용자의 위치정보를 획득할 수 있는 대표적인 시스템은 무엇이 있는가?	사용자의 위치정보를 획득할 수 있는 대표적인 시스템으로는 GPS(Global Positioning System)와 이동통신망을 이용한 위치 측정 시스템을 들 수 있다. 특히 GPS의 경우는 이동통신망을 이용하는 위치 측정 시스템에 비하여 보다 정밀한 위치 측정이 가능하고 지구상의 모든 장소에서 사용이 가능하다는 장점으로 인하여 널리 사용되고 있다.
	항만에서의 물류비용 절감을 위해 항만 자동화에 관한 관심이 증대되고 있는 이유는?	용한 해상 물동량이 급격히 증가되어 부두에서 처리하여야할 컨테이너 양이 많이 증가되었다. 이에 항만에서의 물류비용 절감을 위해 항만 자동화에 관한 관심이 증대되고 있다.

참고문헌 (11)

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Unicersal Serial Bus, Wireless USB from the USB-IF [Online], retrived (2010 Sep. 9), available: http://www.usb.org/developers/wusb/.
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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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