[논문]가상 가시광 중첩을 이용한 RSSI 기반의 실내 측위법

김대영; 이건영

doi:10.5370/kiee.2014.63.12.1697

[국내논문] 가상 가시광 중첩을 이용한 RSSI 기반의 실내 측위법
RSSI-Based Indoor Localization Method Using Virtually Overlapped Visible Light 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.12, 2014년, pp.1697 - 1703

김대영 (Dept. of Electrical Engineering, Kwangwoon University) , 이건영 (Dept. of Electrical Engineering, Kwangwoon University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an indoor RSSI (received signal strength indication)-based localization method that uses virtually overlapped visible light with an indoor LED lighting system. In our system, a photodiode (PD) measures the RSSI from LED lamps that blink in one row or column units. Subsequently, the RSSI is used to obtain the horizontal distances between the LED lamps and the receiver with the predetermined characteristics curve, R-D curve, that represents the relation between the RSSI and the horizontal distances. When the controlled LED lamps blink in one row or column units, the R-D curve at the border of the LED lamps is different because of the weak lighting, which results in the position sensing error of the receiver. The deviation of the optical power of each LED also causes the error. To solve these problems, we propose a method that overlaps the visible light through the numerical operation at the receiver side without any modification of the light source side. Our proposed method has been simulated in a room measuring $1.2{\times}1.2{\times}1.8m^3$ considering the effect of the error on the optical power of the LED. The simulation result shows that the proposed method eliminates the error condition with the R-D curve and achieves an average positioning error of 13.4 mm under the error rate 3% of the optical power.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 LED 조명등과 가시광 통신을 이용한 위치 인식의 실용화를 위하여, 넓은 영역에서 측위가 가능하며 위치정보 전달로 인한 조명구간 손실을 최소화하는 행렬 LED 조명등 점멸에 의한 측위 방식을 제안한다. 제안한 방식은 행 또는 열 단위로 LED 조명등을 점멸하고 매 순간마다 켜진 조명등을 광원으로 이용하여 포토다이오드에 수신된 RSSI로부터 광원과 수신부 사이의 수평거리를 얻는 방식이다.

가설 설정

이런 경우 Y축 위치별로 수없이 많은 R-D 특성곡선을 구하지 않으면 RSSI로부터 정확한 수평거리를 구할 수 없는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해 수신부가 조명등이 넓은 천정 전체에 일정한 간격의 격자모양으로 배치된 상태(이하 무한평면 조명)에 위치해 있다고 가정하고, RSSI 정규화를 통해 Y축 위치와 관계없이 적용 가능한 R-D 특성곡선을 이용한 수평거리 계산법을 제안한다. 제안한 방법에서는 무한평면 조명이 끝나는 외곽지역에서의 조명강도 약화로 인한 문제 해소가 가능한 가상 가시광 중첩방식을 이용하며, 이에 대한 세부사항은 본론에서 기술 한다.

제안 방법

본 논문에서 실내 측위를 위해 가상 가시광 중첩을 이용한 RSSI 기반의 측위 방법을 제안하였다. 가상 가시광 중첩 기법을 기반으로 한 수신부의 소속영역 찾기, 정규화 R-D 특성곡선 생성법 그리고 측위 방법을 제시하였다. 특히 정규화 과정을 통하여 조명영역 외곽에서의 조도 약화에 대한 보상법을 추가하여 전압강하나 LED 특성변화에 따른 전반적인 조도 변화에 따른 강인성을 확보하였다.
결론적으로 본 논문에서 제시한 LED 조명을 이용한 실내 측위법에서는 LED 조명등의 조명구간 손실을 최소화하는 행렬 구동방식의 조명등 제어뿐만 아니라 조명등 특성차이 및 외곽지역의 조명 변화에 둔감한 R-D 특성곡선을 이용한 가상 가시광 중첩 방식의 RSSI 측위 방법을 제안한다. 또한, 제안한 방법의 효용성을 보여주기 위하여 실험과 연계된 시뮬레이션을 통한 정밀 위치측정 결과를 보여준다.
결론적으로 본 논문에서 제시한 LED 조명을 이용한 실내 측위법에서는 LED 조명등의 조명구간 손실을 최소화하는 행렬 구동방식의 조명등 제어뿐만 아니라 조명등 특성차이 및 외곽지역의 조명 변화에 둔감한 R-D 특성곡선을 이용한 가상 가시광 중첩 방식의 RSSI 측위 방법을 제안한다. 또한, 제안한 방법의 효용성을 보여주기 위하여 실험과 연계된 시뮬레이션을 통한 정밀 위치측정 결과를 보여준다.
먼저 이상적인 환경에서의 제안한 알고리즘의 측위 정밀 도를 알아보기 위하여 LED 광출력이 일정한 경우에 대한 시뮬레이션을 하였고, 이어서 LED 광출력의 편차를 고려한 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서 실내 측위를 위해 가상 가시광 중첩을 이용한 RSSI 기반의 측위 방법을 제안하였다. 가상 가시광 중첩 기법을 기반으로 한 수신부의 소속영역 찾기, 정규화 R-D 특성곡선 생성법 그리고 측위 방법을 제시하였다.
제안한 가상 가시광 중첩을 이용한 RSSI 측위 방법의 정밀도를 측정하고, LED 광출력의 편차에 얼마나 강인한지 확인하기 위한 시뮬레이션을 수행 하였다.
이 문제를 해결하기 위해 수신부가 조명등이 넓은 천정 전체에 일정한 간격의 격자모양으로 배치된 상태(이하 무한평면 조명)에 위치해 있다고 가정하고, RSSI 정규화를 통해 Y축 위치와 관계없이 적용 가능한 R-D 특성곡선을 이용한 수평거리 계산법을 제안한다. 제안한 방법에서는 무한평면 조명이 끝나는 외곽지역에서의 조명강도 약화로 인한 문제 해소가 가능한 가상 가시광 중첩방식을 이용하며, 이에 대한 세부사항은 본론에서 기술 한다.
본 연구에서는 LED 조명등과 가시광 통신을 이용한 위치 인식의 실용화를 위하여, 넓은 영역에서 측위가 가능하며 위치정보 전달로 인한 조명구간 손실을 최소화하는 행렬 LED 조명등 점멸에 의한 측위 방식을 제안한다. 제안한 방식은 행 또는 열 단위로 LED 조명등을 점멸하고 매 순간마다 켜진 조명등을 광원으로 이용하여 포토다이오드에 수신된 RSSI로부터 광원과 수신부 사이의 수평거리를 얻는 방식이다. 그러나 조명등으로부터 측정되는 RSSI는 LED 소자마다 광출력 편차[8]로 인한 신호세기 편차가 있고, 이는 RSSI와 수평거리의 함수관계(이하 R-D 특성곡선)으로부터 구해지는 수평거리 편차, 즉 측위 오차로 이어진다.

데이터처리

이 시뮬레이션은 제안한 가상 가시광 중첩을 이용한 정규화 R-D 특성곡선법이 유효한지를 확인하기 위한 것으로 매트랩을 활용하여 시행하였다. 그림 8은 1, 2, 3번 조명렬이 각각 광원으로 동작했을 때의 RSSI 분포(상단)와 R-D 특성 곡선(하단)을 표시한 것이다.

성능/효과

또한 LED 광출력의 편차를 고려한 시뮬레이션을 통하여 조명강도 편차에 대한 측위 오차의 허용한도를 설정 할 수 있는 기틀을 마련하였다. 결론적으로 본 연구에서 제안한 가상 가시광을 이용한 RSSI 기반의 측위법은 넓은 실내 공간까지 확장 가능한 위치 인식 기법으로 실용화될 수 있음을 보여주었다.
실험 결과는 표 2와 같으며, 전체 조명렬을 켰을 때 조도 값과 각 조명렬을 산술적으로 더한 조도 값의 차이는 3 룩스(lux) 이내이다. 따라서 가상 가시광 중첩의 방식은 이론적 뿐만 아니라 실험적으로 유효함이 검증되었다.
48 mm의 측위 정밀도를 얻었다. 또한 LED 광출력의 편차를 고려한 시뮬레이션을 통하여 조명강도 편차에 대한 측위 오차의 허용한도를 설정 할 수 있는 기틀을 마련하였다. 결론적으로 본 연구에서 제안한 가상 가시광을 이용한 RSSI 기반의 측위법은 넓은 실내 공간까지 확장 가능한 위치 인식 기법으로 실용화될 수 있음을 보여주었다.
시뮬레이션 결과를 통해 제안한 측위방법에서 LED 광출력의 편차에 따른 측위 오차를 확인 하였고, 광출력의 오차율이 증가함에 따라 측위 오차도 증가하는 결과를 보여준다. 이 결과에서 광출력 오차 3.
특히 정규화 과정을 통하여 조명영역 외곽에서의 조도 약화에 대한 보상법을 추가하여 전압강하나 LED 특성변화에 따른 전반적인 조도 변화에 따른 강인성을 확보하였다. 아울러, 시뮬레이션이 가능한 R-D 특성곡선의 생성이 가능함을 확인하였고, 측위 오차 시뮬레이션에서는 최대 오차 3.81 mm, 평균 오차 0.48 mm의 측위 정밀도를 얻었다. 또한 LED 광출력의 편차를 고려한 시뮬레이션을 통하여 조명강도 편차에 대한 측위 오차의 허용한도를 설정 할 수 있는 기틀을 마련하였다.

후속연구

시뮬레이션 결과를 통해 제안한 측위방법에서 LED 광출력의 편차에 따른 측위 오차를 확인 하였고, 광출력의 오차율이 증가함에 따라 측위 오차도 증가하는 결과를 보여준다. 이 결과에서 광출력 오차 3.0 %에서 최대 62.1 mm 측위 오차가 발생하는데 정밀 측위를 위해서는 이를 개선하는 후속 연구가 필요하다.
68 cm)[1]와 비교할 때 높은 측위 정밀도를 보인다. 측위공간의 중앙부분에서 오차가 울퉁불퉁한 이유는 소속영역별로 다른 R-D 특성곡선을 적용함에 기인하며, 좀 더 정밀한 측위 정밀도(0.59 mm 이하)를 얻기 위해서는 이에 대한 후속 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RSSI 기반의 측위의 장점과 단점은 무엇인가?	TDoA는 정밀한 delay 제어가 필요하며 phase noise에 취약하다[1]. RSSI 기반의 측위는 각 LED 조명등에 ID를 부여하는 방식을 사용하고 있는데, 많은 수의 LED 조명등으로 확장하는 경우 정보전달 량이 많아 조명구간 손실이 커지는 단점이 있음에도 불구하고 측정 원리가 간단하고 구현이 용이한 이점이 있다[1,7].
	가상 가시광 중첩의 방식이 실험적으로 유효되는 것을 검증한 조도값의 차이는 얼마인가?	20 cm 간격으로 각 조명렬로부터 측정된 조도와 전체 조명렬이 켜졌을 때 측정된 조도를 비교한다. 실험 결과는 표 2와 같으며, 전체 조명렬을 켰을 때 조도 값과 각 조명렬을 산술적으로 더한 조도 값의 차이는 3 룩스(lux) 이내이다. 따라서 가상 가시광 중첩의 방식은 이론적 뿐만 아니라 실험적으로 유효함이 검증되었다.
	RSSI 기반의 측위법이란 무엇인가?	RSSI 기반의 측위법은 광원으로부터 떨어진 거리에 따라 수신된 광량의 차이를 이용하는 방법으로 이 연구에서는 수신부인 포토다이오드가 송신부인 LED 조명등으로부터 수신된 RSSI를 측정하여 송신부로부터 수신부가 떨어진 수평거리(horizontal distance)를 측위 하는 방법이다. 그림 1과 같이 수평거리에 따른 RSSI를 측정하여 R-D 특성곡선을 구할 수 있다.

참고문헌 (10)

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K. Panta and J. Armstrong, "Indoor localisation using white LEDs," Electronics Letters, vol. 48, no. 4, pp. 228-229, Dec. 2012.

상세보기
T. Nguyen and Y. M. Jang, "Highly Accurate Indoor Three-Dimensional Localization Technique in Visible Light Communication Systems," The Journal of Korea Information and Communications Society, vol. 38, no. 9, pp. 775-780, Sep. 2013.

원문보기 상세보기
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상세보기
S.-Y. Jung, S. Hann, and C.-S. Park, "TDOA-based optical wireless indoor localization using LED ceiling lamps," Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol. 57, no. 4, pp. 1592-1597, 2011.

상세보기
T.-H. Do and M. Yoo, "TDOA-based indoor positioning using visible light," Photon Netw Commun, vol. 27, no. 2, pp. 80-88, Aug. 2014.

상세보기
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상세보기
I.-H. Jang, Y.-S. Kim, and A.-S. Choi, "Analysis of Luminous Quantity Changes by the Dimming Control of the LED Lamp," Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 24, no. 10, pp. 13-20, Oct. 2010.

원문보기 상세보기
L. Zeng, D. O'brien, H. Le-Minh, K.-W. Lee, D.-K Jung, and Y.-J. Oh "Improvement of Date Rate by using Equalization in an Indoor Visible Light Communication System," the 4th IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications, pp. 678-682, Shanghai, 26-28 May 2008.
W. Zhang and M. Kavehrad, "A 2-D indoor localization system based on visible light LED," Photonics Society Summer Topical Meeting Series, pp. 80-81, Seattle, 9-11 July 2012.

저자의 다른 논문 :

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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