[논문]WUSB over WBAN 통신을 위한 신체 영역 위치 인식 기술

허경

doi:10.6109/jkiice.2016.20.3.499

WUSB over WBAN 통신을 위한 신체 영역 위치 인식 기술
A Body-Area Localization Technique for WUSB over WBAN Communication 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.20 no.3, 2016년, pp.499 - 505

허경 (Department of Computer Education, Gyeongin National University of Education)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 웨어러블 컴퓨터 시스템을 위한 WUSB over WBAN 프로토콜에서 요구되는 신체 영역 위치인식기술을 제안한다. 제안하는 위치인식기술은 웨어러블 컴퓨터의 주변 장치를 구성하는 WUSB over WBAN 프로토콜 기반 센서노드에서 실행된다. 웨어러블 컴퓨터 시스템에서 다양한 신체 모션을 통한 입력 정보의 정확성을 높이기위해서는, 높은 정밀도를 갖는 새로운 위치인식기술이 반드시 개발되어야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 본 논문은 신체에 부착된 WUSB over WBAN 디바이스들의 개수를 4개 이상으로 하는 TDoA/FDoA/AoA 복합 방식을 제안한다. 실험 결과에서는 제안하는 TDoA/FDoA/AoA의 복합 방식 알고리즘이 TDoA/FDoA 복합 알고리즘 보다 위치 추정 오차를 10mm 감소시킨다. 이 값은 다른 통신 시스템에서는 무시할 수 있는 작은 값이나, 신체 영역 내 통신에서는 위치 추정 성능을 향상시키는 결과를 나타낸다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this Paper, we propose a body-area localization technique based on WUSB (Wireless USB) over WBAN (Wireless Body Area Networks) protocol required for wearable computer systems. The proposed localization algorithm is executed on the basis of WUSB over WBAN protocol at each sensor node comprising peripherals of a wearable computer system. To increase the accuracy of input information through various body motions in wearable computer systems, a new localization technique with high precision must be developed. To achieve the goal, This paper proposes a combined TDoA/FDoA/AoA (Time Of Arrival/Time Difference Of Arrival/Angle Of Arrival) localization technique with more than four WUSB over WBAN devices to estimate body-area location accurately. The combined TDoA/FDoA/AoA technique reduces 10mm in location estimation errors comparing with a combined TDoA/FDoA technique. This performance enhancement in location error reduction can be ignored at other systems but is meaningful results in body-area localization-based communications.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 그림 1과 같이, 웨어러블 컴퓨터 시스템을 위한 WUSB over WBAN 프로토콜에서 요구되는 신체 영역 위치인식기술을 제안한다[6]. 제안하는 위치 인식기술은 웨어러블 컴퓨터의 주변 장치를 구성하는 WUSB over WBAN 프로토콜 기반 센서노드에서 실행 되고, 정밀한 위치 측정을 위해, 신체에 부착된 WUSB &WBAN 디바이스의 개수를 4개 이상으로 하는 TDoA/ FDoA/AoA 복합 방식을 사용한다.
Ranging 미들웨어 설계를 통해, TDoA 알고리즘에서 10mm 정도 정확도가 개선이 되었고, TDoA/ FDoA/AoA 복합 방식 알고리즘을 적용함으로써 위치 추정 오차가 10mm 정도 더 개선됨을 확인할 수 있었다. 추가적인 신호처리를 위한 하드웨어 연구를 통해 성능을 향상시키고자 한다.

가설 설정

그림 6은 TDoA, FDoA, AoA 알고리즘을 기존의 UWB ranging 방법과 제안하는 방법에 각각 적용하여 시험을 한 것이다[4, 5]. 0.1nsec의 시각동기 오차를 가정하였으며 WUSB/WBAN 디바이스가 3차원 상의 특정 위치인 (20cm, 0, 0)에서 x축을 중심으로 30cm 범위 안에서 움직임을 가정한 것이다. WUSB/WBAN 호스트들의 위치는 (0, 0, 0)을 중심으로 원점에서 50cm 거리를 두고, 3차원 상에서 정삼각뿔 형태로 배치하였다.
제안하는 TDoA/FDoA/AoA의 복합 방식의 성능을 분석하기 위해서 저전력 WBAN OMNeT++ 시뮬레이터를 사용했다[5-8]. 시뮬레이션을 통해 4개의 WUSB/ WBAN 호스트들(거리 측정 수신기)와 1개의 WUSB/ WBAN 디바이스(거리 측정 송신기)가 존재하는 상황을 가정하였다.
식 (1)을 바탕으로 AoA 방식을 분석한다. 여러 개의 WUSB/WBAN 호스트는 어레이 안테나를 사용하는 WUSB/WBAN 디바이스로부터 AoA 값을 측정할 수있으며, AoA에서의 측정 에러는 가우시안 분포를 가짐을 가정한다. θ_i인 범위 내 WBAN 디바이스의 위치를 (x,y,z)라고 할 때 조건부 확률 분포 함수(pdf)는 식 (2) 와 같이 정의된다.

제안 방법

2장에서 제시한 WUSB over WBAN MAC 정밀 시각동기 및 ranging 기술을 바탕으로 보다 정확한 위치 인식을 가능하게 하는 개선된 복합알고리즘을 제안한다. 개선된 복합알고리즘은 TDoA, FDoA, AoA의 세가지 방식을 U-Health 신체 영역에 적용 가능하도록 통합 및 보완한 기술이다.
IEEE 802.15.6 WBAN MAC의 비컨 구조에 대해서 분석하고, 거리측정을 지원할 수 있도록 비컨 구조를 설계한다. WBAN MAC 비컨 프레임은 MAC Payload 부분에 들어가며, MAC Capability, PHY Capability 정보를 포함한다.
TDoA에서의 Hough Transform을 분석한다. r₁은 첫번째 WUSB/WBAN 호스트를 나타내며 ri는 i번째 WUSB/WBAN 호스트를 나타낸다.
WUSB/WBAN 디바이스는 RM(Range Measurment) 메시지를 WUSB/WBAN 호스트에게 브로드캐스트한다. WUSB/WBAN 디바이스로부터 RM 메시지를 받은 WUSB/WBAN 호스트는 이에 대한 응답으로 IMMACK 메시지를 보내게 된다. 마지막으로 WUSB/WBAN 디바이스에서 자체 timer를 통해 시간 계산을 완료 하면 RMR(Range Measurement Report) 메시지를 WUSB/WBAN 호스트에게 보냄으로써 거리 연산을 위한 정보를 취합하게 되고, 또한 IMM-ACK 메시지를 전송하여 종료한다.
1nsec의 시각동기 오차를 가정하였으며 WUSB/WBAN 디바이스가 3차원 상의 특정 위치인 (20cm, 0, 0)에서 x축을 중심으로 30cm 범위 안에서 움직임을 가정한 것이다. WUSB/WBAN 호스트들의 위치는 (0, 0, 0)을 중심으로 원점에서 50cm 거리를 두고, 3차원 상에서 정삼각뿔 형태로 배치하였다. 제안된 알고리즘을 이용한 TDoA의 위치추정 오차가 크게 향상됨을 볼 수 있다.
Intel 등의 기업들을 중심으로 형성된 WiMedia Alliance는 Wireless USB (WUSB) 규격을 개발하였다[4]. WUSB는 유선 USB와 동일한 기능을 제공하도록 설계되었으며 호스트와 디바이스간 3m이내 거리에서 최대 480Mbps의 전송대역폭를 제공하며 최대 거리 10m이내까지 동작되도록 설계되었다. WBAN (Wireless Body Area Networks) 표준은 근거리, 저전력, 고신뢰성 무선통신을 목표로 하고 있으며, 용도에 따라 전송속도가 10Kbps~10Mbps 범위로 의료용 또는 비의료용 멀티미디어 서비스에 활용된다[5].
기존 MAC Capability에서 Reserved 필드 중 앞의 1 비트는 WUSB 전용구간을 할당하기 위한 ‘Private Period Allocation’ 필드로 정의를 하였다.
다음으로 FDoA에서의 Hough Transform을 분석한다. 두 개의 공간적으로 분리된 WUSB/WBAN 호스트들 사이에서 도플러 주파수 f, 이동속도 v를 갖는 수신기를 사용하여 FDoA를 측정할 수 있다.
WUSB/WBAN 디바이스로부터 RM 메시지를 받은 WUSB/WBAN 호스트는 이에 대한 응답으로 IMMACK 메시지를 보내게 된다. 마지막으로 WUSB/WBAN 디바이스에서 자체 timer를 통해 시간 계산을 완료 하면 RMR(Range Measurement Report) 메시지를 WUSB/WBAN 호스트에게 보냄으로써 거리 연산을 위한 정보를 취합하게 되고, 또한 IMM-ACK 메시지를 전송하여 종료한다.
이러한 시각소인를 바탕으로 호스트와 디바이스가 시각동기를 이루게 되면 다음과 같은 절차에 의해서 거리 측정을 수행하게 된다. 먼저 WUSB/WBAN 호스트는 상위계층으로부터 거리 측정에 관한 요청메시지를 받으면 WUSB/WBAN 디바이스들에게 RMRQ (Range Measurement ReQuest)를 브로드캐스트하고 해당 메시지를 받은 WUSB/WBAN 디바이스는 IMMACK들을 보냄으로써 거리 측정을 위한 Setup 과정을 수행하게 된다.
웨어러블 컴퓨터 시스템을 위한 WUSB over WBAN 프로토콜에서 신체 영역 위치인식을 위한 미들웨어와 알고리즘을 제안하였다. 제안된 TDoA/ FDoA/AoA 복합 방식의 위치 측정을 위해, 신체에 부착된 WUSB over WBAN 송수신기의 개수를 4개 이상으로 설정하였다.
웨어러블 컴퓨터 시스템을 위한 WUSB over WBAN 프로토콜에서 신체 영역 위치인식을 위한 미들웨어와 알고리즘을 제안하였다. 제안된 TDoA/ FDoA/AoA 복합 방식의 위치 측정을 위해, 신체에 부착된 WUSB over WBAN 송수신기의 개수를 4개 이상으로 설정하였다. Ranging 미들웨어 설계를 통해, TDoA 알고리즘에서 10mm 정도 정확도가 개선이 되었고, TDoA/ FDoA/AoA 복합 방식 알고리즘을 적용함으로써 위치 추정 오차가 10mm 정도 더 개선됨을 확인할 수 있었다.
제안하는 위치 인식기술은 웨어러블 컴퓨터의 주변 장치를 구성하는 WUSB over WBAN 프로토콜 기반 센서노드에서 실행 되고, 정밀한 위치 측정을 위해, 신체에 부착된 WUSB &WBAN 디바이스의 개수를 4개 이상으로 하는 TDoA/ FDoA/AoA 복합 방식을 사용한다.

이론/모형

제안하는 TDoA/FDoA/AoA의 복합 방식의 성능을 분석하기 위해서 저전력 WBAN OMNeT++ 시뮬레이터를 사용했다[5-8]. 시뮬레이션을 통해 4개의 WUSB/ WBAN 호스트들(거리 측정 수신기)와 1개의 WUSB/ WBAN 디바이스(거리 측정 송신기)가 존재하는 상황을 가정하였다.
개선된 복합알고리즘은 TDoA, FDoA, AoA의 세가지 방식을 U-Health 신체 영역에 적용 가능하도록 통합 및 보완한 기술이다. 제안하는 위치인식기술을 설계하기 위해, 식 (1)과 같이 GHT(Generalized Hough Transform)를 이용하였다 [1, 3]. (x,y,z)는 측정하는 WUSB/WBAN 디바이스의 위치, βl은 전체 L 번 측정 값들 중 l 번째 측정값이다.

성능/효과

제안된 TDoA/ FDoA/AoA 복합 방식의 위치 측정을 위해, 신체에 부착된 WUSB over WBAN 송수신기의 개수를 4개 이상으로 설정하였다. Ranging 미들웨어 설계를 통해, TDoA 알고리즘에서 10mm 정도 정확도가 개선이 되었고, TDoA/ FDoA/AoA 복합 방식 알고리즘을 적용함으로써 위치 추정 오차가 10mm 정도 더 개선됨을 확인할 수 있었다. 추가적인 신호처리를 위한 하드웨어 연구를 통해 성능을 향상시키고자 한다.
기존의 UWB Ranging 방식과 비교해볼 때 제안하는 방식의 성능이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다. TDoA 알고리즘을 적용 시에 10mm 정도의 정확도가 개선이 되었으며 그림 7을 통해서 TDoA/FDoA/AoA의 복합 방식 알고리즘을 적용함으로써 위치 추정 오차가 10mm 정도 더 개선됨을 확인할 수 있다. 신체 내에서의 통신을 고려할 때 해당 값은 위치 추정에 큰 영향을 줄 수 있는 값이다.
TDoA/FDoA/AoA의 복합 방식 알고리즘이 TDoA/FDoA 알고리즘 보다 위치 추정 오차를 보다 적게 발생시킴을 알 수 있다. 기존의 UWB Ranging 방식과 비교해볼 때 제안하는 방식의 성능이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다. TDoA 알고리즘을 적용 시에 10mm 정도의 정확도가 개선이 되었으며 그림 7을 통해서 TDoA/FDoA/AoA의 복합 방식 알고리즘을 적용함으로써 위치 추정 오차가 10mm 정도 더 개선됨을 확인할 수 있다.
또한 FDoA의 경우는 기존 방식과 비교 시 크지는 않지만 어느 정도 향상됨을 확인할 수 있으며 AoA의 경우는 기존과 거의 비슷함을 알 수 있다. 이는 거리 측정에 있어서 여러 번의 측정값을 통해 보다 정확한 값을 도출해내는 제안된 알고리즘의 영향으로 얻어지는 결과이며 TDoA, FDoA, AoA 방식 중 시각 동기에 제일 큰 영향을 받는 TDoA 방식이 가장 크게 개선됨을 확인할 수 있다.
제안하는 위치 인식기술은 웨어러블 컴퓨터의 주변 장치를 구성하는 WUSB over WBAN 프로토콜 기반 센서노드에서 실행 되고, 정밀한 위치 측정을 위해, 신체에 부착된 WUSB &WBAN 디바이스의 개수를 4개 이상으로 하는 TDoA/ FDoA/AoA 복합 방식을 사용한다. 실험 결과에서는 제안하는 TDoA/FDoA/AoA의 복합 방식 알고리즘이 TDoA/FDoA 복합 알고리즘 보다 위치 추정 오차를 10mm 감소시킨다. 이 값은 다른 통신 시스템에서는 무시할 수 있는 작은 값이나, 신체 영역 내 통신에서는 위치 추정 성능을 향상시키는 결과를 나타낸다.
또한 FDoA의 경우는 기존 방식과 비교 시 크지는 않지만 어느 정도 향상됨을 확인할 수 있으며 AoA의 경우는 기존과 거의 비슷함을 알 수 있다. 이는 거리 측정에 있어서 여러 번의 측정값을 통해 보다 정확한 값을 도출해내는 제안된 알고리즘의 영향으로 얻어지는 결과이며 TDoA, FDoA, AoA 방식 중 시각 동기에 제일 큰 영향을 받는 TDoA 방식이 가장 크게 개선됨을 확인할 수 있다.
WUSB/WBAN 호스트들의 위치는 (0, 0, 0)을 중심으로 원점에서 50cm 거리를 두고, 3차원 상에서 정삼각뿔 형태로 배치하였다. 제안된 알고리즘을 이용한 TDoA의 위치추정 오차가 크게 향상됨을 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TOA 방법은 무엇인가?	그 정보는 TOA(Time Of Arrival), TDOA(Time Difference Of Arrival), AOA(Angle Of Arrival)의 방법을 통해서 얻어 지게 된다. TOA 방법은 전파의 도달 시간을 이용하여 거리를 계산하는 방법이다[1]. 대표적으로 네비게이션에 이용되는 GPS가 있다.
	WBAN 표준은 어느 분야에 활용 되고 있는가?	WUSB는 유선 USB와 동일한 기능을 제공하도록 설계되었으며 호스트와 디바이스간 3m이내 거리에서 최대 480Mbps의 전송대역폭를 제공하며 최대 거리 10m이내까지 동작되도록 설계되었다. WBAN (Wireless Body Area Networks) 표준은 근거리, 저전력, 고신뢰성 무선통신을 목표로 하고 있으며, 용도에 따라 전송속도가 10Kbps~10Mbps 범위로 의료용 또는 비의료용 멀티미디어 서비스에 활용된다[5].
	Localization 기술에서 노드와 노드 사이의 거리 또는 각도 정보를 얻는 방법은 무엇이 있는가?	정확도가 높은 Localization 기술은 노드와 노드 사이의 거리 또는 각도 정보를 통해서 위치를 가늠하는 것이다. 그 정보는 TOA(Time Of Arrival), TDOA(Time Difference Of Arrival), AOA(Angle Of Arrival)의 방법을 통해서 얻어 지게 된다. TOA 방법은 전파의 도달 시간을 이용하여 거리를 계산하는 방법이다[1].

참고문헌 (8)

J. Caffery Jr. and G. L. Stuer, "Subscriber location in CDMA cellular networks," IEEE Transactions on Vehcular Technology, vol.47, no.2, pp. 406-416, May 1998.

상세보기
N. B. Priyantha, A. Chakraborty, and H. Balakrishnan, "The cricket location-support system," in Proceedings of MOBICOM, pp.32-43. 2000.
D. Niculescu and B. Nath, "Ad Hoc Positioning System (APS) using AoA," in Proceedings of INFOCOM, pp.1734-1743. 2003.
Certified Wireless USB 1.1, USB-IF, [Internet]. Available: http://www.usb.org/developers/wusb.
IEEE 802.15 WPAN Task Group 6 Body Area Networks (BAN), [Internet]. Available: http://www.ieee802.org/15/pub/TG6.html.
K. Hur and W.S. Sohn, "Conflict-free Channel Allocation for Wireless Wearable Computer Networks," Contemporary Engineering Sciences, vol. 7. no. 15, pp. 761-766, May 2014.

상세보기
W.-Y. Shin, "Performance Evaluation of Parallel Opportunistic Multihop Routing," Journal of Information and Communication Convergence Engineering (JICCE), vol. 12, no. 3, pp. 135-139, Sep. 2014.

원문보기 상세보기
A. Varga, "The OMNeT++ Discrete Event Simulation System," in Proceedings of European Simulation Multiconference (ESM'2001), Prague, Czech Republic, pp. 143-154, Jun. 2001.

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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