기술적, 환경적 요소에 따른 비콘 기반 실내 측위 정확도 변화연구 A Study on the Technological and Environmental Factors Affecting the Accuracy of Beacon Based Indoor Positioning System원문보기
실내 측위 시스템에서 위치를 판단하기 위해 주로 Wi-Fi를 사용해왔다. BLE의 개발과 함께 실내 측위에 사용되는 신호에 대한 관심이 바뀌었다. BLE는 Wi-Fi와 비교했을 때 손 쉬운 설치, 적은 전력 소모량, 적은 신호 간섭, 설정 값 변경가능(송출 세기, 송출 주기 등)과 같은 장점을 가진다. 이러한 점들은 실내 측위 시스템에 효율성과 정확성 개선을 불러올 수 있다. 최근 실내 측위 시스템에서는 이러한 장점들로 인해 Wi-Fi 대신 BLE를 채택하여 측위를 수행하고 있다. BLE를 사용한 실내 측위가 늘어남에 따라 실내 측위 결과의 정확도를 높이기 위해 BLE 기반 실내 측위의 측정 오차 요인에 대한 연구되어져야 한다. 본 연구에서는 몇 가지 실험 시나리오를 설정하고 기술적, 환경적 요소의 변화에 따라 실내 측위 결과에 어떤 영향이 있는지 관찰한다. 최대수신신호세기를 사용하여 측위를 수행한 경우 실시간으로 수신한 신호를 그대로 사용했을 때 보다 적은 평균 오차를 보였다. 이는 연속적으로 수신한 신호에 평균 및 표준편차를 적용한 실험에서도 같은 결과를 보였다. 비콘의 송출주기에 변화를 주는 실험에서는 송출 주기가 짧을수록 측위 정확도가 높아진다는 결과를 관찰 할 수 있었다.
실내 측위 시스템에서 위치를 판단하기 위해 주로 Wi-Fi를 사용해왔다. BLE의 개발과 함께 실내 측위에 사용되는 신호에 대한 관심이 바뀌었다. BLE는 Wi-Fi와 비교했을 때 손 쉬운 설치, 적은 전력 소모량, 적은 신호 간섭, 설정 값 변경가능(송출 세기, 송출 주기 등)과 같은 장점을 가진다. 이러한 점들은 실내 측위 시스템에 효율성과 정확성 개선을 불러올 수 있다. 최근 실내 측위 시스템에서는 이러한 장점들로 인해 Wi-Fi 대신 BLE를 채택하여 측위를 수행하고 있다. BLE를 사용한 실내 측위가 늘어남에 따라 실내 측위 결과의 정확도를 높이기 위해 BLE 기반 실내 측위의 측정 오차 요인에 대한 연구되어져야 한다. 본 연구에서는 몇 가지 실험 시나리오를 설정하고 기술적, 환경적 요소의 변화에 따라 실내 측위 결과에 어떤 영향이 있는지 관찰한다. 최대수신신호세기를 사용하여 측위를 수행한 경우 실시간으로 수신한 신호를 그대로 사용했을 때 보다 적은 평균 오차를 보였다. 이는 연속적으로 수신한 신호에 평균 및 표준편차를 적용한 실험에서도 같은 결과를 보였다. 비콘의 송출주기에 변화를 주는 실험에서는 송출 주기가 짧을수록 측위 정확도가 높아진다는 결과를 관찰 할 수 있었다.
Indoor location system has been used Wi-Fi to get a location. After the development of BLE(Bluetooth Low Energy), the interest in the method of a indoor positioning had been move on. It has more advantages than using Wi-Fi. Easy installation, low power consumption, low signal interference and change...
Indoor location system has been used Wi-Fi to get a location. After the development of BLE(Bluetooth Low Energy), the interest in the method of a indoor positioning had been move on. It has more advantages than using Wi-Fi. Easy installation, low power consumption, low signal interference and changeable setting(Advertising interval, tx power, etc.). These things can improve efficiency or accuracy in a indoor positioning system. For this reason, recent indoor positioning system uses BLE rather than Wi-Fi. Accordingly, error factors of BLE beacon based indoor positioning should be studying for high accuracy of indoor positioning. In this research, set up few experiment scenarios and keep a close watch on how technological, environmental factor is affecting positioning accuracy. When a application uses largest signal strength to get the indoor location, the mean error of experimental results was decreased compare to using received signal strength in real-time. The result was same when the application applied average and standard deviation to get the indoor location. Changing advertising interval had an effect on the mean error of indoor positioning. Short advertising interval makes the lower mean error than large advertising interval.
Indoor location system has been used Wi-Fi to get a location. After the development of BLE(Bluetooth Low Energy), the interest in the method of a indoor positioning had been move on. It has more advantages than using Wi-Fi. Easy installation, low power consumption, low signal interference and changeable setting(Advertising interval, tx power, etc.). These things can improve efficiency or accuracy in a indoor positioning system. For this reason, recent indoor positioning system uses BLE rather than Wi-Fi. Accordingly, error factors of BLE beacon based indoor positioning should be studying for high accuracy of indoor positioning. In this research, set up few experiment scenarios and keep a close watch on how technological, environmental factor is affecting positioning accuracy. When a application uses largest signal strength to get the indoor location, the mean error of experimental results was decreased compare to using received signal strength in real-time. The result was same when the application applied average and standard deviation to get the indoor location. Changing advertising interval had an effect on the mean error of indoor positioning. Short advertising interval makes the lower mean error than large advertising interval.
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문제 정의
J, 2015) 사무실 혹은 강의실 등의 천장 밑에 비콘을 설치하는 방안과 천장 위에 설치하는 방안 두 가지 경우로 나누어 수신되는 신호의 세기를 관찰한다. 본 실험에서는 비콘 설치 위치에 따른 수신 신호 세기에 변화를 관찰한다.
본 연구에서는 기술적, 환경적 요소의 변화가 실내 측위 정확도에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대해 실험하였다. 측위에 영향을 미칠 수 있는 기술적 요소인 신호 처리 방법 변경에 따른 변화 관찰, 환경적 요소인 신호 송출 주기, 신호 송출 세기 변경에 따른 변화 관찰을 수행했다.
본 연구에서는 일반적인 환경에서 기술적, 환경적 요소가 측위 결과에 어떤 영향을 미치는지 실험하였다. 신호 송출 주기를 변경했을 때, 유의하다는 결과를 얻을 수 있지만 다른 실험 케이스들에 대해서는 그렇지 못한 결과를 얻었다.
비콘을 이용한 실내 측위 방법으로는 Fingerprint 방식을 채택하여 사용한다. 실험은 측위 오차에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 선정하고, 해당 요인들 변경에 따라 측위 오차에 어떤 변화가 일어나는지 관찰한다. 측위 오차에 영향을 미칠 수 있는 요인은 기술적 요인과 환경적 요인으로 나눌 수 있다.
P, 2015) 이는 같은 위치에서도 서버에 저장되어있는 정보와 해당 시점에 사용자가 수신한 신호 세기 간에 큰 차이가 발생하여 측위 결과에 오차를 초래할 수 있다. 이러한 문제를 보완하기 위해 평균 및 표준편차를 적용하는 방안을 제시한다. 이 방법의 적용으로 서버에 등록된 수신 신호 정보와 실시간으로 수신되는 수신 신호 정보간의 차이를 좁혀 측위 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다.
가설 설정
신호 송출 주기 변경에 따른 실험 결과에 대해서 분산 분석을 수행한 결과 귀무가설을 기각한다. 이는 신호 송출 주기별로 통계치 간에 차이가 있다는 것을 나타낸다.
제안 방법
200ms. 500ms 4가지 경우에 대해 각 6회씩 36개의 기준점에 대해 측위를 수행하고 실제 위치와 측위 결과 간의 오차를 구하여 기록했다. Table 6는 신호 송출 간격별로 6회씩 실험한 결과이다.
AP의 위치가 측위 정확도와 연관이 된 만큼 AP설치 위치에 대한 연구도 이루어지고 있다. AP의 위치를 고려한 방법으로는 비콘 송신기의 위치에 따른 RSSI/거리 확률모델을 바탕으로, 서비스 공간에서의 측정의 정확성을 예측하고 보장하는 방안이 제시되었다.(Park M.
또한 신호의 커버리지를 조절하여 70m까지 설정할 수 있어 무선랜을 사용할 때보다 환경 구축이 쉽다는 장점을 가진다. 따라서 본 논문에서는 무선랜의 단점을 보완할 수 있는 비콘을 사용한다. 비콘을 이용한 실내 측위 방법으로는 Fingerprint 방식을 채택하여 사용한다.
장애 요소를 거친 신호는 의도한 바와 다른 신호 정보를 가지게 되고 이를 통해 측위를 수행했을 때, 측위 결과의 오차를 초래한다. 따라서 수신 신호를 어떻게 활용하여 측위를 수행하는지가 측위 정확도에 영향을 미치게 되므로 신호 처리에 대한 기술적 요소를 선정하여 실험을 수행한다. 환경적 요인의 경우 비콘의 신호 송출 세기, 신호 송출 주기 설정 값 변경에 대한 실험이다.
실내 측위에서는 측위 기법과 함께 측위 환경 구축 또한 측위 결과에 많은 영향을 미친다. 본 실험에서 실내 측위의 기반이 되는 비콘의 설치 위치는 선행 연구 중 AP 설치 위치에 대한 논문의 결과를 참고하여 가장자리 배치 방식을 적용한다.
같은 시간 안에 수신되는 신호의 수에 따라, 연산에 사용되는 데이터의 수가 달라지므로 측위 결과에 영향이 미칠 수 있다. 본 실험에서는 신호 송출 주기를 50ms, 100ms, 200ms, 500ms로 설정하여 실험하였고, 그 결과를 비교한다.
Table 10은 각 기준점에서 두 비콘으로부터 수신된 신호의 세기의 평균을 기록한 것이다. 신호 세기 측정은 8개의 기준점에서 3회씩 측정을 수행하였고, 각 기준점에서는 동서남북 4방향에 대해 신호를 세기를 수집하여 기록했다.
실험은 신호 송출 세기당 20회씩 수행했다. 신호 송출 세기 변경에 대한 실험에서는 신호 송출 세기에 따른 수신 신호 개수의 변화, 수신 신호 세기의 변화에 대해 관찰한다.
신호 송출 세기는 그 값이 높을수록 비콘이 더 먼 거리에 대해 신호를 송신할 수 있다는 것을 나타내고, 그 값이 낮을수록 신호 송출 범위가 줄어든다는 것을 나타낸다. 신호 송출 세기 변경에 따른 변화를 관찰하기 위하여, 본 실험에서는 0dBm, -9dBm, -16dBm 3가지 경우로 설정하여 수신 신호의 변화를 관찰한다.
신호 송출 세기 변경에 따른 실험은 0dBm, -9dBm, -16dBm 3가지 경우에 대해서 수행되었다. 실험 결과, 신호 송출 세기가 0dBm일 때와 –16dBm일 때 수신되는 신호의 수가 큰 차이를 보이지 않는다.
신호 송출 세기를 변경하여 각 기준점에서 수신되는 비콘의 신호 개수와 신호 세기를 비교하였다. 실험에 사용한 신호 송출 세기는 0dBm, -9dBm, -16dBm이다.
실내 측위를 위한 방법으로 AP가 송출하는 무선 신호의 강도를 기반으로 실내 측위를 수행하는 방법들이 제안되어 실험이 이루어졌다. 대표적인 실내 측위 방법으로는 Cell-ID기법, 삼각측량, 핑거프린트 기법이 존재한다.
실험에 사용한 신호 송출 세기는 0dBm, -9dBm, -16dBm이다. 실험은 신호 송출 세기당 20회씩 수행했다. 신호 송출 세기 변경에 대한 실험에서는 신호 송출 세기에 따른 수신 신호 개수의 변화, 수신 신호 세기의 변화에 대해 관찰한다.
이는 실내측위 환경 구축과 측위 정확도에 영향을 미칠수 있는 요소이다. 앞서 제시한 요소들을 변경하며 실험하여 측위 오차가 적은 무선 실내 측위 방안을 제안한다.
제안한 요소에 따른 변화를 파악하기 위해 기준점에서 실험 케이스 별 3∼5회 반복하여 신호 수집·측위를 수행하였다.
최근 150ms 동안 수신된 신호 정보를 사용하는 방법, 최근 1000ms 동안 수신된 신호 정보를 사용하는 방법에 대해 각각 4회씩 실험하였다. 실험별 평균 오차는 Table 3과 같다.
본 연구에서는 기술적, 환경적 요소의 변화가 실내 측위 정확도에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대해 실험하였다. 측위에 영향을 미칠 수 있는 기술적 요소인 신호 처리 방법 변경에 따른 변화 관찰, 환경적 요소인 신호 송출 주기, 신호 송출 세기 변경에 따른 변화 관찰을 수행했다.
대상 데이터
기술적 요소에 대한 실험에서는 수신 신호의 수집 시간 및 사용되는 신호 세기에 관한 실험으로 구성된다. 수집 시간은 150ms, 1000ms 두 방안에 대해 실험한다.
Table 6는 신호 송출 간격별로 6회씩 실험한 결과이다. 신호 송출 간격 변경에 따른 실험은 50ms, 100ms, 200ms, 500ms 4개의 경우에 대해서 수행되었다. 평균 차이를 검정하기 위해 3개 이상의 집단 간 평균을 검정할때 사용하는 분산분석을 활용한 결과 Table 7과 같다.
실험 장비 실험 장비는 H사가 제작한 비콘을 사용하였고 자세한 제품 정보는 Table 2와 같다. Fig 5는 실내측위를 위한 정보를 등록하는 어플리케이션과 실시간으로 사용자의 위치를 측위·출력하고 사용자 요구에 따라 위치를 기록하는 어플리케이션이다.
신호 송출 세기를 변경하여 각 기준점에서 수신되는 비콘의 신호 개수와 신호 세기를 비교하였다. 실험에 사용한 신호 송출 세기는 0dBm, -9dBm, -16dBm이다. 실험은 신호 송출 세기당 20회씩 수행했다.
실험은 H사가 위치한 건물 2층으로 선정하였고, 그 구조는 Fig 3과 같다. 총 길이 32m×22m인 2층 전체에 대해 Fig 3과 같이 14개의 비콘을 설치하고, Fig 4와 같이 36개의 RP 포인트를 설정하였다.
총 길이 32m×22m인 2층 전체에 대해 Fig 3과 같이 14개의 비콘을 설치하고, Fig 4와 같이 36개의 RP 포인트를 설정하였다.
데이터처리
Table 10에서 볼 수 있듯이, 천장 위에 설치한 비콘으로부터 수신한 신호 세기가 5dBm정도 높은 것을 알 수 있다. 두 방식간의 결과가 통계적으로 유의한지 확인하기 위해 각 실험의 신호 세기 평균을 사용해 t-검정을 수행했다.
신호 송출 간격 변경에 따른 실험 결과에 대해서 분산 분석을 수행하였다. 분산 분석 수행 결과 ‘F 기각치’의 값인 3.
대다수의 기준점에서 신호 송출 세기별 수신 신호의 수 차이는 1이하로 나타난다. 신호 송출 세기의 변경이 기준점에서의 수신 신호 개수에 영향을 미치는지 명확히 판단하기 위해 분산 분석을 수행한다.
‘한라산’의 기준점 1뿐만 아니라 다른 기준점에서도 신호 송출 세기 변경으로 인한 신호 세기의 변화는 일어나지 않았다. 신호 송출 세기의 변경이 기준점에서의 수신되는 수신 신호 세기에 영향을 미치는지 명확히 판단하기 위해 분산 분석을 수행한다.
이론/모형
본 논문에서는 많은 관련 연구에서 실내 측위 기법 중 가장 적합하다고 평가 받는 핑거프린트 기법을 활용해 실내 측위를 수행한다. 실내 측위에서는 측위 기법과 함께 측위 환경 구축 또한 측위 결과에 많은 영향을 미친다.
따라서 본 논문에서는 무선랜의 단점을 보완할 수 있는 비콘을 사용한다. 비콘을 이용한 실내 측위 방법으로는 Fingerprint 방식을 채택하여 사용한다. 실험은 측위 오차에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 선정하고, 해당 요인들 변경에 따라 측위 오차에 어떤 변화가 일어나는지 관찰한다.
성능/효과
150ms동안의 데이터를 사용하는 방법과 1000ms동안의 데이터를 사용하는 방법의 실험 결과에 대한 t검증 결과 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다. 평균 및 표준편차를 적용한 경우에도 같은 결과를 얻을 수 있었다.
50개의 dataset을 활용해 평균 및 표준편차를 적용한 경우에서도 앞선 케이스와 같이 유의한 차이가 없는 결과를 얻을 수 있었다. 평균 및 표준편차를 적용한 실험 결과에 t-검정을 수행한 결과 p-value가 0.
Table 3의 결과를 살펴보면 1000ms동안 수신한 정보 중 최대 신호 세기를 사용했을 때, 150ms동안의 신호를 사용한 경우보다 평균 오차가 30픽셀이 적게 나타나 측위 정확도가 높아진 것을 확인할 수 있다.
05보다 큰 값을 가진다. 따라서 150ms동안의 데이터를 사용한 방법과 1000ms동안의 데이터를 사용한 방법 간의 측위 결과는 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다.
05보다 작은 값을 가진다. 따라서 천장 위, 아래에 비콘을 설치하여 수신 신호 세기의 차이를 관찰한 실험 결과, 통계적으로 유의한 것으로 나타난다.
실험 결과, 신호 송출 세기가 0dBm일 때와 –16dBm일 때 수신되는 신호의 수가 큰 차이를 보이지 않는다.
평균 및 표준편차를 적용한 경우에도 같은 결과를 얻을 수 있었다. 실험에 사용된 신호의 수집 시간과 평균 및 표준편차를 적용하는 방법들은 시나리오별로 평균 오차에 작은 변화가 있지만 유의한 정도는 아니라는 것으로 나타났다. 수신 신호 중 최대 신호 세기를 사용한 실험이 낮은 평균오차를 보이는데, 이는 신호 간섭에 대해 가장 적은 영향을 받은 신호 정보를 사용한 결과이다.
후속연구
실험에 사용된 비콘의 문제로정상적으로 일어나야하는 변화가 관찰되지 않은 것이다. 신호 송출 세기 변경에 따른 변화를 관찰하기 위해서 정상 작동하는 비콘을 사용하여 추가 실험을 수행해야 될 것이다.
신호 송출 주기를 변경했을 때, 유의하다는 결과를 얻을 수 있지만 다른 실험 케이스들에 대해서는 그렇지 못한 결과를 얻었다. 요소별 차이를 명확하게 관찰하기 위해서는 측위에 영향을 미칠 수 있는 요소를 선정하고, 해당 요소에 따른 변화를 확실하게 관찰할 수 있는 환경을 구성해 실험을 수행해야 할 것이다.
이러한 문제를 보완하기 위해 평균 및 표준편차를 적용하는 방안을 제시한다. 이 방법의 적용으로 서버에 등록된 수신 신호 정보와 실시간으로 수신되는 수신 신호 정보간의 차이를 좁혀 측위 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다.(Lim Y.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선랜을 활용한 실내 위치 측위의 장점은?
무선랜의 경우 가장 널리 쓰이고 있는 무선 통신 방식이다. 이미 많은 곳에 설치되어 있기 때문에 적은 비용으로도 시스템을 구축할 수 있다는 장점을 갖는다. 위치 측위를 위해 무선랜 신호 전파의 신호 강도(RSSI:Received Signal Strength Indicator), 도착 시간 차, 도래각등을 사용한다.
실내 측위 방법에는 무엇이 있는가?
실내 측위를 위한 방법으로 AP가 송출하는 무선 신호의 강도를 기반으로 실내 측위를 수행하는 방법들이 제안되어 실험이 이루어졌다. 대표적인 실내 측위 방법으로는 Cell-ID기법, 삼각측량, 핑거프린트 기법이 존재한다.(Kim W.
BLE를 Wi-Fi와 비교했을 때 어떠한 장점을 가지는가?
BLE의 개발과 함께 실내 측위에 사용되는 신호에 대한 관심이 바뀌었다. BLE는 Wi-Fi와 비교했을 때 손 쉬운 설치, 적은 전력 소모량, 적은 신호 간섭, 설정 값 변경가능(송출 세기, 송출 주기 등)과 같은 장점을 가진다. 이러한 점들은 실내 측위 시스템에 효율성과 정확성 개선을 불러올 수 있다.
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