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문제 정의
- 하지만 AP를 이용한 삼변 측량 기법은 거리가 멀어짐에 따라 수신 세기가 불안정하여 측위 범위가 한정적이라는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 10m 이내에 안정적인 값을 가져오는 BLE Beacon의 장점을 이용하여 좁은 범위 내의 데이터만을 활용하여 사용자의 단말 위치를 측정하는 Precise Trilateration 기법을 제안한다. Fig.
- Sector 내에 위치 참조가 4개만 존재하기 때문에 효율성을 고려하여 Mapping 단계에서는 많은 AP를 이용하지 않는다. 본 단계에서는 다음 단계에 삼변 측량을 이용한 정밀 측위를 하기 위한 해당 Beacon을 선정하기 위한 단계로서, 사용자의 단말을 간략하게 위치를 측위를 수행한다는 점에 목표를 두고 있다. 아래의 그림은 Sector Selection 단계를 거친 후 사용자의 단말위치를 간략하게 측위하기 위해 Fingerprinting Mapping 기법을 UI와 핑거프린팅 DB 상에 수행하는 과정을 나타낸다.
제안 방법
- BLE 환경 기반의 기존의 핑거프린팅 방식과 제안된 분산형 핑거프린팅 방식의 효율성 비교를 하기 위해 각 환경의 측위 방식은 동일한 넓은 규모 내에서 측위를 하였다. 각 BLE 환경에서의 기존의 핑거프린팅 방식과 분산 기반의 핑거프린팅 방식의 효율 및 정밀도 비교 실험을 수행하기 위해 12m × 12m 크기의 맵에서 실험을 수행하였으며, Sector의 개수는 4개, 각 크기는 6m × 6m로 구성하였다.
- Fig. 8과 같이 Fingerprinting Mapping 단계 이후 해당 위치 참조에 존재하는 단말을 이용하여 Sector 내에 존재하는 중앙 노드를 포함한 9개의 Beacon 중 사용자의 단말 위치와 인접한 4개의 Beacon을 선정하여 삼변 측량을 수행한다. 본 논문에서의 핑거프린팅 방식은 일반적으로 측위 목적이 아닌 최종적으로 정밀 삼변 측량을 수행하기 위해 사용자의 단말 위치를 보다 한정된 범위 내에 추론하는 단계이므로 각 AP는 근거리 내에 측위 목적으로 우수한 RSSI의 값을 측정 할 수 있다는 BLE의 장점을 이용하여 삼변측량의 장점을 극대화 시켜 전 단계에 비해 신뢰적인 측정결과를 가져 올 수 있다.
- Precise Trilateration 단계는 Fingerprinting Mapping 단계 후 인근에 존재하는 4개의 AP를 이용하여 삼변 측량을 수행하는 단계이다. 기존의 핑거프린팅 방식의 문제점을 보완하기 위해 본 제안 방식에서는 이전 단계의 결과물을 인근 AP를 이용하여 정밀 기반의 삼변 측량 기법을 수행하는 기법을 적용하였다. 아래의 식은 삼변 측량을 수행하기 위해 나타내는 식으로 Dn은 사용자 단말과 해당 AP간의 거리를 나타내고, n은 삼변 측량을 위한 AP의 수를 나타낸다.
- 또한 본 논문에서는 제안된 Sector 기반의 분산형 핑거프린팅의 측위 정밀도의 성능을 평가하기 위해 넓은 공간의 실내 주차장을 배경으로 실험하였다. 실내 주차장의 전체가 아닌 12m × 18m의 공간을 이용하여 각 Sector는 6m × 6m,Cell은 3m × 3m의 크기로 나누었다.
- 4와 같이 선정한다. 본 그림과 같이 각 중앙 Beacon과 사용자의 단말 사이의 수신 세기를 측정하여 가장 큰 RSSI의 값을 갖는 Sector4를 선정한 후, 사용자의 위치를 초기 단계보다 정밀화시키기 위해 Fingerprinting Mapping 단계를 수행한다.
- 본 논문에서 제안하는 시스템 기반의 측위 환경을 구축하기 실험 환경 내의 전파 환경을 파악하기 위해 아래의 Fig.10과 같이 각 거리에 따른 RSSI의 값을 측정하였다.
- 본 논문에서는 핑거프린팅의 Cell의 밀접함에 따라 정밀성은 보장되지만 많은 위치 참조의 저장의 요구 및 비교 연산에 대한 문제점을 고려하여 Fig. 5와 같이 Sector 내의 핑거프린팅 맵 크기는 2 × 2로 설정하였으며, 위치 참조는 (0, 0)에서 (1, 1)까지 총 4개의 위치 참조로 설정하고, Sector 내에는 총 9개의 AP를 설치하였다.
- 하지만 제안된 분산 기반의 핑거프린팅은 핑거프린팅 전체 맵을 각 Sector로 분산시키며 해당 Sector를 선정 후 내부에 존재하는 4개의 Cell만 비교하여 사용자의 단말을 핑거프린팅 방식으로 측위한다. 사용자의 단말이 위치하는 해당 Sector를 찾기 위해 본 논문의 핑거프린팅 방식에는 각Sector 마다 중앙에 BLE Beacon을 추가적으로 위치시켰다. 중앙 BLE Beacon은 Sector 탐지를 위해 단말과 정보를 교환하는 역할을 한다.
- 실내 주차장의 전체가 아닌 12m × 18m의 공간을 이용하여 각 Sector는 6m × 6m,Cell은 3m × 3m의 크기로 나누었다.
- 하지만 Wi-Fi뿐만 아니라 BLE는 백화점이나 공연장 등 장거리 측위 목적으로는 미약한 송신 세기로 인해 안정적이지 못한 RSSI를 받아들이게 되어 광범위 내에서 정밀 측위가 어렵다는 문제점을 가지게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 네트워크 토폴리지와 같은 개념을 도입하여 핑거프린팅 맵을 중앙 집중형 처리 기반이 아닌 분산 처리 기반의 성형 링크와 같은 방식을 이용하였다.
- 이 방식은 기존에 모든 위치 참조를 한 시스템 내에서 하나씩 비교하는 방식이 아닌 핑거프린팅 전체 맵에 해당되는 위치 참조를 일정 범위로 나누어 분산시키는 방식이다. 이러한 분산 시스템을 본 논문에서는 Sector화 시켜 개념을 고안하였으며, Fig. 3은 기존의 핑거프린팅 방식과 Sector화된 분산 핑거프린팅 방식의 구성을 비교하여 나타내었다.
- 제안 방식에서는 광범위 내 분산 기반의 핑거프린팅을 수행하기 위해 다음과 같이 Sector Selection, Fingerprinting Mapping, 마지막으로 Precise Trilateration으로 총 3 단계의 측위 수행이 이루어진다. Sector Selection은 영역을 분산시키기 위해 제안된 도입 단계이며, 영역을 분산시킨 후 일정 영역을 선택하여 Fingerprinting Mapping을 수행한다.
- 제안된 시스템의 처리 순서는 크게 Sector Selection, Fingerprinting Mapping, Precise Trilateration의 3단계로 나뉘어 진다. Sector Selection은 사용자의 단말이 있는 위치의 대략적인 범위을 선정해준다.
- Kwangjae Sung[3]는 GPS를 이용한 실내 측위의 문제점을 인식하고 국내 시장에 가장 많이 이용하는 AP의 단말인 3개 이상의 Wi-Fi를 이용하여 사용자의 단말과 각 Wi-Fi의 AP사이의 RSSI 값을 이용한 삼변 측량 기법을 어플리케이션 상의 출력 화면 내 UI를 설계 및 구현하였다. 측위를 위해 해당 실험 전파 환경을 Path Loss 식에 RSSI 값을 대입하여 Path Loss Exponent를 출력하고 각 AP와 단말 사이의 RSSI 값을 Fris 식과 응용하여 실제 거리를 나타내며, 사용자의 실제 위치와 삼변 측량으로 인한 측위 결과 값을 비교 및 분석하였다.
- Kim[5]는 Wi-Fi를 이용한 실내 핑거프린팅의 정밀측위를 목적으로 크게 측위 어플리케이션을 데이터베이스 구축용과 위치 추적용으로 분류하여 개발하였다. 핑거프린팅 DB에 저장된 AP의 신호세기와 현재 자신위치의 AP의 신호세기를 알고리즘에 대입하여 자신의 위치를 UI상으로 Tracking 기법을 이용하여 출력하는 것에 중점으로 연구에 두었다. 오차 범위를 측위하기 위해 평균제곱오차(MSE)기법을 이용하여 사용자의 단말 위치를 비교 및 분석하였다.
- Equation (1)은 사용자의 단말을 측위하기 위해 핑거프린팅 맵의 규모에 따른 기존의 핑거프린팅 방식과 제안된Sector 기반의 핑거프린팅 방식의 최대 연산량을 각각 나타내었다. 핑거프린팅 맵은 각 정사면체 형태의 맵을 기준으로 비교하였다. Fa는 하나의 Sector 내에 존재하는 위치 참조의수이며, 본 논문에서의 설명과 같이 4개의 값으로 고정시켰다.
- 기존의 핑거프린팅 방식은 사용자의 단말을 측정하기 위해 모든 참조 위치를 비교 분석하여 사용자의 단말로부터 수신된 RSSI의 비슷한 값과 매칭시켜 해당 위치 참조에 사용자의 단말을 위치를 표시하는 방식이다. 하지만 Sector Selection 단계는 위의 언급과 같이 이러한 비효율적인 비교 방식의 횟수를 줄이기 위해 고안된 방식으로 데이터 통신의 회선 교환 방식으로 성(Star)형 링크 방식을 고안하였다.
- 하지만 본 논문에서 제안한 Sector 개념은 사용자의 단말위치를 Sector 별로 탐지를 해 나아가며, 선정된 Sector는 그 한정된 공간 내에 다른 AP의 간섭을 받지 않고 해당 Sector 내의 AP로만 사용자의 위치를 측위하는 개념이다. 한정된 공간 내에 측위 함은 다른 공간의 위치 참조와 비교할 필요가 없어 처리 효율성이 향상되며, BLE의 단점인 넓은 범위 내에서의 측위가 아닌 안정적인 일정 범위 내에서만 측위 한다는 점에서 측위 정밀성의 효율도 증가된다.
- 일반적인 핑거프린팅 방식과 같이 해당 위치 참조를 사전에 핑거프린팅 DB에 저장하여 인근의 AP로 받은 RSSI의 평균 수신 값과 비교하여 해당 위치 참조에 위치시키는 방식이다. 하지만 위치 참조는 많을수록 정밀성은 보장되지만, 측위 목적으로 연산 처리 면에서 효율성이 낮아지기 때문에 본 논문에서는 각 Cell 간의 간격을 다소 길게 지정한다. 다음의 마지막 단계인 Precise Trilateration 단계는 Fingerprinting Mapping 단계로부터 해당 위치 참조에 놓이게 된 사용자의 단말을 보다 더 정밀하기 측위하기 위해 삼변 측량을 수행한다.
대상 데이터
- 각 BLE 환경에서의 기존의 핑거프린팅 방식과 분산 기반의 핑거프린팅 방식의 효율 및 정밀도 비교 실험을 수행하기 위해 12m × 12m 크기의 맵에서 실험을 수행하였으며, Sector의 개수는 4개, 각 크기는 6m × 6m로 구성하였다.
데이터처리
- Fig. 12와 같이 표시된 좌표를 기준으로 본 논문에 제안한 방식의 측위 기법을 이용하여 정밀도를 평가하였다. 아래의 그림은 위치에 따른 제안된 방식 기반의 측위 평균 오차 범위를 나타내었다.
- 핑거프린팅 DB에 저장된 AP의 신호세기와 현재 자신위치의 AP의 신호세기를 알고리즘에 대입하여 자신의 위치를 UI상으로 Tracking 기법을 이용하여 출력하는 것에 중점으로 연구에 두었다. 오차 범위를 측위하기 위해 평균제곱오차(MSE)기법을 이용하여 사용자의 단말 위치를 비교 및 분석하였다.
성능/효과
- 하지만 Fingerprinting Mapping 과정을 거치면서보다 사용자의 위치 정밀도를 높게 표시할 수 있다. Sector Selection 단계를 적용한 후, 일반적인 핑거프린팅 방식은 사용자의 단말을 측위하기 위해 핑거프린팅 맵 내에 존재하는 모든 위치 참조를 비교해야 하지만, 제안한 핑거프린팅방식에서는 Sector 내에 존재하는 위치 참조만 비교하게 되며 연산량은 비교적 넓은 범위에서의 핑거프린팅 환경에서 효율적이다.
- 본 논문에서 제안된 시스템으로 Fingerprinting 기법의 문제점인 광범위 내 거리에 따른 RSSI값의 불안정으로 인한 정밀 측위의 문제점과 많은 수의 위치 참조를 비교해야 된다는 연산 효율량의 문제점을 해결하였다. 또한 제안된 Fingerprinting 시스템은 성형 링크 방식과 유사하게 분산형구조를 Sector로 나누어 추후 설치 및 제거 시 다른 Sector에 영향을 주지 않기 때문에 기존의 Fingerprinting 방식에 비해 유지 및 보수 면에서도 용이하게 개선하였다. 하지만 본 논문에 제안된 측위 방식은 기존의 방식에 비해 Sector구분을 위한 Beacon을 추가적으로 설치하기 때문에 초기단계의 Fingerprinting Map의 설비 및 구축 단계에서는 다른 기술에 비해 경제적으로 많은 비용이 든다.
- 최근에 BLE 비콘을 이용한 실내 측위 기술은 저전력으로 사용자의 단말을 측위할 수 있으며, Wi-Fi에 비해 배터리 수명 시간이 길어 보수 및 유지에 용이하다. 또한 측위환경 근거리 내외에서 BLE 비콘의 Advertising Channel에서의 고정적인 Error 패턴으로 인해 실내 측위를 목적으로 핑거프린팅 기법 관점에서 정밀성이 우수하다는 특징으로 실용성 및 효율성에서 강점을 지니고 있으며, 또한 약 10m 이내의 근거리 위치에서 측위 목적으로 RSSI의 수신 감도의 우수성을 가진다. 다음의 Fig.
- 제안된 분산 기반의 핑거프린팅 방식은 소규모의 범위에서 측위하면 추가적인 Sector 탐지를 위한 BLE Beacon과 기존의 핑거프린팅 기법에는 존재하지 않는 Sector 선정 과정을 거치기 때문에 비효율적일 수도 있으나, 광범위 내에서는 증가하는 위치 참조에 따른 요구되는 연산량과 AP의 저장 값이 증가하기 때문에 Sector로 간편화 시킬 수 있다. 모든 AP로부터 수신 값을 측정하여 사용자의 단말 위치를 비교 분석하는 기존의 핑거프린팅보다 Sector 선정 후, 핑거프린팅 과정을 거쳐 최종적으로 소규모범위에서 삼변 측량을 수행한 제안하는 핑거프린팅 기법이 보다 측위 정밀성이 보장된다.
- 본 논문에서 제안된 시스템으로 Fingerprinting 기법의 문제점인 광범위 내 거리에 따른 RSSI값의 불안정으로 인한 정밀 측위의 문제점과 많은 수의 위치 참조를 비교해야 된다는 연산 효율량의 문제점을 해결하였다. 또한 제안된 Fingerprinting 시스템은 성형 링크 방식과 유사하게 분산형구조를 Sector로 나누어 추후 설치 및 제거 시 다른 Sector에 영향을 주지 않기 때문에 기존의 Fingerprinting 방식에 비해 유지 및 보수 면에서도 용이하게 개선하였다.
- 8과 같이 Fingerprinting Mapping 단계 이후 해당 위치 참조에 존재하는 단말을 이용하여 Sector 내에 존재하는 중앙 노드를 포함한 9개의 Beacon 중 사용자의 단말 위치와 인접한 4개의 Beacon을 선정하여 삼변 측량을 수행한다. 본 논문에서의 핑거프린팅 방식은 일반적으로 측위 목적이 아닌 최종적으로 정밀 삼변 측량을 수행하기 위해 사용자의 단말 위치를 보다 한정된 범위 내에 추론하는 단계이므로 각 AP는 근거리 내에 측위 목적으로 우수한 RSSI의 값을 측정 할 수 있다는 BLE의 장점을 이용하여 삼변측량의 장점을 극대화 시켜 전 단계에 비해 신뢰적인 측정결과를 가져 올 수 있다.
- 이와 같은 환경뿐만 아니라 핑거프린팅 맵의 크기가 증가함에 따라 제안하는 분산 핑거프린팅 연산량은 기존의 핑거프린팅 방식보다 보다 더 효율적인 연산량을 보여준다. 각각의 핑거프린팅 연산량 Equation (1) 및 (2)를 인용하여 다음과 같이 효율도를 표현할 수 있다.
- 이와 같이 제안된 시스템은 기존에 이용되는 핑거프린팅 방식을 분산화 시켜 그 분산된 공간 내에서만 핑거프린팅과 삼변 측량을 수행하는 방법을 나타내었다. Sector화 방식은 기존의 광범위 내에서 실내 측위 문제점으로 인해 고안되었으며, 또한 Sector화로 분산시키면 다른 Sector는 사용자의 단말을 측위하기 위해 각 위치 참조를 비교 할 필요가 없다는 장점을 가진다.
- 일반적으로 핑거프린팅 기법을 수행하기 위해 해당 핑거프린팅 DB 내의 각 위치 참조는 해당 AP로부터 수신되는 RSSI의 값을 평균화시켜 저장하기 때문에 기존의 핑거프린팅은 정밀성을 보장하며, 모든 해당 참조 위치를 사용자의 단말 위치와 비교하기 위해 모든 AP로부터 수신된 RSSI의 값을 받아야 된다는 단점을 가지고 있어 많은 정보량을 사전에 저장해야 된다. 제안된 분산 기반의 핑거프린팅 방식은 소규모의 범위에서 측위하면 추가적인 Sector 탐지를 위한 BLE Beacon과 기존의 핑거프린팅 기법에는 존재하지 않는 Sector 선정 과정을 거치기 때문에 비효율적일 수도 있으나, 광범위 내에서는 증가하는 위치 참조에 따른 요구되는 연산량과 AP의 저장 값이 증가하기 때문에 Sector로 간편화 시킬 수 있다. 모든 AP로부터 수신 값을 측정하여 사용자의 단말 위치를 비교 분석하는 기존의 핑거프린팅보다 Sector 선정 후, 핑거프린팅 과정을 거쳐 최종적으로 소규모범위에서 삼변 측량을 수행한 제안하는 핑거프린팅 기법이 보다 측위 정밀성이 보장된다.
- 또한 제안된 Fingerprinting 시스템은 성형 링크 방식과 유사하게 분산형구조를 Sector로 나누어 추후 설치 및 제거 시 다른 Sector에 영향을 주지 않기 때문에 기존의 Fingerprinting 방식에 비해 유지 및 보수 면에서도 용이하게 개선하였다. 하지만 본 논문에 제안된 측위 방식은 기존의 방식에 비해 Sector구분을 위한 Beacon을 추가적으로 설치하기 때문에 초기단계의 Fingerprinting Map의 설비 및 구축 단계에서는 다른 기술에 비해 경제적으로 많은 비용이 든다. 그리고 정밀측위를 위해 Sector 선정, 핑거프린팅, 삼변 측량과 같은 여러 측위 방식을 수행해야 된다는 점에서 많은 단계를 거쳐야 한다.
- 하지만 본 논문에서 제안한 Sector 개념은 사용자의 단말위치를 Sector 별로 탐지를 해 나아가며, 선정된 Sector는 그 한정된 공간 내에 다른 AP의 간섭을 받지 않고 해당 Sector 내의 AP로만 사용자의 위치를 측위하는 개념이다. 한정된 공간 내에 측위 함은 다른 공간의 위치 참조와 비교할 필요가 없어 처리 효율성이 향상되며, BLE의 단점인 넓은 범위 내에서의 측위가 아닌 안정적인 일정 범위 내에서만 측위 한다는 점에서 측위 정밀성의 효율도 증가된다.
후속연구
- 그리고 정밀측위를 위해 Sector 선정, 핑거프린팅, 삼변 측량과 같은 여러 측위 방식을 수행해야 된다는 점에서 많은 단계를 거쳐야 한다. 본 논문에서 추후 연구 계획은 이와 같은 AP의 의존도를 줄이며, 정밀 측위를 위한 알고리즘 방식을 간소화하는 방향으로 진행할 계획이다
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