[논문]광대역 실내 환경에서 UWB 위치 추정 시스템의 성능 평가

노재성

doi:10.12673/jant.2021.25.5.357

초록
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UWB(ultra wide band) 통신 시스템은 신호 에너지를 매우 넓은 주파수 스펙트럼에 정보를 전송하기 위해 펄스를 사용한다. UWB 신호의 수신 신호 대 잡음 전력비는 위치 추정 시스템의 정확도를 결정하는 중요한 요소이다. 신호 대 잡음 전력비가 높을수록 잡음의 영향이 낮아 위치 추정 오류는 감소한다. 통신 거리에 따른 신호 대 잡음 전력비의 계산은 시스템 설계에 중요한 지침을 제공하며 위치 추정 시스템의 성능은 채널 모델에 크게 의존한다. 분석 결과, 통신 거리에 따른 수신 신호 대 잡음 전력비의 성능은 Non LOS (line of sight)채널 환경보다 LOS 채널 환경에서 더 좋은 것으로 나타났다. 그리고 특정 통신 거리에서 프리앰블 신호의 심볼 간격이 증가하면 UWB 시스템의 채널 용량은 증가하였다.

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UWB(ultra wide band) communication systems employ short pulses to transmit information which spreads the signal energy over a very wide frequency spectrum. Received signal-to-noise power ratio of UWB signals is an important factor in determining the accuracy of a positioning system. As the signal to...

UWB(ultra wide band) communication systems employ short pulses to transmit information which spreads the signal energy over a very wide frequency spectrum. Received signal-to-noise power ratio of UWB signals is an important factor in determining the accuracy of a positioning system. As the signal to noise power ratio gets higher, positioning errors decrease since noise becomes less effective. Calculation of signal to noise power ratio as a function of communication distance provides important guidelines for the system design. And the performance of a positioning system also depends heavily on the channel model. As a result of the analysis, it was found that the performance of the received signal to noise power ratio according to the communication distance was better in the LOS channel environment than in the Non LOS(line of sight) channel environment. And as the symbol interval of the preamble signal increases at a specific communication distance, the channel capacity of the UWB system increases.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 상업용 UWB 시스템을 위한 FCC 스펙트럼 마스크 Fig. 1. FCC spectrum masks for commercial UWB systems.
그림 그림 2. 펄스 반복 간격이 T_f초인 Ranging 신호 Fig. 2. Ranging signal with a pulse repetition interval of T_f seconds.
그림 그림 3. 단면 양방향 측위 방식 Fig. 3. Single sided two way ranging method.
그림 그림 4. IEEE 802.15.4a 프리앰블 구조 Fig. 4. IEEE 802.15.4a Preamble Structure.
표 표 1. IEEE 802.15.4a 채널 파라미터 Table 1. IEEE 802.15.4a channel parameters.
그림 그림 5. 광대역 채널에서 통신 거리 d_tr 에 따른 수신 SNR의 성능 (T_S = 1[μs]) Fig. 5. Performance of Received SNR over Communication Distance d_tr in Wideband Channels (T_S = 1[μs]).
그림 그림 6. 광대역 채널에서 통신 거리 d_tr 에 따른 수신 SNR의 성능 (T_S = 100[μs]) Fig. 6. Performance of Received SNR over Communication Distance d_tr in Wideband Channels (T_S = 100[μs]).
그림 그림 7. 광대역 CM1 채널에서 T_S와 d_tr 에 따른 수신 SNR의 성능 Fig. 7. Performance of Received SNR over T_S and d_tr in Wideband CM1 Channel.
그림 그림 8. 광대역 CM3 채널에서 T_S와 d_tr 에 따른 수신 SNR의 성능 Fig. 8. Performance of Received SNR over T_S and d_tr in Wideband CM3 Channel.
그림 그림 9. 광대역 CM1 채널에서 T_S와 d_tr 에 따른 UWB 시스템의 채널 용량 Fig. 9. Channel Capacity of UWB System over T_S and d_tr in Wideband CM1 Channel.
그림 그림 10. 광대역 CM3 채널에서 T_S와 d_tr 에 따른 UWB 시스템의 채널 용량 Fig. 10. Channel Capacity of UWB System over T_S and d_tr in Wideband CM3 Channel.

AI 본문요약
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문제 정의

4z 표준에 의하여 정확한 거리 측정, 더 높은 데이터율, 확장된 통신범위, 간섭에 대한 개선된 강인성, 이동성 지원 등의 문제점을 해결하고 있다. IEEE 802.15.4z는 UWB 기술의 상호 운용성을 높이고 액세스 제어 시스템을 위한 보다 안전한 방법을 도입하는 것을 목표로 하고 있다. 기존 표준에 새로운 기능을 도입하여 LRP(low rate pulse) 및 HRP(high rate pulse) UWB 물리계층의 개선 사항과 물리계층을 지원하기 위한 매체접근제어 계층의 변경 사항을 포함하고 있다.
본 논문에서는 광대역 무선 채널에서 광대역 위치 추정 시스템의 위치인식 정밀도 향상을 위한 연구를 진행하며 광대역 무선 환경의 채널 특성에 따른 UWB 시스템의 신호 대 잡음 전력비를 분석하였다. 또한 실내 주거 및 사무 지역 환경에서 UWB 시스템의 위치 추정을 위한 프리앰블의 심볼 간격과 통신 거리에 따른 UWB 시스템의 채널 용량 사이의 관계를 분석한다.

제안 방법

본 논문에서는 광대역 무선 채널에서 광대역 위치 추정 시스템의 위치인식 정밀도 향상을 위한 연구를 진행하며 광대역 무선 환경의 채널 특성에 따른 UWB 시스템의 신호 대 잡음 전력비를 분석하였다. 또한 실내 주거 및 사무 지역 환경에서 UWB 시스템의 위치 추정을 위한 프리앰블의 심볼 간격과 통신 거리에 따른 UWB 시스템의 채널 용량 사이의 관계를 분석한다.
본 논문에서는 IEEE 802.15.4a 표준에서 제시한 채널모델(CM1∼CM4)에서 프리앰블 신호의 심볼 간격과 통신 거리에 따른 UWB 시스템의 수신 신호 대 잡음 전력비 변화와 시스템 채널 용량을 분석하였다

이론/모형

UWB 통신방식은 퓨리에 이론을 이용하여 확산신호를 사용하지 않고 짧은 시간에 펄스를 송출하여 넓은 주파수 대역폭을 생성하게 된다. 따라서 통신시스템의 채널 용량을 결정하는 샤논 법칙에 의하여 UWB는 낮은 출력의 전파를 사용해도 넓은 주파수 대역을 사용하기 때문에 고속통신이 가능하게 된다.
기존 표준에 새로운 기능을 도입하여 LRP(low rate pulse) 및 HRP(high rate pulse) UWB 물리계층의 개선 사항과 물리계층을 지원하기 위한 매체접근제어 계층의 변경 사항을 포함하고 있다. 거리 추정은 UWB 기술의 핵심이며 UWB 측위 시스템은 TOA 측정을 기반으로 하고 있다. 장치간의 거리를 정확하게 측정하기 위해서는 안정적이고 강력한 측위 타임스탬프를 제공해야 하나 LRP에는 거리 측정 기능이 없기 때문에 거리 측위의 향상은 주로 HRP 물리계층에 적용되어 있다.

성능/효과

분석 결과, LOS 채널 환경이 Non LOS 채널 환경보다 통신 거리에 따른 수신 신호 대잡음 전력비의 성능이 우수함을 알 수 있었고 또한 수신 신호대 잡음 전력비의 변화 범위도 커짐을 알 수 있었다. 그리고 일정한 통신 거리에서 프리앰블 신호의 심볼 간격이 증가함에 따라 수신 신호 대 잡음 전력비는 증가함을 알 수 있었다. 마지막으로 광대역 통신 채널에서 UWB 시스템의 채널 용량 변화를 분석한 결과, 일정한 통신 거리에서 프리앰블 신호의 심볼 간격이 증가하는 경우, UWB 시스템의 채널 용량은 증가하였고 일정한 프리앰블 신호의 심볼 간격에서 통신 거리가 증가함에 따른 UWB 시스템의 채널 용량은 감소하고 있음을 알 수 있었다.
그리고 일정한 통신 거리에서 프리앰블 신호의 심볼 간격이 증가함에 따라 수신 신호 대 잡음 전력비는 증가함을 알 수 있었다. 마지막으로 광대역 통신 채널에서 UWB 시스템의 채널 용량 변화를 분석한 결과, 일정한 통신 거리에서 프리앰블 신호의 심볼 간격이 증가하는 경우, UWB 시스템의 채널 용량은 증가하였고 일정한 프리앰블 신호의 심볼 간격에서 통신 거리가 증가함에 따른 UWB 시스템의 채널 용량은 감소하고 있음을 알 수 있었다.
4a 표준에서 제시한 채널모델(CM1∼CM4)에서 프리앰블 신호의 심볼 간격과 통신 거리에 따른 UWB 시스템의 수신 신호 대 잡음 전력비 변화와 시스템 채널 용량을 분석하였다. 분석 결과, LOS 채널 환경이 Non LOS 채널 환경보다 통신 거리에 따른 수신 신호 대잡음 전력비의 성능이 우수함을 알 수 있었고 또한 수신 신호대 잡음 전력비의 변화 범위도 커짐을 알 수 있었다. 그리고 일정한 통신 거리에서 프리앰블 신호의 심볼 간격이 증가함에 따라 수신 신호 대 잡음 전력비는 증가함을 알 수 있었다.

후속연구

정보통신 기술의 발달로 위치 정보 서비스에 관심이 높아지고 있으며 특히, 광대역 통신 방식을 활용한 정밀측위 기능은 국내외 스마트 내부에 광대역 통신 칩을 탑재하여 정밀측위 기능을 확대하고 있어서 관련 기능 및 서비스가 고도화되고 있다. 따라서 정밀 측위 기능을 수행하기 위해서는 광대역 통신 시스템의 구조, 광대역 통신 채널의 모델링 및 특성 파라미터, 통신 시스템의 수신 신호 대 잡음 전력비, 광대역 시스템의 채널 용량에 대한 분석 등이 필요하다.

참고문헌 (9)

A. Bensky, Wireless Positioning Technologies and Applications, Altech house, 2008.
M. Verhelst and W. Dehaene, Energy Scalable Radio Design: for Pulsed UWB Communication and Ranging, Springer, 2009.
J. M. Cramer, R. A. Scholtz, and M. Z. Win, "Evaluation of an ultrawideband propagation channel," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 50, pp. 561-570, May. 2002.

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D. Cassioli, M. Z. Win, and A. F. Molisch, "The ultra-wide bandwidth indoor channel: from statistical model to simulations," IEEE J. Sel. Areas Commun., Vol. 20, No. 6, pp. 1247-1257, Aug. 2002.

상세보기
P. Sedlacek, M. Slanina, and P. Masek, "An overview of the IEEE 802.15.4z standard its comparison and to the existing UWB standards," IEEE International Conference Radioelektronika, Apr. 2019.
L. Flueratoru, S. Wehrli, M. Magno, and D. Niculescu, "On the energy consumption and ranging accuracy of ultra-wideband physical Interfaces," IEEE Global Communications Conference, Dec. 2020.
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A. F. Molisch, "IEEE 802.15.4a channel model-final report," IEEE 802.15-04-0662-00-004a, Nov. 2004.
S. Roy, J. Foerster, V. Somayazulu, and D. Leeper, "Ultrawideband radio design: the promise of high-speed, short-range wireless connectivity," Proceedings of the IEEE, Vol. 92, No. 2, pp.295-311, Feb. 2004.

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